СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АЛМАЗ - КАРБИД КРЕМНИЯ - КРЕМНИЙ
METHOD OF PROCESSING SURFACE OF COMPONENT MADE FROM DIAMOND-SILICON CARBIDE-SILICON COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам обработки поверхности композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных деталей машиностроения и в качестве инструмента.
Композиционные материалы алмаз - карбид кремния - кремний обладают хорошей комбинацией свойств: высокий модуль упругости, высокая твердость и высокая теплопроводность. Поэтому они представляют интерес для применения в различных областях машиностроения. Получение таких материалов описано в ряде патентов [1-3].
Однако высокая твердость композитов крайне затрудняет обработку изготовленных из них деталей традиционными методами: входящие в структуру материала алмаз и карбид кремния крайне негативно воздействуют на обрабатывающий инструмент, приводя к его быстрому износу. При этом сам композиционный материал практически не изнашивается (не обрабатывается). Поэтому весьма актуальным является поиск нетрадиционных методов обработки таких композитов.
Известен способ обработки самого твердого в природе материала - алмаза, описанный в патенте США №4339304 [1982 г., кл. COIB 31/00]. Способ включает в себя приведение алмаза в контакт с пластиной, изготовленной из металла или сплава, способного растворять углерод при температурах 600-1800°С, в вакууме или газовой атмосфере. При этом предпочтительно использовать такие металлы, как железо, никель, платина, или их сплавы. Сущность известного способа состоит в термодиффузионных процессах, протекающих на границе алмаз/металл. При высоких температурах происходит активное растворение углерода (из которого сформирован алмаз) в металле. За счет этого по окончании термообработки с поверхности алмаза удаляется слой определенной толщины.
Недостатком известного способа является то, что он не может быть использован для обработки поверхности композитов алмаз-карбид кремния-кремний, т.к. в отличие от алмаза, в его структуру входят другие фазы, а именно кремний и карбид кремния.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка и обеспечение обработки поверхности деталей из композиционных материалов алмаз - карбид кремния - кремний.
Указанный технический результат достигается тем, что при обработке композита его поверхность совмещают с поверхностью стальной пластины и осуществляют термообработку в вакууме при температуре 1150-1250°С. При этом процесс повторяют несколько раз. Все термообработки, кроме последней, проводят при температуре 1210-1250°С, а последнюю термообработку - при 1150-1190°С. При каждой термообработке используют новую стальную пластину.
Предпочтительно использование пластин, изготовленных из нелегированных сталей с содержанием углерода менее 1 мас.%.
Выполненные эксперименты показали, что проведение термообработок (кроме последней) при температуре ниже 1210°С обеспечивает низкую производительность процесса за счет малой скорости растворения в металле карбида кремния и кремния в этих условиях. Проведение термообработки при температурах выше 1250°С нецелесообразно, т.к. повышение температуры не приводит к интенсификации процесса, но усложняет технологический процесс. Последняя термообработка, как будет показано ниже, ставит своей целью удаление с поверхности выступов, сформированных алмазными зернами. Поэтому в этом случае термообработку осуществляют при температуре не ниже 1150°С, т.к. при более низких температурах процесс протекает медленно и неустойчиво. При температуре выше 1190°С не удается добиться требуемого качества поверхности. Предпочтительно использовать стальные пластины из нелегированных сталей с содержанием углерода менее 1 мас.%, т.к. при большем содержании углерода в стали процесс происходит с заметно меньшими скоростями.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Композит алмаз - карбид кремния - кремний сформирован из алмазных зерен, связанных между собой матрицей, состоящей из карбида кремния и кремния. Соотношение фаз в материале может быть различным, но в большинстве случаев содержание алмаза 40-70%об., карбида кремния 25-50%об., кремния 5-15%об. Таким образом, состав материала сформирован двумя химическими элементами: кремнием и углеродом. Предлагаемый способ основан на термодиффузионном растворении в металле (стали) кремния и углерода. Хорошо известно, что железо активно образует твердые растворы и химические соединения с кремнием и углеродом. Именно эти процессы были положены в основу создания широкой номенклатуры сталей и чугунов. В ходе выполненных экспериментов было установлено, что при термообработке композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний, находящегося в контакте со сталью (например, две пластины, одна из которых представляет собой обрабатываемую деталь из композиционного материала, а другая - из стали, наложенные друг на друга) при температуре выше 1150°С происходит уменьшение размеров композита (высоты пластины) и уменьшение шероховатости поверхности за счет растворения поверхностного слоя в металле. Однако в этих условиях травление алмазных зерен происходит более интенсивно, чем карбидокремниевой матрицы композита. Было установлено, что процесс травления активизируется при температурах выше 1210°С. Отмечено, что в этом случае происходит активное растворение в стали не только алмазных зерен, но и карбидокремниевой матрицы. Причем скорость травления матрицы даже превышает скорость травления алмазных зерен.
Было установлено, что скорость термодиффузионного растворения компонентов композита в стали значительно снижается во времени: наиболее интенсивно процесс протекает в течение 1-2 минут, за которые происходит удаление 30-100 мкм материала. Поэтому для более глубокой обработки композита стадию термодиффузионной обработки повторяют несколько раз, используя в каждом случае новые стальные пластины. Как уже отмечалось, особенность термообработки при температурах 1210-1250°С состоит в том, что скорость травления карбидокремниевой матрицы выше скорости травления алмаза. Поэтому поверхность композита после такой обработки имеет относительно высокую шероховатость, сформированную выступающими алмазными зернами. Для уменьшения шероховатости уже обработанного в нужный размер композита осуществляют дополнительную стадию термообработки, проводимую при температуре 1150-1190°С. Активное растворение алмазных зерен в стали при этих условиях позволяет удалить выступы на поверхности и уменьшить шероховатость поверхности композита.
Следующий пример подтверждает сущность предлагаемого технического решения.
Пример. Обработке подвергают пластину 9×9 мм и толщиной 3,02 мм из композиционного материала состава: алмаз 59%об., карбид кремния 34%об., кремний 7%об. Для проведения обработки пластину из композита укладывают на пластину из стали марки Ст10 (содержание углерода в стали 0,1 мас.%) размером 20×20×3 мм, отшлифованной до Rz=2 мкм. Собранные вместе пластины помещают в трубную ламповую печь, обеспечивающую нагрев обрабатываемых материалов галогеновыми лампами. Термообработку проводят в вакууме 0,1 мм рт.ст. при температуре 1240°С в течение 2 минут. После термообработки стальную пластину удаляют. Толщина пластины из композита после термообработки 2,94 мм. Повторную термообработку осуществляют тем же образом, что и первую, при этом используют новую (нетермообработанную) стальную пластину. Толщина пластины из композита после второй термообработки 2,88 мм. После двух проведенных термообработок поверхность пластины образована выступающими из карбидокремниевой матрицы зернами алмаза. Третью - окончательную обработку осуществляют аналогично первым двум, но при температуре 1160°С в течение 1 минуты. После окончательной обработки происходит выравнивание поверхности: отсутствует выступание зерен алмаза над карбидокремниевой матрицей композита. Толщина пластины композита 2,84 мм. Тем самым за счет проведения трех термообработок пластина из композиционного материала обработана по толщине на 0,18 мм.
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет обрабатывать композиты алмаз - карбид кремния с довольно высокой производительностью, обеспечивая при этом большой съем материала высокой твердости.
Источники информации
1. Патент РФ №2131805, кл. B24D 3/16.
2. Патент РФ №2151126, кл. С04В 35/52.
3. Патент РФ №2206502, кл. С01В 31/06.