Композит с металлизированной дисперсной фазой

А. А. Косарев, Г. В. Булидорова КОМПОЗИТ С МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ

Ключевые слова: композит, дисперсная фаза.

Исследована возможность повышения прочностных характеристик абразивного материала на медно-оловянной связке, полученного методом порошковой металлургии, с использованием в качестве наполнителя синтетического алмаза. Для повышения прочностных характеристик композита предложена предварительная металлизация (меднение и никелирование) алмазного порошка. Определены оптимальная температура спекания и давление прессования композита. Показано, что металлизация абразивного наполнителя позволяет повысить прочность изделия.

Key words: composit, disperse phase.

The possibility of compression resistance increasing of sintered abrasive composite material has been studied. The material on copper-tinny ligament was received by method to powdered metallurgy. The synthetic diamond powder was used as filler. The preliminary plating (coppering or nickeling) of diamond powder was offered for strength characteristics of composite increasing. Optimum temperature of sintering and optimum pressure of composite are determined. It was shown that plating of the abrasive filler allows to raise toughness of the product.

Создание новых современных приборов с применением полупроводников (германия и кремния), спецкерамики, оптического стекла требуют применения алмазных инструментов, обеспечивающих эффективную механическую обработку этих весьма твердых и хрупких материалов. В основной своей массе алмазный инструмент представляет собой высоконаполненные композиции, состоящие из алмазного порошка, связки и технологических добавок [1,2]. Наиболее универсальная и износостойкая связка - металлическая. Она может быть получена различными способами: гальваническим, электроразрядного спекания, и др. Самым распространенным является метод порошковой металлургии, который позволяет изготавливать прочные инструменты с достаточно высокой абразивной способностью.

В настоящее время в промышленности используют алмазно-абразивные инструменты с концентрацией алмазного порошка не более 15%, т.к. при дальнейшем увеличении содержания дисперсной фазы идет резкое уменьшение механической прочности спеченного материала [3,4]. Целью данной работы является исследование возможности повышения прочностных характеристик абразивного материала на медно-оловянной связке, полученного методом порошковой металлургии, с использованием в качестве наполнителя металлизированного алмаза АС-32.

На начальном этапе исследования были определены прочностные характеристики медно-оловянной связки М1. Было показано, что максимальная прочность (1845 кг/см2) достигается спеканием связки при температуре 700 °С, что полностью согласуется с литературными данными.

Были приготовлены составы в различным содержанием абразивного материала и для полученных композитов были определены прочностные характеристики, оптимальные значения температуры спекания, получены кривые прессования. Из рис. 1 видно, что максимальная плотность композита достигается при давлении прессования от 150 МПа до 250 МПа. При этом прочность прессованного изделия монотонно возрастает с увеличением давления прессования. Было показано (табл. 1), что при температуре спекания 700°С достигается максимальная плотность и максимальная прочность образцов. В ходе работы было исследовано влияние содержания абразивного материала на прочностные характеристики спеченных изделий, для чего были изготовлены образцы с содержанием алмазного порошка в композите 15, 20 и 30 %, при давлении прессования 150 МПа и оптимальной температуре спекания (700 °С). Показано, что с увеличением содержания алмаза прочность спеченного композита резко падает (табл. 1).

Таблица 1 - Условия получения и прочностные характеристики абразивного инструмента

Состав Содер- жание АС-32, % Темп. спекания, °С Потеря массы, % Усад- ка, % Рср, г/см3 Осж, Н/см

до | после спекания

Оы-Эп - 650 0,34 3,52 5,82 6,05 1243

700 0,14 11,81 5,79 6,55 1845

750 0,20 -13,29 5,82 5,15 102

(АС32+ N0 + Оы-Эп 15 650 0,67 1,93 4,72 4,78 642

АС32 + Оы-Эп 0,54 1,95 4,74 4,80 630

(АС32+ Сы) + Оы-Эп 0,17 1,73 4,84 4,93 670

(АС32+ N1) + Оы-Эп 700 0,50 5,04 4,71 4,93 884

АС32 + Оы-Эп 0,54 5,78 4,74 5,00 810

(АС32+ Сы) + Оы-Эп 0,16 6,65 4,83 5,16 834

(АС32+ N1) + Оы-Эп 750 0,20 -0,20 4,78 4,76 859

АС32 + Оы-Эп 0,17 1,20 4,76 4,80 800

(АС32+ Сы) + Оы-Эп 0,31 1,48 4,83 4,88 823

(АС32+ N1) + Оы-Эп 23 700 0,91 3,32 4,33 4,43 785

АС32 + Оы-Эп 0,49 3,12 4,38 4,51 698

(АС32+ Сы) + Оы-Эп 0,32 3,20 4,50 4,63 727

(АС32+ N1) + Оы-Эп 30 0,21 4,06 4,03 4,14 517

АС32 + Оы-Эп 0,85 2,76 4,09 4,17 437

(АС32+ Сы) + Оы-Эп 0,92 2,58 4,13 4,20 526

Наличие на поверхности алмазных зерен металлической пленки должно повлиять на адгезию связки к наполнителю и в конечном итоге на прочность спеченного композита. Медная и никелевая пленки осаждались на алмазный порошок методом «химической металлизации» [5,6]. Предварительная подготовка поверхности осуществлялась с использованием совмещенного активатора на основе дихлоридов олова и палладия. Меднение проводилось из стандартного тартратного раствора, а никелирование - из щелочного раствора на основе сульфатов никеля и аммония. Необходимо отметить, что перед никелированием активированную поверхность АС-32 приходилось обрабатывать в слабом растворе ЫаОИ,

т.к. без этой операции каталитической активности поверхности для избирательного осаждения никеля не хватало, и металл восстанавливался во всем объеме раствора.

Никелированные и омедненные алмазные порошки использовались для приготовления композита с содержанием абразивного наполнителя 15, 23, 30 %. Как видно из табл. 1, присутствие металлической пленки на поверхности АС-32 увеличивает асж. Недостаточно высокое увеличение прочности омедненных образцов по сравнению с никелированными, по-видимому, связано с тем, медь на поверхности зерен присутствует в основном в виде оксида.

Следует отметить, что усадка металлизированных и неметаллизированных образцов практически одинакова. С увеличением содержания металлизированного АС-32 в композите прочность спеченных изделий падает значительно меньше по сравнению с неметалли-зированным.

Проведенные исследования показали, что химическая металлизация абразивного наполнителя позволяет повысить прочность изделия. Меднение абразивного наполнителя повышает прочность на 3% при содержании алмазного порошка 15 % и на 18% при содержании алмазного порошка 30 %. При никелировании алмазного порошка прочность композита возрастает на 10% при содержании алмазного порошка 15 % и на 20% при содержании алмазного порошка 30 % .

Экспериментальная часть

Объектом исследования являлся абразивный материал на основе металлической связки для алмазно-абразивного инструмента марки М1 (20% Sn, 80% Си). В качестве наполнителя использовался синтетический алмаза марки АС-32, с размерами зерна 80/63.

В процессе химической металлизации алмазный порошок сначала проходил стадию активации в растворе «совмещенного активирования» состава: KCl 153 г/л, НС1119 22 г/л, SnCl2•2H2O 40 г/л, РЬС12 0,5 г/л, а затем стадию собственно металлизации, в растворах химического меднения (Ыа2С03 20 г/л, CuSO4 30 г/л, К-Ыа тартрат 170 г/л, формалин 10 мл/л, ЫаОН 22 г/л) либо химиче-

ского никелирования (141804 7Н20 30 г/л, (NN4)2804 25 г/л, 4аН2Р02 10 г/л, аммиак до рН 8-9). Готовый продукт отфильтровывался и промывался дистиллированной водой до рН промывной воды 6,5 - 7,5, после чего сушился при 70-80°С в течение двух часов.

Формование образцов проводилось методом «глухого» прессования на прессе 2ПГ-10, с диаметром плунжера 116 мм, в пресс-сборке с диаметром пуансона 10 мм. Масса навески выбиралась исходя из ожидаемой плотности 5,1 г/см3, при высоте шашки 2,5 мм.

Спекание образцов проводилось в лабораторной муфельной электропечи МПЛ-6. Образцы спекались в контейнерах из никелевой фольги. Спекание осуществлялось при заданной температуре с выдержкой 30 минут. Охлаждение происходило при комнатной температуре.

Прочностные характеристики определялись на разрывной машине БМ-500 с массой груза

100 кг.

Литература

1. Ивенсен, В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории / В. А. Ивенсен.- М: Металлургия. - 1985. - 247 с.

2. Явербаум, Л. Новые процессы и материалы порошковой металлургии /Л. Явербаум: пер. с англ. - М.: Металлургия. - 1983. - 360 с.

3. Андриевский, Р.А. Введение в порошковую металлургию / Р. А. Андриевский. - Фрунзе: Илим. -1988. - 174 с.

4. Скороход, В.В. Физико-металлургические основы спекания порошков / В. В. Скороход, С. М.Солонин. - М.: Металлургия. - 1984. - 159 с.

5. Шалкаускас, М.И. Металлизация пластмасс / М. И. Шалкаускас.- М.: Знание. -1983. -168 с.

6. Сайфуллин, Р. С. Исследования в области создания композиционных электрохимии-ческих покрытий (КЭП) с дисперсной фазой микро- и наночастиц / Р. С. Сайфуллин, А. И. Хацринов, С. В. Водопьянова, Г. Г. Мингазова, Р. Е. Фомина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №6. - С.80.

© А. А. Косарев - канд. техн. наук, доц. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, ко-sarev_aleks@mail.ru; Г. В. Булидорова - канд. хим. наук, доц. каф. физической и коллоидной химии КГТУ, gal_b@list.ru.