АЛМАЗНЫЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОЙ ДОБАВКОЙ
POLYCRYSTALLINE DIAMOND COMPOSITE WITH DISPERSION-STRENGTHENED ADDITIVE

Изобретение относится к области получения поликристаллических материалов, а именно к композиционным материалам на основе алмаза, полученным путем спекания алмазных зерен и металлов с дисперсно-упрочняющими добавками в условиях высоких давления и температуры, и может быть использовано преимущественно для изготовления бурового инструмента.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДКМ) относятся к классу порошковых композиционных материалов. Структура ДКМ представляет собой матрицу из чистого металла или сплава, в которой равномерно распределены на заданном расстоянии одна от другой тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм, искусственно введенные в материал на одной из технологических стадий. Объемная доля этих частиц (включений) составляет 0.1-15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллических соединений.
4
3
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ (см. заявка SU 4122626/26, МПК С01В 31/06, опубл. 27.09.1999) получения поликристаллического материала на основе алмаза под действием давления и температуры на шихту из углеродного материала и металлов-катализаторов (алюминия и ниобия), размещенную в оболочку из графита. В данном случае с целью обеспечения сверхпроводящих свойств углеродный материал берут в стехиометрическом соотношении атомов углерода к атомам алюминия, а ниобия - в количестве 4 атомов на 1 моль образующегося соединения AlC.
Недостатком полученного согласно прототипу материала является его недостаточная прочность и износостойкость, так как задачей прототипа было получение сверхпроводящего материала.
В основу изобретения положена задача такого усовершенствования алмазного поликристаллического композиционного материала, при котором, благодаря выбору предлагаемых металлов, добавок и их соотношению, обеспечивается такой технический эффект, как повышение прочности и износостойкости спеченного композита, а за счет выбора тугоплавкой оболочки осуществляется надежное крепление материала в буровом инструменте.
Согласно современным представлениям (см. Неорганическое материаловедение. В 2-х томах. Энциклопедическое издание. Т.2, к. 2 / Под ред. Г.Г. Гнесина, В.В. Скорохода. - К.: Наук. думка, 2008; с. 517) к тугоплавким металлам относят переходные металлы трех длинных периодов периодической системы, температура плавления которых равна или выше температуры плавления хрома, которую принято считать нижним пределом для тугоплавких металлов. Данному критерию отвечают температуры плавления 12 металлов, а наибольшее практическое значение среди них имеют Cr - хром (1875°С), V - ванадий (1900°С), Nb - ниобий (2415°С), Мо - молибден (2610°С), Та - тантал (2996°С), Re - рений (3180°С), W - вольфрам (3410°С).
Использование в качестве материала оболочки тугоплавких металлов обусловлено тем, что после спекания оболочка и расположенные в ней алмазы, металлы и добавки представляют собой одно целое, за счет чего увеличивается прочность полученной вставки, и при закреплении вставок из указанного материала облегчается процесс пайки, так как оболочка смачивается используемыми припоями, при этом исключается процесс металлизации вставок. Кроме этого, при спекании, например вставок бурового инструмента из указанного материала, в графитовых многопозиционных ячейках высокого давления исключается образование алмаза вокруг образца из материала и возникновения дефектов его формы.
Введение дисперсно-упрочняющих добавок способствует получению такого композиционного материала, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы дополнительного вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.
Кроме того, с помощью частиц 2-й фазы обеспечивается подавление процесса формирования микротрещин и, как следствие, повышается прочность полученного поликристаллического композиционного материала.
Указанное задание решается тем, что в алмазном поликристаллическом композиционном материале с дисперсно-упрочненной добавкой, содержащей тугоплавкую оболочку, в которой размещены порошки алмаза и металла, согласно изобретению оболочка из тугоплавкого металла имеет толщину 0,02-0,15 мм, а в качестве металлов используются никель, кобальт и дополнительно в качестве дисперсно-упрочняющей добавки - нанопорошок карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, масс. %:
алмаз
85-90
никель
7-9
кобальт
2-4
нанопорошок карбида вольфрама
0,1-3,0
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, которые являются, и техническими результатами, которые достигаются при реализации изобретении, заключается в том, что высокий уровень физико-механических свойств поликристаллического материала определяется наличием непрерывного каркаса между алмазными частицами и в первую очередь формированием связи алмаз-алмаз, образованием высокодисперсной зеренной структуры.
Такие металлы, как никель и кобальт, при спекании в межзеренных промежутках выполняют роль технологической среды, в которой происходит взаимодействие в системе алмаз-металл и проходит процесс перекристаллизации через жидкую фазу, источником которой является никель и кобальт. Это приводит к возникновению связей алмаз-алмаз и повышению прочности материала. Введение кобальта и никеля увеличивает вязкость материала (уменьшает его хрупкость) и, соответственно, прочность. Кроме этого, сплав кобальта с никелем, в условиях высоких давления и температуры, лучше смачивает алмазные зерна, чем только кобальтом - это четко видно на структуре полученного образца из материала. Введение нанопорошка карбида вольфрама способствует увеличению прочности.
Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.
В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В таком материале, как и в порошковых композиционных материалах, матрица несет основную нагрузку.
Нижний и верхний пределы толщины оболочки определяются тем, что при использовании оболочки толщиной менее 0,02 мм в процессе спекания алмазные зерна могут проникать сквозь нее, в результате чего образуются отдельные участки, которые остаются непропитанными при пайке вставок в корпус инструмента. Оболочку толщиной более чем 0,15 мм нецелесообразно использовать вследствие уменьшения диаметра вставок из получаемого материала и большего количества материала низкой износостойкости.
Примеры конкретной реализации изобретения.
Для испытания на прочность были получены образцы диаметром 4 мм и высотой 4 мм. Образцы были спечены в аппарате высокого давления типа «тороид» с диаметром центрального углубления 30 мм. Для изготовления образцов алмазного поликристаллического композиционного материала были отпрессованы многопозиционные ячейки-нагреватели из графита диаметром 18 мм и высотой 5 мм, с цилиндрическими отверстиями диаметром 4,5 мм. В цилиндрических отверстиях размещали оболочку из тугоплавкого металла ниобия толщиной 0,05 мм. Необходимо подчеркнуть, ниобий выбран как один из вариантов реализации технического решения, чтобы понять сущность изобретения. Также возможны варианты изготовления материала оболочки и из других тугоплавких металлов, конкретно не приведенных в описании, которые могут быть реализованы без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Предварительно делали смесь из металлов никеля, кобальта и нанопорошка карбида вольфрама WC.
Как известно, эффективными путями создания плотной, однородной структуры поликристаллов, которая обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств, является использование методов предварительной подготовки исходных материалов в сочетании с проведением процесса спекания (или синтеза) при максимально возможных давлениях.
Одной из важнейших подготовительных операций является смешивание, под которым понимается приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Только равномерное распределение частиц одного порошка среди частиц другого обеспечит однородные свойства в разных изделиях.
Получение однородной смеси из порошков разного состава - одна из труднейших задач химической технологии, которая еще более усложняется, если необходимо смешивать порошки с различным размером частиц - в процессе смешения более крупные частицы будут собираться в одной части объема смеси, а мелкие - в другой.
Поэтому получение гомогенизированной смеси обеспечивали в результате использования двух методик смешивания.
На первом этапе навески компонентов размещали на молибденовой пластине и тщательно перемешивали вручную металлическим шпателем.
Проверка качества смешения массы проводили визуально под микроскопом МБС-6 при увеличении ×100 при надавливании шпателем на пробу шихты, отобранную методом квартования. Шихта, состоящая из смеси одинаковых по цвету ингредиентов, не должны содержать блестящих частиц (не измельченных кристаллов), а порошки, содержащие также и окрашенные вещества, не должны иметь заметных включений окрашенных частиц.
Второй этап подготовки шихты заключался в использовании устройства для смешивания с перемешивающими валками ЕХАКТ 501 производства фирмы «ЕХАКТ Advanced Technologies GmbH» (германия), в котором через три керамических валка, вращающихся навстречу, с отдельно регулируемыми зазорами валков равномерно и мелко перерабатывают твердые активные ингредиенты, так что конечный продукт - деаэрирован, а комки порошка сведены к минимуму.
Благодаря открытой системе валков можно прямо контролировать процесс гомогенизации и диспергирования. Размер частиц можно превосходно настраивать для различных веществ благодаря отдельно регулируемым зазорам керамических валков. Если дисперсность продукта не соответствует требуемому результату после первого прохождения, то процесс можно легко повторить (цикл) без какой-либо потери материала.
Двукратная обработка шихты на трехвалковом станке ЭКЗАКТ 501 приводит к диспергированию никеля, кобальта и гомогенизации шихты (Со, Ni, WC).
Полученную шихту смешивали с алмазным порошком зернистостью 40/28. Целесообразно использовать алмазные порошки зернистостью 20-100 мкм, указанный размер зерен является оптимальным, то есть они обладают необходимой абразивной стойкостью и хорошо спекаются для получения предлагаемого композиционного материала. Смесь, полученную из алмазов, Ni, Со и WC, засыпали в оболочку из Nb и размещали в ячейке высокого давления. Спекание осуществляли при давлении 8 ГПа, температуре 1900 К и продолжительности нагрева 90 с.
Пример 1.
Описанным способом изготовили образцы алмазного поликристаллического композиционного материала, содержащего масс. %:
алмаз
87
никель
8
кобальт
3
нанопорошок карбида вольфрама
2
Получили образцы поликристаллического композиционного материала на основе алмаза в оболочке из тугоплавкого металла (Nb) диаметром 4,2 мм и высотой 4,2 мм. В дальнейшем была проведена шлифовка образцов из материала по диаметру и по торцам свободным абразивом для получения плоскопараллельных плоскостей для исключения погрешностей при измерении их прочности. На разрывной машине усилием до 50 кН было проведено испытание прочности полученных образцов в количестве 10 шт. при одноосном статическом сжатии. Доверительный интервал величины прочности при коэффициенте надежности 0,95 не превышал 0,2 ГПа. Результаты испытаний приведены в таблице.
Как видно из таблицы, примеры 1-7, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить прочность материала до прочности образцов из твердого сплава ВК20-ВК15 (см. таблицу). Примеры 8-13 - за пределами заявленных признаков. Содержание добавок металлов кобальта и никеля согласно верхнему пределу приводит к выплавлению их растворов из оболочки. Содержание добавок WC согласно верхнему пределу приводит к возникновению дефектов в образцах материала в виде трещин, сколов и т.п. Содержание добавок кобальта, никеля WC согласно нижнему пределу приводит к уменьшению прочности.
Выше описаны предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретения, позволяющие понять его сущность, однако при этом возможны варианты, конкретно не приведенные в описании, которые могут быть реализованы без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.