СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING DIAMOND COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области получения алмазных композиционных материалов (композитов), состоящих из плотной массы кристаллов алмаза, связанных связующим материалом. Такие материалы используются в качестве режущих элементов в инструментах, таких как резцы, фрезы, сверла, буровой инструмент, правящий инструмент и т.п. Материал может быть также использован для изготовления волок, сопел и других износостойких изделий.
Одним из способов получения композиционных материалов является пропитка слоя алмазных зерен связующим материалом под действием давления и при температуре, при которой связующий материал приобретает жидкотекучесть. Жидкотекучий пропиточный материал проникает в капилляры плотно уложенных алмазных зерен, заполняет свободные пространства между ними и обеспечивает их прочную связь друг с другом.
Известен способ изготовления алмазных композиционных материалов, заключающийся в пропитке алмазного порошка кремнием. Пропитку осуществляют при давлении 1000 мм рт.ст. и при температурах в диапазоне 1420-1700°С. Проведение процесса пропитки при таких температурах и давлениях вызывает частичную графитизацию алмазных зерен, приводящую к снижению износостойкости материала.
Известны способы получения алмазных композиционных материалов, заключающиеся в пропитке алмазного порошка связующим материалом, в качестве которого используют сплавы кремния с различными добавками. В патенте RU 2151814, кл B24D 3/10, 1999 г., в патенте US 6447852, кл. С04В 35/573, 2002 г. предлагается пропитку производить сплавом кремния с добавками, выбранным из группы Ti, Zr, Hf, Nb, Та, Сr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al и др. Указанные добавки вводят в кремний для получения сплавов с более низкой температурой плавления, что делает возможным проводить пропитку алмазного порошка при более низких температурах. В тоже время введением добавок можно получать материал с различными физико-механическими свойствами алмазного композиционного материала.
Наиболее близким техническим решением является способ получения алмазного композиционного материала, при котором уплотненный слой алмазного порошка пропитывают связующим материалом, содержащим кремний и никель, взятые в вес. соотношении 82:18 - патент US 4534773, кл. B01J 3/00, 1985 г. Процесс пропитки осуществляют в температурном диапазоне 1400-1600°С и при давлении 50-70 кбар.
Изготовления алмазного композиционного материала при высоких давлениях и температурах осуществляют в камерах высокого давления с твердосплавной оснасткой. Получают алмазный материал, имеющий высокую термостойкость и износостойкость.
Существенным недостатком способа является проведение процесса в камерах высокого давления с твердосплавной оснасткой при высоких давлениях и высоких температурах, которые требуются для обеспечения полной пропитки уплотненных алмазных порошков связующим, состоящим из кремния и никеля. В то же время необходимость создания высоких давлений ограничивает объем камеры, не позволяя получать материалы больших размеров. Температуры 1400-1600°С обеспечивают необходимую жидкотекучесть связующего, однако приводят к графитизации алмазных зерен и снижению ударостойкости композиционного материала.
Технической задачей изобретения является создание способа, при котором алмазный композиционный материал получают при давлениях не выше 4 ГПа и при более низких температурах в камерах высокого давления со стальной оснасткой, а также получение высокопрочного и ударостойкого материала больших размеров.
Решение технической задачи заключается в том, что в способе получения алмазного композиционного материала, включающем размещение в контакте друг с другом слоя алмазного порошка и слоя связующего материала и воздействие на слои давлением и температурой для уплотнения алмазных порошков и пропитки их связующим материалом, включающим кремний и никель, в связующий материал дополнительно вводят Ti, при этом компоненты связующего материала берут в следующем процентном соотношении по весу: Si - 50÷70; Ni - 25÷45 и Ti - 3÷10.
Уплотнение алмазного порошка и пропитку связующим материалом проводят при давлениях 2,0÷4,0 ГПа и температурах 1000÷1300°С.
Титан, введенный в связующий материал, улучшает жидкотекучесть и смачиваемость связующего материала и тем самым обеспечивает более глубокое и полное его проникновение в поры сжатой массы алмазного порошка при невысоких давлениях 2,0÷4,0 ГПа. Снижение давления до уровня 2,0÷4,0 ГПа создает условия для изготовления алмазного композиционного материала больших размеров. Связующий материал состава Si - 50÷70% вес.; Ni - 25÷45% вес. и Ti - 3÷10% вес. имеет высокую жидкотекучесть и хорошую смачиваемость уже при температурах 1000÷1300°С. В диапазоне этих температур, существенно более низких, чем в известном способе, графитизация алмазных зерен очень незначительна. В тоже время Ti, являясь хорошим геттером газообразных примесей, которые могут находиться в исходных порошках, и обладая сильной связью с углеродом, улучшает механическое и химическое связывание алмазных зерен со связующим материалом. Связующий материал образует с алмазными зернами прочную, менее хрупкую связь, повышая его ударостойкость.
Способ получения алмазного композиционного материала осуществляется следующим образом.
Алмазный порошок предварительно подвергают очистке для удаления с его поверхности каких-либо примесей. Из компонентов, входящих в состав связующего материала, готовят сплав, из которого получают порошки, используемые для пропитки алмазных порошков. В графитовый нагреватель помещают слой алмазного порошка и слой порошков связующего материала. Нагреватель помещают в стальную камеру аппарата высокого давления. Сборку подвергают давлению 2,0÷4,0 ГПа с одновременным нагревом до температуры 1000÷1300°С. В условиях воздействия давлений и температур алмазные зерна порошка сближаются друг с другом до образования слоя сжатой массы алмазных зерен, а пропиточный материал расплавляется, приобретает необходимую жидкотекучесть и проникает в свободные пространства между алмазными зернами, заполняя их. Время полной пропитки алмазного порошка составляет 15-60 сек.
В качестве исходного алмазного сырья для получения композиционного материала могут быть использованы натуральные и синтетические алмазные порошки или их смеси. Размер алмазных порошков может варьироваться в широком диапазоне от 1 мкм до 1000 мкм, но наиболее предпочтительными для получения композиционного материала являются алмазные порошки зернистостью от 3/2 до 40/28. Для получения материала с высокой концентрацией алмаза можно использовать смесь алмазных порошков двух или трех зернистостей.
Соотношение компонентов связующего материала: Si - 50÷70% вес.; Ni - 25÷45% вес. и Ti - 3÷10% вес. обеспечивает температуру плавления связующего материала в диапазоне 1000÷1300°С и жидкотекучесть, при которой связующий материал легко проникает в поры спрессованного брикета алмазных зерен на его полную глубину при давлениях 2,0-4,0 ГПа. По окончании пропитки получают высокопрочный термостойкий алмазный композиционный материала с высокой ударостойкостью.
Содержание кремния в связующем материале ниже 50% вес. приведет к снижению термостойкости материала, а при содержании кремния выше 70% вес. в композите присутствуют включения чистого кремния. Поскольку кремний кристаллизуется с увеличением объема, то происходит образование зародышевых трещин, которые приводят к разрушению алмазного материала. Выход годного композиционного материала снижается. Содержание никеля в диапазоне 25-45% вес. способствует получению сплава с температурой плавления 1000÷1300°С и получению высокопрочного композиционного материала. Более низкое содержание никеля ниже 25% вес. не окажет существенного влияния на снижение температуры плавления связующего материала, но снизит прочностные характеристики изготавливаемого материала, увеличение содержания никеля выше 45% вес. снизит термостойкость алмазного композиционного материала и приведет к его охрупчиванию из-за большого количества образующейся в композиционном материале хрупкой фазы (Si-Ni). Ti предлагается вводить в связующий материал в количестве 3÷10% вес. Уменьшение содержания титана ниже 3% вес. несущественно повысит жидкотекучесть и смачиваемость связующего материала, увеличение содержания Ti выше 10% вес. приведет к снижению прочностных характеристик материала.
Количество связующего материала выбирают таким образом, чтобы заполнить все свободные пространства (поры) между алмазными порошками после их уплотнения. Общая пористость слоя из уплотненных алмазных частиц в большей степени зависит от зернистости алмазного порошка, от плотности упаковки.
Давление прессования должно обеспечить необходимую плотность алмазного композиционного материала и обеспечить проникновение связующего материала в поры алмазного каркаса. Величину давления выбирают в диапазоне 2,0÷4,0 ГПа. Давление ниже 2,0 ГПа приводит к снижению прочностных характеристик материала из-за уменьшения плотности алмазного каркаса. Давление выше 4,0 ГПа использовать нерационально, т.к. при давлении 4,0 ГПа достигается необходимая плотность алмазного композиционного материала и обеспечивается полная пропитка алмазного слоя связующим материалом. В то же время получение более высоких давлений возможно при снижении рабочего объема камеры устройства, используемого для изготовления алмазного материала, в результате чего получение алмазного композиционного материала больших размеров становится проблематичным.
Были изготовлены образцы в виде цилиндров алмазного композиционного материала со связующим материалом следующих составов:
1. Si - 50% вес. и Ni - 50% вес.
2. Si - 60% вес. и Ni - 40% вес.
3. Si - 50% вес., Ni - 45% вес., Ti - 5% вес.
4. Si - 70% вес., Ni - 27% вес., Ti - 3% вес.
5. Si - 60% вес., Ni - 30% вес., Ti - 10% вес.
6. Si - 70% вес., Ni - 25% вес., Ti - 5% вес.
Прессование и пропитку проводили при давлениях Р=2,0-4,0 ГПа и при температурах Т=1000-1300°С в течение 15-60 сек. Осуществляли пропитку алмазных заготовок (сжатых алмазных порошков) ⌀=8 мм и h=5 мм.
Пропитка связующими составами по примерам 1 и 2 прошла не полностью из-за недостаточной жидкотекучести связующего.
Связующий материал по примерам 3, 4, 5, 6 просочился в поры заготовки на полную глубину. Этими же составами пропитывали заготовки ⌀=10 мм и h=7 мм. Пропитка прошла на полную глубину.
У образцов по примерам 1 и 2 из-за повышенной хрупкости композиционного материала выход годных композитов после механической обработки составил 52%; у образцов по примерам 3, 4, 5, 6 выход годных составил 60%.
Таким образом, введение титана в связующий материал на основе кремний - никель и выбранное соотношение всех компонентов связующего обеспечивает пропитку плотно уложенных алмазных порошков на полную высоту слоя при более низких температурах и давлениях, которые могут быть получены на оборудовании со стальными камерами, и получить высокопрочный ударостойкий материал. Использование стальных камер в совокупности с низкими температурами и давлениями позволяет изготавливать алмазный композиционный материал больших размеров, который находит широкое применение как в режущих инструментах, так и в качестве прочных износостойких заготовок, например, для изготовления волок для протягивания проволоки, сопел для пескоструйных аппаратов, нитеводителей в текстильном производстве, подшипников скольжения, опорных элементов для длинномерных деталей при их обработке и т.п.