Изучение металлической матрицы композиционного алмазосодержащего материала, полученного при давлении 1,2 ГПа

Изучение металлической матрицы композиционного алмазосодержащего материала, полученного при давлении 1,2 ГПа Хайдаров К.1, Арыков А. К.2

'Хайдаров Камбарали /Khaydarov КатЬата1г - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией,

лаборатория сверхтвердых материалов;

2Арыков Арстанбек Куштарбекович / Arykov Arstanbek Kushtarbekovich - младший научный сотрудник, Институт физико-технических проблем и материаловедения им. академика Ж. Жеенбаева Национальная академия наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика

Аннотация: исследуются структура, фазовый состав и некоторые физико-механические свойства металлической связки композиционных алмазосодержащих материалов инструментального назначения для шлифования полупроводникового материала.

Ключевые слова: синтетический алмаз, композит, металлическая связка, микроструктура, микротвердость, дифрактограмм.

Введение. Исследование и получение композиционных алмазосодержащих материалов инструментального назначения (КАМИН) на основе синтетических алмазов (СА) в последнее время приобретает свою актуальность в связи с их широким применением в промышленности. Качество и работоспособность КАМИН определяются твердостью, износостойкостью, теплостойкостью и теплопроводностью. Чем выше указанные физико-механические свойства, за исключением твердости, которая зависит от прочности и абразивности обрабатываемого материала, тем более высокими эксплуатационными свойствами обладает КАМИН.

Исследование смачиваемости и контактного взаимодействия в системе «расплав - сверхтвердые материалы (СТМ)» позволило разработать ряд связок для абразивного инструмента [1].

Теплостойкость СА ниже, чем у других СТМ, однако благодаря высоким другим свойствам алмаза и более благоприятным геометрическим параметрам его режущих кромок температура и силы резания при шлифовании и заточке алмазным инструментом в 4-5 раз ниже, чем при использовании кругов из карбида кремния зеленого.

Термостойкость СА возрастает при повышении давления, что указывает на возможность осуществление спекания КАМИН при более высоких температурах. Такая возможность была реализована рядом исследователей, например, [2-4], ими была разработана и изготовлена камера высокого давления типа цилиндр-поршень с рабочем объемом до 3 дм3, рабочим давлением до 1,5 ГПа и температурой до 12500С.

Изучение процесса алмазной обработки горных пород, проведенное исследователями [5, 6], убедительно показывает значительное влияние связки на эффективность обработки. Поэтому вопрос, связанный с оценкой связки, изучением её свойств, определением требований к ней в зависимости от отрабатываемого материала и вида обработки, занимает важное место.

В данной работе изучены структура, фазовый состав и некоторые физико-механические свойства металлической связки КАМИН для шлифования полупроводникового материала. КАМИН получен при давлении 1,2 ГПа по технологии, приведенной в [3].

Методика экспериментов и подготовка образцов. Металлографические исследования осуществлялись на микроскопе ММР-4. Плотность сегментов после горячего прессования определялась по методике, согласно ГОСТ 25281-82. Измерения микротвердости и твердости связок осуществлялись по стандартным методикам, соответственно, на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,1 Н и ТП-Р7-1 при нагрузке 49,05 Н. Замер этих характеристик связки проводился по осевой линии на двух перпендикулярных гранях образца. Для исследования бралось не менее трех образцов данного состава связки. При измерении твердости количество отпечатков на одной грани равнялось 10, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков и от края образца составляло около 2 мм.

Контроль качества алмазоносного слоя инструмента производился по геометрическим размерам и по его плотности. Кроме того проводили исследования структуры и состава фаз связок. Для этого при сборке устройства для горячего прессования в него, помимо алмазоносных брикетов, помещали «свидетель», т. е. брикет без СА.

Качественный рентгенофазовый анализ связок проводился на дифрактометре ДРОН - 2,0 в КаСи -излучении без фильтра при скорости счетчика 20/мин., токе накала рентгеновской трубки 20 мА и напряжении - 36 кВ. При расшифровке дифрактограмм была использована американская рентгенометрическая картотека (ЛБТМ).

Нами была разработана и изготовлена опытная партия алмазных инструментов для шлифования монокристаллического кремния. Для изготовления инструментов на металлокерамических связках,

применяемых при обработке монокристаллов кремния использовали шлифпорошки СА марки АС6. Зернистость алмазных шлифпорошков АС6 была 160/125мкм. Образец изготовлен по следующему режиму:

• Холодное брикетирование Ебр=1400 кг/см2.

• Горячая допрессовка Ггордопр = 1200 кг/см2.

• Температура спекания 620±10 0С.

• Время спекания 90 минут.

• Естественное охлаждение.

Результаты экспериментов и их обсуждение. Результаты исследований микроструктуры связок приведены в табл. 1 и рис. 1-3.

Из данных металлографического исследования структуры связки № 1 можно выделить условно три фазы (рис. 1). Одна из них, фаза 1, - светлые зерна. Вторая фаза - серая, а третья фаза - темная. В структуре связок № 2, № 3 (рис. 2 и 3 соответственно) обнаружена, кроме тех же фаз, что и в связке № 1, темно-серая фаза.

Рис. 1. Микроструктура металлической матрицы, содержащей N — 85,0 °% (масс.) и Бп — 15,0 %;

х 1700

Рис. 2. Микроструктура металлической матрицы, содержащей N — 77,0 °% (масс.), Бп — 8,0 °%, А1 — 10,0

и ¥еР3 - 5,0 %; х 1700

Рис. 3. Микроструктура металлической матрицы, содержащей N — 77,0°% (масс.), Бп — 8,0%, А1 — 10,0

и Рв2р3 - 5,0%; х 1700

Таблица 1. Фазовый состав металлических связок

№ Исходный состав шихты связки, % Фазовый состав после спекания

пп

1. N1-85,0; 8п-15,0 М, №48П, N10, Sn0

2. N1-77,0; 8П-8,0; Al-10,0; Fe20з-5,0 М, NiSn, Л№з; FeNi

3. №-77,0; 8П-15,0; Al-10,0; Fe20з-5,0 М, NiSn, Л№з; FeNi

Исследования микроструктуры обнаруженных фаз связок 1-3 свидетельствуют о том, что фазы имеют различный химический состав.

Результаты исследований физико-механических свойств металлических связок приведены соответственно в таблице 2.

Таблица 2. Физико-механические свойства металлических связок

№ пп Исходный состав шихты связки, % (масс.) Микротвердость, ГПа Твердость HV 5/10, ГПа Плотность, р, кг/м3

фазы

I II III IV

1. №-85,0 Sn-15,0 2,6± 0,2 4,7± ±0,5 1,1± ±0,4 - 1,95± ±0,11 8753± ±42

2. №-77,0; Sn-8,0 Л1-10,0; Fe20з-5,0 3,3± 0,6 4,3± ±0,4 0,9± ±0,1 4,9±±0, 5 2,66± ±0,14 7320± ±290

3. №-77,0; Sn-15,0 Л1-10,0; Fe20з-5,0 3,8± 0,5 4,2 1,5± ±0,5 4,8±±0, з 2,71± ±0,25 6850± ±110

Анализ результатов показывает, что введение в состав шихты связок № 2 и № 3 алюминия и оксида железа (Ее2Оз), по-видимому, при горячем прессовании приводит к образованию инертного наполнителя и интерметаллида, а это в свою очередь - к незначительному повышению твердости этих связок по сравнению со связкой № 2 (см. табл.).

Экспериментальные данные измерений микро- и макротвердости различных граней сегментов показали, что эти параметры, в пределах погрешности измерения, совпадают между собой для различных граней. Это свидетельствует о том, что алмазоносный слой сегмента при спекании под давлением приобретает изотропную механическую характеристику по объему.

Таким образом, показана возможность создания КАМИН с высокими механическими характеристиками на основе СА горячим прессованием под высоким давлением, равным 1,2 ГПа.

Разработана связка и получен КАМИН на основе СА с однородными механическими свойствами для обработки монокристаллического кремния.

Литература

1. Шило А. Е. Физико-химическое воздействие фаз при создании и работе инструмента из алмаза и кубического нитрида бора. Физико-химия формирования абразивсодержащих материалов инструментального назначения. Сборник научных тр. Киев, 1988. С. 4-9.

2. Климов М. Д., Коняев Ю. С. 605719 (СССР). Способ изготовления алмазоносного инструмента / Опубл. в Б. И., 1978. № 17.

3. Хайдаров К., КлимовМ. Д., Сулайманов Дж. А. и др. Изготовление и эффективность использования алмазного инструмента из поликристаллов в камнеобработке. Деп. В ВИНИТИ 30.11.88. № 8732В88.

4. Бугаков В. И., Коняев Ю. С. Высокоэффективный алмазный инструмент, изготовленный по оригинальной технологии с применением высоких давлений и температур, новых связок и алмазных материалов // Сверхтвердые материалы, 2001. № 6. С. 54-63.

5. Получение свойства СТМ и перспективные технологии их применение. Сб. научн. тр. // АН УССР. Институт сверхтвердых материалов. Киев, 1990. С. 148.

О реализации массивного супермультиплета суперспина 5/2 в трехмерном пространстве Пермякова М. Ю.1, Снегирев Т. В.2

1Пермякова Мария Юрьевна /Permyakova Mariya Yurevna — аспирант;

2Снегирев Тимофей Владимирович /Snegirev Timofey Vladimirovich — кандидат физико-математических наук,

научный сотрудник, кафедра теоретической физики, Томский государственный педагогический университет, г. Томск

Аннотация: в работе рассмотрена лагранжева реализация массивного супермультиплета суперспина 5/2 в трехмерном плоском пространстве. Данное построение основано на калибровочно-инвариантной форме описания массивных полей.

Ключевые слова: лагранжиан, супермультиплет, калибровочная инвариантность.

В современной теоретической физике огромную роль играют те или иные симметрии. При этом говорят, что теория обладает симметрией, если она остается инвариантной относительно некоторых преобразований. Например, теория электромагнитного взаимодействия обладает калибровочной симметрией и(1), теория гравитации обладает симметрией общекоординатных преобразований.

Одной из пока гипотетических, но эстетически красивых симметрий является суперсимметрия. Это симметрия между бозонами и фермионами. Введение суперсимметрии позволяет решить острые внутренние проблемы многих физических моделей в теории поля. Любая симметрия в теории поля объединяет поля в некоторые мультиплеты. В случае суперсимметрии - это супермультиплеты. В зависимости от того, какой тип суперсимметрии рассматривается состав и количество полей в супермультиплетах изменяется существенным образом. Важно то, что, поскольку суперсимметрия смешивает бозонные и фермионные поля между собой, число фермионных и бозонных степеней свободы в любом супермультиплете должно быть одинаковым, а в массивном супермультиплете мы должны только один массовый параметр.

Сама проблема классификации супермультиплетов является чисто математической задачей и связана с изучением суперсимметричных расширений группы Пуанкаре или (А^. Эта задача главным образом зависит от размерности пространства и свойств спиноров. Например, в этой работе рассматривается массивный супермультиплет со старшим спином 3 с минимальной суперсимметрией. Такой супермультиплет будет содержать одно бозонное массивное поле со спином 3, а также два массивных фермионных поля со спином 5/2 каждый.

Другая проблема состоит в том, чтобы построить физическую реализацию конкретного супермультиплета в терминах динамических уравнений (функции лагранжа) для нужных полей и их суперпреобразованиях между собой. В этой работе мы не обсуждаем мощный инструмент суперпространства и суперполей. Мы только отметим, что в целом суперполевая формулировка теории высших спинов является открытой. Мы работает в явной компонентной форме, то есть рассматриваем всю систему полей, входящих в супермультиплет. В этом случае надо заботиться о суперсимметрии отдельно. В компонентной форме построение супермультиплетов для безмассовых и массивных полей высших спинов кардинально отличается.