МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ АБРАЗИВНЫЙ МАТЕРИАЛ
FINE-GRAINED POLYCRYSTALLINE ABRASIVE MATERIAL

Настоящее изобретение относится к поликристаллическому алмазу.
Поликристаллический алмаз является предпочтительным материалом для обработки различных деталей (заготовок) на станке, для устройств, применяемых при бурении горных пород, и для использования в качестве деталей, подверженных износу. К преимуществам этого материала относится его превосходная твердость (алмаз является самым твердым из всех известных человеку материалов), которая обеспечивает его превосходную износостойкость. В свою очередь, превосходная износостойкость наделяет его различными преимуществами, включая, например, увеличение ресурса стойкости инструмента или резца, уменьшение времени простоя, высокое качество чистовой обработки детали и рабочие характеристики при использовании.
Твердостью алмаза обусловлена и его хрупкость. Это делает его непригодным во многих областях применения, так как он подвержен растрескиванию. Эту свойственную алмазу хрупкость можно существенно уменьшить путем создания поликристаллического алмаза (ПКА, англ. - PCD), у которого спеченные вместе мелкие кристаллы (зерна) алмаза образуют поликристаллическую структуру, содержащую сплошную сетку сросшихся кристаллов алмаза. Для того чтобы обеспечить срастание кристаллов алмаза, во время синтеза обычно присутствует катализирующее вещество, известное под названием "катализатор-растворитель для алмаза". Катализатором-растворителем обычно является кобальт, никель, железо или сплав, содержащий один или несколько таких металлов, предпочтительно никель, а более предпочтительно кобальт.
Полученная сетка представляет собой сплошной алмазный скелет (остов) с заполненными катализатором-растворителем пустотами между кристаллами алмаза. ПКА, как правило, изготавливают в условиях высокой температуры и высокого давления (ВДВТ, англ. - НРНТ), при которых алмазные частицы имеют стабильную кристаллографию.
Для дальнейшего уменьшения хрупкости эту поликристаллическую алмазную структуру можно закрепить на подложке из твердого металла (сплава) с образованием прессовки из поликристаллического алмаза, таким образом создавая позади ПКА площадку, подвергая ее сжатию и существенно уменьшая разрушения вследствие хрупкости. Инструменты из ПКА на подложке из твердого металла имеют значительные преимущества при обработке на станке и бурении горной породы и широко используются.
Однако для многих областей применения инструменты из ПКА являются все же слишком хрупкими.
В настоящем изобретении предлагается абразивный элемент из поликристаллического алмаза, включающий мелкозернистый поликристаллический алмазный материал, имеющий средний размер зерен от примерно 0,1 до примерно 10,5 мкм, и вторую фазу, состоящую из катализатора-растворителя для алмазного материала, в котором поликристаллический алмазный материал отличается тем, что имеет среднее значение длины свободного пробега (частиц) для катализатора-растворителя менее 0,60 мкм и среднеквадратическую погрешность для средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя менее 0,90.
Среднеквадратическая погрешность для средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя предпочтительно составляет менее 0,85.
Поликристаллический алмазный материал предпочтительно имеет средний размер кристаллов, предпочтительно от приблизительно 0,1 до приблизительно 6,5 мкм, и более предпочтительно, от приблизительно 0,1 до приблизительно 2,0 мкм.
В соответствии с настоящим изобретением в способе изготовления абразивного элемента из поликристаллического алмаза используется смесь, состоящая из алмазных частиц, представляющих собой мельчайшие кристаллические частицы, и катализатора-растворителя для алмазных частиц, состоящего из частиц, размеры которых находятся в нанометровом диапазоне (наночастиц).
Катализатором-растворителем обычно является кобальт, никель, железо или сплав, содержащий один или несколько таких металлов, предпочтительно, кобальт.
Алмазные частицы обычно представляют собой субмикронные-микронные частицы, имеющие средний размер менее примерно 10,5 мкм, более предпочтительно, менее примерно 6,5 мкм, наиболее предпочтительно, менее примерно 2,0 мкм, и предпочтительно имеющие средний размер частиц более 0,1 мкм.
Катализатор-растворитель предпочтительно имеет средний размер частиц менее примерно 800 нм, более предпочтительно, менее примерно 400 нм, наиболее предпочтительно, менее примерно 100 нм, и имеет средний размер частиц более примерно 10 нм.
Отношение среднего размера частиц катализатора-растворителя к среднему размеру алмазных частиц предпочтительно составляет от примерно 1:10 до примерно 1:1000, более предпочтительно, от примерно 1:100 до примерно 1:1000.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления описанного выше абразивного элемента из поликристаллического алмаза, включающий шаги создания несвязанного ансамбля (совокупности) частиц с обеспечением подложки, размещения на поверхности этой подложки массы алмазных частиц, представляющих собой мельчайшие кристаллические частицы, обеспечения катализатора-растворителя для алмазных частиц, по меньшей мере частично состоящего из наночастиц, и воздействуют на этот несвязанный ансамбль высокой температурой и высоким давлением, необходимыми для образования из массы алмазных частиц слоя поликристаллического алмаза.
Подложкой в большинстве случаев является карбидный твердый сплав.
Режим с высокой температурой и высоким давлением, необходимый для образования из массы алмазных частиц слоя поликристаллического алмаза, хорошо известен в данной области техники. Такой режим обычно предполагает давление в пределах 4-8 ГПа и температуру в пределах 1300-1700°С.
В соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлен инструмент или вставка (вставной резец) для инструмента, включающие абразивный элемент из поликристаллического алмаза, подробно описанный выше.
Таким образом, настоящее изобретение касается абразивных элементов из поликристаллического алмаза, а также их изготовления и использования. Соответствующий способ включает этапы размещения массы мельчайших алмазных частиц и состоящего из наночастиц материала катализатора-растворителя на поверхности подложки и воздействия на этот несвязанный ансамбль (частиц) в условиях высокой температуры и высокого давления, необходимых для образования из массы алмазных частиц слоя поликристаллического алмаза. Подложка обычно представляет собой подложку из карбидного твердого сплава. Основой или подложкой из карбидного твердого сплава может быть любая известная в данной области техники подложка, например цементированный карбид вольфрама, цементированный карбид тантала, цементированный карбид титана, цементированный карбид молибдена или их смеси.
Режим с высокой температурой и высоким давлением, необходимый для образования из массы алмазных частиц слоя поликристаллического алмаза, хорошо известен в данной области техники. Такой режим обычно предполагает давление в пределах 4-8 ГПа и температуру в пределах 1300-1700°С. Кроме того, абразивный элемент, который изготавливают предлагаемым в данном изобретении способом, имеет связующий материал. Это связующее предпочтительно является катализатором-растворителем для используемых сверхтвердых абразивных частиц. Катализаторы-растворители для алмаза хорошо известны в данной области техники; и предпочтительно ими являются кобальт, никель, железо или сплав, содержащий один или несколько таких металлов. Такое связующее может быть введено как путем инфильтрации из подложки в массу абразивных частиц во время спекания, так и в сыпучем виде как смесь в массе абразивных частиц. Это связующее обычно присутствует в количестве 10-20 мас.%, но оно может составлять всего 6 мас.%. Некоторые металлы, являющиеся связкой, обычно впитываются в абразивную прессовку во время ее создания.
Изготовленный абразивный элемент из поликристаллического алмаза имеет структуру из очень мелких алмазных кристаллов (зерен), которая усеяна частицами катализатора-растворителя для алмаза. Поликристаллический алмазный материал отличается тем, что имеет среднюю длину свободного пробега (частиц) для катализатора-растворителя менее 0,60 мкм и среднеквадратическую погрешность для средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя менее 0,90.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения поликристаллический алмазный материал имеет значение средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя менее 0,55 мкм.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения поликристаллический алмазный материал имеет значение средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя менее 0,50 мкм.
Среднеквадратическая погрешность для средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя предпочтительно меньше 0,85 и обычно больше 0,70. В предпочтительном варианте осуществления изобретения среднеквадратическая погрешность находится в пределах 0,75-0,85.
Для того чтобы получить материал с высокой степенью однородности, частицы катализатора-растворителя, которые подмешивают в смесь алмазного порошка, предпочтительно представляют собой наночастицы, в частности, имеющие средний размер частиц от примерно 10 до примерно 800 нм, более предпочтительно, от примерно 10 до примерно 400 нм, наиболее предпочтительно, от примерно 10 до примерно 100 нм. Алмазные частицы обычно представляют собой субмикронные - микронные частицы, имеющие средний размер частиц от примерно 0,1 до примерно 10,5 мкм, предпочтительно, от примерно 0,1 до примерно 6,5 мкм, более предпочтительно, от примерно 0,1 до примерно 2,0 мкм. Отношение среднего размера частиц катализатора-растворителя к среднему размеру алмазных частиц выбрано так, чтобы это отношение предпочтительно составляло от примерно 1:10 до примерно 1:1000, а более предпочтительно, от примерно 1:100 до примерно 1:1000.
Малый размер (обычно в нанометровом диапазоне) частиц катализатора-растворителя, смешанных с алмазными частицами, облегчает осаждение катализатора-растворителя на алмазных частицах в виде покрытия или пленки, причем катализатор-растворитель обычно располагается между алмазными частицами в виде скоплений (колодцев). Это обеспечивает более равномерную дисперсию частиц катализатора-растворителя и алмазных частиц в абразивном элементе из поликристаллического алмаза, что приводит к получению более однородной структуры.
Благодаря сочетанию очень малого размера алмазных частиц с высокой степенью однородности создан абразивный элемент из поликристаллического алмаза с микроструктурой, которая демонстрирует существенное повышение прочности и снижение (коэффициента) температуропроводности. Снижение температуропроводности приводит к снижению удельной проводимости, что облегчает регулирование температуры в пределах режущей кромки абразивного элемента из поликристаллического алмаза.
В материаловедении прочность может быть определена как создаваемое материалом сопротивление распространению (развитию) трещины. Прочность поликристаллических алмазных абразивных материалов обусловлена как размером, так и частотой скоплений катализатора-растворителя, которые могут оказаться на пути распространения трещины в материале. В результате повышения однородности абразивного элемента из поликристаллического алмаза, предлагаемого в настоящем изобретении (т.е. улучшения распределения алмазного материала и материала катализатора-растворителя), с целью оптимизации либо размера скоплений катализатора-растворителя, либо числа скоплений катализатора-растворителя, которые окажутся на пути трещины в абразивном элементе из поликристаллического алмаза, либо этих двух характеристик, сопротивление материала развитию трещины увеличивается, а следовательно, повышается измеренная прочность материала.
Локализированные богатые алмазом участки в абразивном элементе из поликристаллического алмаза создают взаимосвязанные структуры, которые обеспечивают быструю теплопередачу вокруг богатых черным металлом участков с меньшей удельной теплопроводностью. Следовательно, повышение однородности обычно приводит к снижению теплопроводности поликристаллического алмазного абразивного материала, позволяя сохранять большее количество тепла в пределах режущей кромки. Поэтому большая часть тепла, выделяющегося во время обработки на станке, может передаваться стружке, когда она перемещается по инструменту, изготовленному из поликристаллического алмазного абразивного материала, предлагаемого в настоящем изобретении, обеспечивая более эффективный механизм охлаждения за счет теплообмена.
Обычный здравый смысл диктует, что более высокая удельная теплопроводность позволила бы теплу, выделяющемуся в точке касания инструмента из поликристаллического алмаза и обрабатываемой детали, более эффективно распределяться в алмазном инструменте, тем самым снижая температуру режущей кромки инструмента. Хотя это обоснованный аргумент, следовало бы отметить, что объем материала инструмента на порядок величины меньше объема стружки, образуемой им при обработке резанием. Следовательно, наряду с тем, что более высокая теплопроводность повышает теплоотдачу в инструмент, спустя короткий период времени можно по всему инструменту получить температуры, которые являются достаточно высокими, чтобы привести к термической деструкции режущего инструмента.
Таким образом, путем тщательного преобразования микроструктуры были получены предлагаемые в данном изобретении абразивные элементы из поликристаллического алмаза с очень хорошими свойствами, которые обеспечили превосходные рабочие характеристики при их применении. В частности, было установлено значительное повышение износостойкости данного материала по сравнению с поликристаллическим алмазным абразивным материалом, созданным традиционными способами.
Абразивные элементы из поликристаллического алмаза, предлагаемые в настоящем изобретении, применяются, в частности, в виде вставок в режущих инструментах при обработке на станке и обработке как металла, так и древесины, а также в виде вставок для бурения горной породы. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что области применения абразивных элементов из поликристаллического алмаза, предлагаемых в настоящем изобретении, не ограничиваются теми, что указаны выше.
Степень, с которой можно прогнозировать воспроизводимость и надежность важных свойств любого материала, почти полностью зависит от однородности структуры этого материала. Оценка однородности с помощью анализа изображений основана на распознавании образов. Большинство способов, используемых для разработки критерия однородности материала, относятся к анализу структурных составляющих малого объема, например, керамических включений в различных типах стали.
Опубликованные методы определения однородности включают:
(i) расстояние до ближайшей составляющей (компонента) [1]. Если расположение заданной фазы до ближайшего компонента определено, то результаты сравнивают со средним значением и отклонением (дисперсией) от ожидаемого среднего значения и отклонением для случайного распределения Пуассона;
(i) дисперсия на части площади поверхности [2, 3, 4];
(iii) дисперсия числа зерен в пределах исследованных полей изображений [1, 2, 3, 4].
В ЕР 0974566 А1 [5] описано применение металлографической, растровой, просвечивающей и оже-электронной микроскопии для измерения толщины связующей фазы в спеченном изделии из кНБ (от англ. cBN, кубический нитрид бора), включающем частицы кНБ и связующую фазу, которая связывает частицы кНБ. Для определения средней и стандартной величины отклонения толщины связующей фазы для какой-либо области спеченных материалов проводили прямое измерение толщины связующей фазы с помощью вычерчивания произвольной прямой на микрофотографиях и анализ изображений.
В ЕР 0974566 А1 [5] стандартное отклонение толщины связующей фазы используется как мера для оценки эффективности различных способов смешивания материалов. Чем меньше стандартное отклонение, тем более эффективным для однородного распределения связующей фазы был способ смешивания.
Специалистам в данной области техники очевидно, что вышеуказанные методы анализа могут применяться также для материала, содержащего поликристаллический алмаз.
STD
В данном изобретении известные методы получили развитие за счет применения анализа изображений для определения средней и стандартной величины отклонения средней длины свободного пробега для катализатора-растворителя в абразивном элементе из поликристаллического алмаза. Средняя длина свободного пробега для катализатора-растворителя может быть определена как толщина связующей фазы, как описано в ЕР 0974566 А1 [5]. Величина среднеквадратической погрешности (σ) для средней длины свободного пробега (ССП, англ. - MFP) для катализатора-растворителя определяется путем деления стандартной величины отклонения σ на общую среднюю величину. Чем ниже величина среднеквадратической погрешности, тем выше степень однородности спеченных материалов.
Далее описание данного изобретения дано с помощью приведенных ниже не ограничивающих примеров.
Примеры
Для изготовления предлагаемых в данном изобретении абразивных элементов из спеченного поликристаллического алмаза, порошок катализатора-растворителя, кобальта, состоящий из наночастиц, размалывали в планетарной шаровой мельнице с размалывающими средствами и растворителем. Для приготовления объемов партий, необходимых для образцов в данном изобретении, обычно 100 г порошкообразных смесей, порошок катализатора-растворителя размалывали с приблизительно 150 г размалывающего средства (4 мм WC/Co дробящие шары) и приблизительно 20 мл растворителя (этанол). Мелкозернистый кобальт размалывали в течение примерно 1 часа до получения высокой степени дисперсности. Затем добавляли алмаз и оставшееся размалывающее средство, а также растворитель и размалывали добавку в течение еще примерно 8 часов. Размалывающее средство отсеивали, а суспензию высушивали выпариванием. Образцы в данном изобретении составлены на основе рецептур смесей (композиций) 1, 3 и 6, указанных в представленной ниже таблице 1.
Для сравнения смеси материала приготавливали также уже известными в данной области техники способами, в которых зерна порошкообразного катализатора-растворителя, добавляемого в смесь, были гораздо крупнее. Эти способы были основаны на рецептурах смесей 2, 4 и 5, указанных в таблице 1.
Таблица 1
Рецептура композиции
Обр. 1
Обр. 2
Обр. 3
Обр. 4
Обр. 5
Обр. 6
Алмаз (мас.%)
95
95
95
97,5
85
95
Средний размер алмазных частиц (мкм)
1
1
21
2
2
5
Катализатор-растворитель (мас.%)
5
5
5
2,5
15
5
Средний размер частиц катализатора-растворителя
50 нм
1 мкм
125 нм
1 мкм
1 мкм
125 нм
(Обратите внимание на то, что в некоторых случаях готовая смесь содержит следы размалывающего средства, например карбида вольфрама, которые случайно вводятся на этапах размалывания и обработки порошка. Следовательно, содержание алмаза и катализатора-растворителя в готовой смеси может немного отличаться от указанного в таблице 1).
В вышеуказанных смесях в качестве катализатора-растворителя использовали кобальт. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что можно использовать другие подходящие катализаторы-растворители, описанные выше.
Затем в каждом конкретном примере порошкообразную смесь алмаза и катализатора-растворителя, имеющую состав 1-6, помещали на подложку из карбида вольфрама и твердого сплава кобальта и спекали в условиях высокой температуры и высокого давления, которые требуются для изготовления материала из поликристаллического алмаза. Такой режим обычно предполагает давление в пределах 4-8 ГПа и температуру в пределах 1300-1700°С.
STD
Для того чтобы определить однородность спеченных абразивных элементов из поликристаллического алмаза, при измерениях средней длины свободного пробега для кобальта в этих абразивных элементах из поликристаллического алмаза определяли среднюю величину и стандартную величину отклонений. Отдельные значения для образцов, приготовленных из композиции каждого типа, представлены в таблице 2. Вышеуказанная величина среднеквадратической погрешности (σ) является представительным критерием, характеризующим однородность микроструктуры.
Таблица 2
Образец
Обр. 1
Обр. 2
Обр. 3
Обр. 4
Обр. 5
Обр. 6
Среднее значение ССП Со, (мкм)
0,27
0,23
0,31
0,38
0,52
0,56
σ ССП Со (мкм)
0,22
0,26
0,25
0,33
0,51
0,46
σ<sub>STD</sub>
0,81
1,13
0,81
0,90
0,98
0,82
Улучшение однородности предлагаемых в данном изобретении абразивных элементов из поликристаллического алмаза обеспечило заметное повышение стойкости на излом и прочности материала ПКА. Было показано, что значительное улучшение этих важных характеристик, особенно стойкости ПКА на излом, обеспечивает существенное превосходство характеристик при испытаниях в работе. Итоговые представительные показатели эксплуатационных качеств приведены ниже в таблицах 3 и 4. (Сравнительные образцы не показаны). В каждом случае эксплуатационные качества образца, предлагаемого в данном изобретении, определяли относительно сравнительного образца, например, при токарной обработке (обточке) материала 18% SiAl было обнаружено, что износостойкость образца 1 в 2,71 раза выше, чем у сравнительного образца 2.
Таблица 3
Применение
Критерий качества
Обр. 1
Обр. 2
Обточка 18% SiAl
Износостойкость
2,71
1
Фрезерование 18% SiAl
Стойкость к выкрашиванию (образованию сколов)
1,46
1
Обточка Ti6A14V
Износостойкость
2,86
1
Таблица 4
Применение
Критерий качества
Обр. 4
Обр. 5
Обр. 6
Обточка 18% SiAl
Износостойкость
1,63
1,08
1,00
Фрезерование 18% SiAl
Стойкость к выкрашиванию (образованию сколов)
1,17
1,06
1,00
Обточка Ti6A14V
Износостойкость
1,48
1,10
1,00
Источники информации
[1] Voort G. F. V. Оценка кластерообразования (образования скоплений) частиц второй фазы. MiCon 90: Усовершенствование видеоаппаратуры для контроля микроструктуры, ASTM STP 1094, под редакцией Voort, G. F. V. Американское общество по испытанию материалов, Филадельфия, 1990.
2
[2] Missiaen, J. М. & Chaix, М. J. Определение степени однородности перераспределения фаз в композитах TiB-Fe с помощью дисперсионного и ковариационного анализа. Journal of Microscopy, т.175, стр.195-204, 1994.
[3] From, А & Sandstrom, R. Анализ кластерной дисперсии несвязанного углерода в цементированном карбиде. International Journal of Refractory Metals and Hard Metals, т.14, стр.393-405, 1996.
[4] Hubel, R. & Wendrock, H. Определение микроструктурной неоднородности путем анализа изображений. Prakt. Metallogr., т.31, стр.326-337, 1994.
[5] ЕР 0974566 А1.