СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НАНОПОРОШКА АЛМАЗА
METHOD FOR OBTAINING SUPER-HARD COMPOSITE MATERIAL ON BASIS OF DIAMOND NANOPOWDER

Изобретение относится к области получения керамических материалов, а именно к способам спекания композиционных материалов на основе порошков алмаза, полученных путем спекания поликристаллических материалов на основе порошков алмаза в условиях высоких давления и температуры, и может быть использовано для изготовления выглаживающего, накатного, протяжного инструмента.
Известен способ получения композиционного материала на основе порошков природного и синтетического алмаза (см. патент Украины №86321, МПК (2009) С01В 31/06, С22С 26/00, опубл. 10.04.2009), который включает приготовление смеси из алмазных порошков и добавок, нагревание этой смеси при давлении не менее 5 ГПа до температуры спекания и выдержку при этой температуре, причем как добавки берут смесь порошков синтетического алмаза после термической обработки с размером зерен 20-100 мкм в количестве 5-20 мас.% от массы смеси и во всяком случае один из порошков металлов группы железа Fe, Co, Ni в количестве 3-8 мас.% от массы смеси, и дополнительно в указанную добавку вводят карбиды и/или оксиды переходных металлов, а также кремний, бор, графит или их смеси в количестве 0,5-5 мас.% от массы смеси. Недостатком материала, полученного согласно прототипу, является его недостаточная прочность и низкая термостабильность, а также тот факт, что для его изготовления используются материалы группы железа, что делает невозможным использование данного материала при изготовлении наконечников для выглаживателей. Кроме того, металлы группы железа адгезионно активны, при выглаживании они взаимодействуют с поверхностью обрабатываемой детали, на ней образуются вырывы и, соответственно, резко ухудшается ее шероховатость.
Наиболее близким по технологической сути к предложенному способу является способ получения спеканием в условиях высоких давления и температуры композиционного материала на основе порошков алмазов, не содержащего металлические добавки (см. патент Украины №34174 А, МПК С22С 26/00, опубл. 15.02.2001, бюл. №1). Известный способ включает формирование пропитывающего слоя прессованием смеси, содержащей нанопорошок алмаза, графит и кремний в количестве, достаточном для пропитывания алмазной массы, нагревание алмазной массы с пропитывающим слоем при давлении не менее 2,5 ГПа до температуры, достаточной для плавления кремния, и выдержку при этой температуре. Полученный согласно известному способу композиционный материал характеризуется достаточно высокими физико-механическими характеристиками. Указанные высокие свойства материала достигаются за счет того, что в пропитывающий слой дополнительно вводят порошок графита, нанопорошок алмаза и/или нанопорошок карбида кремния. При спекании введение графита в пропитывающий слой способствует тому, что начинается образование карбида кремния в пропитывающем слое, в межалмазные промежутки попадает жидкость Si-SiC. Это уменьшает количество кристаллического кремния в материале, присутствие которого негативно влияет на прочность спеченного материала. Однако образованный кремний имеет крупнозеренную структуру. Для уменьшения дисперсности карбида кремния в пропитывающий слой дополнительно вводят нанопорошок алмаза с размером зерен 0,002-0,01 мкм. Вследствие взаимодействия нанопорошка с кремнием в жидкости Si-SiC образуются мелкодисперсные кластеры, кластеры карбида кремния, которые вместе с жидкостью поступают в межзеренные промежутки в алмазном поликристалле и способствуют образованию там мелкодисперсного карбида кремния. В соответствии с соотношением Холла-Петча, это вызывает увеличение предела текучести, а значит, и прочности материала. Однако использование такого материала при изготовлении выглаживателей для обработки деталей из высокопрочных материалов затруднительно из-за его недостаточной износостойкости.
При алмазном выглаживании чаще всего используются наконечники с радиусной поверхностью. Однако при долговременной работе возникает необходимость восстановления исходной сферической поверхности выглаживателя. Рабочая поверхность алмазного наконечника при выглаживании подвергается интенсивному истиранию и воздействию температурного фактора. Силы, возникающие в процессе выглаживания, создают высокие контактные давления на его рабочей поверхности. В связи с этим материал выглаживателя должен обладать большой твердостью, износостойкостью, высоким пределом прочности на сжатие, низким коэффициентом трения по металлу.
Для снижения трудоемкости переполировки инструмента, повышения качества и производительности при выглаживании применяют алмазный инструмент с плоской рабочей поверхностью или с поверхностью большего радиуса, плавно переходящей на конус или сферу. Диаметр плоской поверхности 0,6-0,8 мм. Переполировка плоского рабочего участка с плавно переходящей поверхностью осуществляется на обычном дисковом притире, шаржированном алмазным порошком. С помощью данного инструмента можно несколько увеличить подачу при обработке. Уменьшение шероховатости при большей подаче объясняется увеличением времени нахождения в контакте с обрабатываемой поверхностью плоского участка. Силы прижима инструмента к обрабатываемой детали необходимо увеличивать примерно на 25% по сравнению с той силой, которая применяется при выглаживании сферическим инструментом. Новый инструмент рекомендуется применять для выглаживания деталей из легко поддающихся пластической деформации материалов (алюминиевые сплавы, нержавеющие стали, бронза и др.). Разновидностью данного инструмента является наконечник не с плоской площадкой, а с площадкой, образованной радиусом во много раз больше, чем радиус основного сферического участка.
Создание наиболее прочного материала позволит еще более увеличить силу прижима инструмента к обрабатываемой детали без снижения стойкости и тем самым расширить возможности применения инструментов данной конструкции для обработки деталей с более высокими механическими характеристиками и уменьшить шероховатость (например, при выглаживании титана и его сплавов).
Таким образом, основными проблемами, которые необходимо решать при спекании композиционного материала, являются повышение его прочности и износостойкости, устранение негативного влияния добавок группы железа на процесс выглаживания.
В основу изобретения положено задание такого усовершенствования способа спекания композиционного материала на основе порошков алмаза, при котором, благодаря выбору количественного состава порошков синтетического и природного алмаза, их нового зернового состава и соотношения, обеспечивается такой технический эффект, как однородность мелкозеренного спеченного материала, вследствие чего повышается прочность полученного композиционного материала, что позволяет использовать сверхтвердый материал при изготовлении наконечников для выглаживателей и других видов инструмента.
Указанное задание решается тем, в способе получения композиционного материала на основе порошков алмаза, который включает формирование пропитывающего слоя прессованием смеси, которая содержит по меньшей мере кремний, в количестве, достаточном для пропитывания алмазной массы, нанопорошок алмаза и графит, нагревание алмазной массы и пропитывающего слоя при давлении не менее 2,5 ГПа до температуры, достаточной для плавления кремния, и выдержку при этой температуре, согласно изобретению в качестве порошка алмаза используют порошок синтетического алмаза с размером зерен 20-30 мкм в количестве 55-75 мас.% от массы смеси, а в качестве добавки используют порошок природного алмаза с размером зерен 10-20 мкм в количестве 25-45 мас.% от массы смеси.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, которые заявляются, и техническими результатами, которые достигаются при реализации изобретения, 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.
2
2
Как известно, синтетические алмазы имеют более развитую поверхность, что способствует увеличению количества межкристаллитных связей алмаз-алмаз и тем самым приводит к увеличению их прочности. В связи с этим в предлагаемом способе количество синтетических алмазов в смеси составляет 55-75 мас.%. Кроме того, размер их зерен составляет 20-30 мкм, что также способствует увеличению прочности спеченного материала. Так, если количество зерен в 1 карате алмазного порошка зернистостью 100/80 составляет около 118 тыс. штук, то количество зерен в 1 карате порошка с величиной зерен 28/20 ориентировочно составляет до 2500 тыс. штук (Бакуль В.Н. Число зерен в одном карате - одна их важнейших характеристик алмазного порошка // Синтетические алмазы. - 1976. - №4. С.22-27), т.е. более чем в 20 раз больше. Это способствует увеличению во столько же раз числа контактов между зернами, образованию дополнительных связей алмаз-алмаз и увеличению прочности спеченного материала. Кроме того, удельная поверхность зерен синтетических алмазов выбранного диапазона (20-30 мкм) составляет 0,3 м/г, в то время как у зерен синтетических алмазов размером 100 мкм составляет около 0,03 м/г, что практически в 10 раз больше (Богатырева Г.П., Гвяздовская В.Л. Удельная поверхность порошков синтетических алмазов // Сверхтвердые материалы. - 1986. - №2. - С.25-28). Указанный выше фактор также приводит к увеличению количества связей алмаз-алмаз и тем самым способствует повышению прочности полученного материала. Однако получение композиционного материала только с применением синтетических алмазов нецелесообразно, так как они имеют более низкую износостойкость. В связи с этим предложено спекание композитов из смеси синтетических и природных алмазов с меньшей зернистостью.
Использование в качестве добавки природных алмазов с еще меньшей зернистостью, а именно 10-20 мкм, в количестве 25-45 мас.% от массы смеси способствует увеличению прочности, износостойкости, а также термостабильности полученного материала. Так, интенсивность изнашивания композита, спеченного из природного алмаза, более чем в 6 раз меньше, чем композита, спеченного из синтетического алмаза (Шульженко А.А., Ножкина А.В., Гаргин В.Г. и др. Сравнительные физико-механические характеристики микропорошков синтетического и природного алмаза и поликристаллических композиционных материалов на их основе // Сверхтвердые материалы. - 2008. - №5. - С.7-15). Что же касается термостабильности природных и синтетических алмазов, то общеизвестно, что природные алмазы практически не снижают своих физико-механических свойств до температуры 1400°С. В то же время большинство микропорошков синтетических алмазов, выпускаемых на территории СНГ, снижают свои прочностные свойства уже после нагрева до 1000°С.
Примеры конкретной реализации изобретения
Пример 1
Предварительно готовили смесь из порошков алмаза в следующем соотношении, мас.%:
алмаз синтетический зернистостью 28/20
60
алмаз природный зернистостью 20/14
40
Для формирования пропитывающего слоя готовили смесь, которая содержит, мас.%:
кремний с размером частиц менее 100 мкм
50
чешуйчатый графит с линейным размером
чешуек 0,5-1 мм и толщиной порядка 1 мкм
30
алмазный нанопорошок с размером частиц 0,002-0,01 мкм
20
Смесь засыпали в шаровую мельницу и проводили смешивание в течение 30 мин. После чего из смеси прессовали диски диаметром 18 мм и высотой 1 мм.
В дальнейшем для получения образцов композиционного материала для испытаний их на прочность формирование алмазной массы осуществлялось следующим образом. Из чешуйчатого графита прессовали тигель диаметром 18 мм с рядом цилиндрических гнезд диаметром 2,2 мм и высотой 2,2 мм. В цилиндрические гнезда засыпали приготовленную ранее смесь синтетического и природного алмаза, вибрацией и прессованием утрамбовывали эту смесь и пропитывающим диском закрывали гнезда тигля, расположенного в ячейке высокого давления. Спекание осуществляли в аппарате высокого давления типа тороид с лункой 30 мм. Параметры спекания при этом составляли: давление 8 ГПа, температура 1400°С, продолжительность 90-100 с. После спекания были получены образцы диаметром 2 мм и высотой 2 мм. В дальнейшем с помощью химической обработки очищали поверхность образцов от остатков графита. На разрывной машине усилием до 10 кН было проведено испытание прочности образцов в количестве 20 штук при одноосном статическом сжатии. Доверительный интервал величины прочности при доверительной вероятности 0,95 не превышал 0,2 ГПа. Результаты испытаний приведены в таблице, где содержится следующее.
Пример 1 касается реализации предложенного способа согласно заявляемым признакам.
Примеры 2-7 касаются реализации предложенного способа при граничных размерах алмазных зерен и их содержания в смеси.
Примеры 8-13 - за пределами заявленных признаков.
Пример 14 - способ получения композиционного материала по прототипу.
Верхнее содержание порошка синтетического алмаза ограничено тем, что при увеличении его содержания происходит снижение износостойкости композита, при его достаточно большой прочности (пример 8).
Нижнее содержание порошка синтетического алмаза ограничено тем, что уменьшается прочность композита (пример 9).
Выбор верхнего предела размера зерен алмазов обусловлен тем, что при использовании зерен с большим размером зерен уменьшается прочность композита (примеры 10, 12).
Выбор нижнего предела размера зерен алмазов обоснован тем, что при использовании зерен с меньшим размером зерен ухудшается пропитывание алмазной массы, что приводит к снижению прочности композита (примеры 11, 13).
Таким образом, согласно предложенному способу спекания композита получен материал с высокой прочностью и износостойкостью, не содержащий металлических растворителей, таких как никель, кобальт, железо и др., которые обычно используют для синтеза и спекания алмаза. Как отмечалось выше, указанные металлы адгезионно активны, при выглаживании они взаимодействуют с поверхностью обрабатываемой детали, что приводит к резкому ухудшению состояния указанной поверхности. В качестве материала рабочей части выглаживателей используются твердый сплав, рубин, лейкосапфир, а также синтетические алмазы типа баллас. Однако синтетические алмазы типа баллас содержат металлы-растворители, используемые при синтезе, которые в дальнейшем негативно влияют на процесс выглаживания. Применение природных алмазов в качестве рабочей части выглаживателей ограничено тем, что природным алмазам характерна не только анизотропия свойств, но и высокая стоимость. При этом полученный материал не уступает по своей износостойкости кристаллам крупных природных алмазов, также преимуществом является тот факт, что указанный материал не имеет анизотропии свойств по различным направлениям.
Полученный материал успешно можно использовать для изготовления наконечников для упрочнения поверхностного слоя и улучшения чистоты поверхности при финишной обработке незакаленных и закаленных цементированных сталей, улучшенных сталей (марок 40Х, 35 H1M), труднообрабатываемых сталей, цветных металлов и сплавов. При выглаживании наконечниками, изготовленными из полученного материала, обеспечивается шероховатость поверхности до 0,03-0,05 мкм.
Объект испытаний
№, п/п
Размер частиц алмазов, мкм
Состав смеси из порошков алмаза, мас.%
Прочность, ГПа
Примечание
Синтетический
Природный
Синтетический
Природный
Способ согласно изобретению
1
28
14
65
35
35
2
28
14
75
25
37
3
28
14
55
45
32
4
30
14
65
35
34
5
20
14
65
35
36
6
28
20
65
35
33
7
28
10
65
35
34
8
28
14
80
20
36
Снижение износостойкости
9
28
14
45
55
28
Снижение прочности
10
40
14
65
35
24
11
7
14
65
35
20
Плохая пропитка
12
28
28
65
35
27
13
28
7
65
35
19
Плохая пропитка
Способ по прототипу
14
30