Способ изготовления алмазных поликристаллических элементов

 

дл тр азных поликристаллических элементов канием алмазный порошок целесообразно оснащения бурового и лезвийного инс- очищать от диоксида кремния. 1 з.п. ф-лы, ментов. Сущность изобретения: при спе- 1 табл„2 ил.

Изобретение относится к производству по икристаллических алмазных материало, к спеканию в условиях высоких давлени и температур алмазного порошка, пр дназначенных преимущественнодля осна ения бурового и лезвийного инструментов, а также может быть использовано для ос ащения волочильного инструмента. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ поМучения алмазно-неалмазного углеродното оликристаллического композита, состоящ го в основном из 50-997 по массе

an аза и 50-1 графита и средств, активиру щих спекание, согласно патенту США М

391 280, кл. В 24 D 3/02, опубликовано . 21, 0,79 r. Способ заключается в спекании первоначально отдельных алмазных частиц

Л посредством воздействия на смесь алмазных частиц и средства; активирующего спе- с4 кание, давления и температуры, при О которых алмаз одновременно является; а). термодинамически неустойчивым по отношению к графиту и б) способен спекаться за промежуток времени меньший, чем требуется для превращения алмаза в поликристал- 0© лический состав ниже 50 мас.g. .-. При этом указанное средство, активирующее спекание, включает по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из алюминия, магния. бериллия, бора, гафния, молибдена, ниобия, азота, реник, стоящей из огнеупорных боридов, карбидов, нитридов, оксидов и силицидов, Способ соединения алмаза с алмазом для nîëó÷åния укаэанного композита включает: — при1792928

3 готовление однородной смеси алмазных частиц и средства; активирующего спекание, — воздействие на смесь температуры йдав ления:, при:которых алмаз неустойчив, до тех пор; пока получится однородный композит заранее определенной:конфигурации, причем указанный однородный композит включает непосредственное соединение алмаза

c:алмазом, объединяющее алмазные частицы, а.промежутки между ними заполнены графитом и средством, активирующим"слака н ие.

При спекании алмазного порошка фактором, протйводействующим образованию прочйой связи алмаз — алмаз и получению плотно спеченного поликристалла, является взаимодействие алмазных зерен с кислородом и его соединениями; находящимися в порах алмазного слоя. и адсорбированными поверхностями алмазных частиц, Примейение в качестве активирующей спекание добавки (средства) магния, активно:взаимодействующего с кислородом и образующего с ним стойкое соединение, позволяет. улучшить связь алмаз — алмаз, а так как при спекании кислород прежде всего активно взаимодействует с той частью поверхноСти алмазного зерна, которая пре терпевает наибольшую степень пластической деформации имеет повышенное значение поверхностной энергии, а таким . участком является область образования контактного перешейка между спекающимися алмазйыми частицами, Уменьшение интенсивности этого процесса приводит к увеличени1о прочности получаемого поликристалла. Однако наряду с образованием стойких окисдов магния происходит достаточно активное взаимодействие магния с алмазоМ, при этом согласно диаграмме со стояния магний-углерод(Диаграмма состояния системы магний - углерод при давлении

7,7. ГПа (А.А.Шульженко, И.IO.Игнатьев, Н.Н;Белявина, И.С.Белорусов). Сверхтвердыематериалы — 1988 r. — ¹ 6, с, 3-5) при высоком давлении образуются карбиды магния МцС и MgCz; которые представляют собой фазы высокого давления, а при атмосферном давлении являются неустойчивыми

: соединениями, Частично эти карбиды находятся в закрытых порах внутри поликристэлла, но если они образуют там связанные цепочки, имеющие выход на поверхность, то при взаимодействии с влагой воздуха они разлагаются, И в том, и в другом случае происходит потеря массы алмазных зерен, составляющих поликристалл, которая приводит к ухудшению его износостойкости:

Если в смеси магний — углерод помимо алмазных частиц присутствует и графит, то на образование карбидов магния будет тратиться меньшая часть алмазного порошка, так как определенное количество карбидов будет образовываться за счет взаимодействия магния с графитом. Однако очевидно, что.введенйем графита в смесь магний углерод путем перекристаллизэции части алмаз10 ного порошка в графит при давлении и температуре, соответствующих области термадинамической стабильности графита, та кого уменьшения потерь алмазов достичь невозможно.

Целью изобретения является повышение износостойкости элементов.

Зта цель достигается тем, что в способе изготовления алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового и

20 лезвийного инструментов путем спекания алмазного порошка в присутствии магния под действием давления и температуры слои алмазного порошка размещают после довательно с дйсками, спрессованными иэ

25 смеси, содержащей магний и графит, причем содержание графита в смеси составляет

7-90 мас, j, масса дисков составляет не менее 3,8% от массы алмазного порошка, а процесс проводят в области термодинами30 ческой стабильности алмаза.

При этом для увеличения трещиностойкости алмазного поликристаллического элемента диски прессуют из смеси графита и сплава магний — цинк при следующем со35 держании компонентов в дисках, мас.%: магний 15-35; цинк 10-25; графит 40-65, Кроме того, для улучшения прочности связи алмазных частиц в поликристаллическом элементе перед спеканием алмазный порошок очищают от диоксида кремния.

Размещение слоев алмазного порошка последовательно с дисками; спрессованными из смеси магния и графита при его содержании в смеси 7-90 мас. позволяет

45 существенно уменьшить образование карбидов за счет взаимодействия алмазных частиц с магнием и этим увеличить износостойкость алмазного поликристаллического элемента.Обусловлено это тем, что магний, находящийся в спрессованном диске, помещенному между слоями алмазного порошка, при нагреве, начиная с 450 С (на 150-200 6 ниже, чем алмаз) взаимодействует с кислородом, который находится в порах алмазного

55 каркаса и десорбируется с поверхности алмазных частиц. При этом образуются стойкие оксиды магния. Такое связывание кислорода способствует при дальнейшем повышении температуры усилению роста перешейков между зернами и увеличивает

1792928

20 с

lO у э

5 ! прочность спеченного поликристалла. Идущий параллельно со спеканием алмазных частиц процесс образования жидкости магнйй — углерод и/или карбидов магния при

I предлагаемом способе размещения элементов снаряжения реакционного объема аппарата высокого давления (АВД) осуществляется, в основном, в диске эа счет взаимодействия магния с графитом, К тому же, и скольку процесс спекания в заявляемом с особе осуществляется в области термодин мической стабильности алмаза, то графит я ляется метастабильным соединением и с орость его растворения в магнии выше по с авнению с алмазом. В этом случае существенно уменьшается миграция расплавл нного непрореагировавшего магния в а мазный порошок, а происходит миграция жидкости, а магний — углерод, которая ведет себя по отношению к алмазу менее агресвно, При этом следует иметь в виду следуее обстоятельство, 8 наиболее аленной от диска части алмазного слоя до ступления туда жидкости процесс спекая алмазного порошка идет в твердой фа. При этом, как известно, происходит фитизация алмазных частиц, вызванная ра терм, что спекаемая алмазная частиц, вызванная тем, что спекаемая алмазная частиц, контактирующая как с другими ч стицами, так и с порами, под действием в сокого давления и температуры находитс в сложном напряженном состояний и ч сть ее обьема соответствует термодинамической области стабильности алмаза, а часть — области стабильности графита. При э полнении пор жидкостью давление в частице и вокруг нее выравнивается, баротермические условия соответствуют области стабильности алмаза; поэтому графит будет ра створяться жидкостью магний — углерод, тогда как для алмаза скорость этого процесI с значительно ниже. Согласно диаграмме сс1стояния наступает момент, когда дальнейшее растворение графита в жидкости магний — углерод приводит к кристаллизации алМаза иэ раствора lVlg-С. При охлаждении жидкости IVlg-С до комнатной температуры в зависимости от концентрации в ней углерода о а или превращается в смесь карбидов М9С2 . и 99С или осуществляется перитектическая реакция жидкость - М9С2+алмаэ. Таким обрдзом повышение износостойкости спекаем9го алмазного элемента в заявляемом с особе происходит как за счетуменьшения растворения алмаза и.его расхода на карбидообразование, так и за счет процесса обратной перекристаллизации графита, образовавшегося на внеконтактных поверхностях алмазных частиц, в алмаз.

Экспериментально установлено, что если в смеси магний — графит, из которой прессуются применяемые диски, содержание углерода составляет менее 7 мас.Д, то увеличения износостойкости спекаемого элемента по сравнению с применением чистого магния не происходит (образец для сравнения изготовили согласно прототипу).

Это связано с тем, что в алмазный слой

10 мигрирует образованная в диске жидкость

Мд-С с низким содержанием углерода, которая близка по своим свойствам к чистому расплавленному магнию, и поэтому избежать значительных потерь массы алмазных частиц не удается.

Если содержание графита в смеси превышает 90 мас;, то образуемого количества жидкости Mg-С недостаточно для заполнения всего объема пор в слоях алмазного порошка и повышения износостойкости в незаполняемой жидкостью части объема спеченного поликристаллического элемента не происходит.

Такая же картина наблюдается в случае, 25 если масса дисков составляет менее 3,8% от массы алмазного порошка.

Параметры спекания (температура и давление) находятся в области стабильности алмаза выше линии равновесия графит

30..— алмаз на фазовой диаграмме. Нижний и верхний пределы температурй определены областью превращения графита в алмаз в системе магний — углерод, Так при давлении

7,7 ГПа согласйо диаграмме состояния ниж35 ний предел по температуре составляет

1720 С, а верхний — 1910 С, Нижний предел длительности спекания определяется временем полиморфного превращения графит — алмаз в данной системе и составляет,. на40 пример, при 1800 С около 15 с. Верхний предел длительности спекания регламентируется конструкционными особенностями применяемых АВД и экономическими соображениями, так как свойства алмазных поликристаллических элементов, спеченных в указанной области, практически не отличаются, Рекомендуемым верхним пределом длительности спекания является 1 мин.

Значительная скорость роста алмазных кристаллов иэ расплава магний — углерод приводит к образованию внутри каркаса спекаемых алмазных частиц сравнительно больших по размерам вторичных зерен неправильной формы, что способствует уменьшению трещиностойкости алмазных элементов. Поэтому вместо магния для приготовления дисков применяли сплав магний— цинк, что способствует уменьшению скорости роста алмазных кристаллов и повышению трещиностойкости получаемых пол и кристал1792928 лических элементов, если содержание компонентов в дисках составляет, мас.%: магний 15-35 цинк 10-25; графит 40-65%. .В качестве алмазных порошков могут использоваться как природные, так и синтетические алмазы с размером зерна от 0,3 до

60 мкм, например, марки ACM.

Проведенные методом спектрального анализа исследования показали, что в выпускаемых промышленностью порошках синтетических алмазов ACM содержится около

0,15 мас,% диоксида кремния, При высоких температурах происходит взаимодействие этого соединения со спекаемыми алмазными частицами, что препятствует росту перешейков между ними и увеличению прочности связи алмаз —. алмаз. Поэтому для улучшения прочности связи алмазных частиц в поликристаллическом элементе перед спеканием алмазный порошок очищали от диоксида кремния йутем его обработки в расплаве гидрооксидов натрия и калия, взятых в соотношении 1:1, в течение 30 мин.

На фиг. 1 и 2 изображены схемы сйаря жения реакционного объема АВД при последовательном размещении внутри трубчатого графитового нагревателя (1) слоев алмазного порошка (2) и одного (фиг. 1) или двух (фиг. 2) дисков (3), спрессованных из "смеси, содержащей магний и графит. По торцам нагревателя реакционный объем закрывали прокладками из молибдена (4) и заглушками из хлорида натрия (5).

Пример. Порошок магния с размером частиц около 250-500 мкм и порошок графита марки ГСМ-1 смешивали в соотношении

45 мас;% магния и 55 мас,% графита. Из смеси приготовили навески массой 50 мг. После чего при комнатной температуре спрессовали диски диаметром 9 мм толщиной 0,5 мм. Из алмазного порошка марки

АСМ зернистостью 40/28 приготовили навески массой 450 мг.

В трубчатый графитовый нагреватель, находяЩийся внутри контейнера из литографского камня; йоместили заглушку, опрессованную из хлорида натрия, пуансоном произвели подпрессовку, затем на заглушку поместили молибденовую прокладку. После чего сверху на прокладку насыпали подготбвленную навеску алмазного порошка. Пуансоном произвели подпрессовку и выравнивайие поверхности алмазного слоя. . Сверху на алмазный слой поместили диск из смеси магний-графит, на диск высйпали еще одну навеску алмазного порошка. Сверху полученный алмазный слой закрывали .молибденовой прокладкой и заглушкой из хлорида натрия. Снаряженный таким образом контейнер поместили в АВД типа торооксйд М90; Спекание при температуре

1800 С производили в течение 30 с. Образо вавшаяся в диске жидкость Mg-С мигриро10 вала в алмазный слой и способствовала охлаждения до комнатной температуры

15 снижали давление и извлекали из реакцион20

30

55 ид, После чего создали в нем давление 8,0

ГПа. Затем произвели нагрев со скоростью

250 град/с до температуры 1800 С. При этом в интервале температур 450-700 С произошло связывание кислорода, находящегося в порах алмазного слоя в устойчивый уплотнению алмазного порошка, сохранению алмазных зерен и перекристаллизации образовавшегося графита в алмаз. После ного объема два спеченных алмазных поликристаллических элемента. Для" измерения износостойкости элементов были изготовлены путем шлифования свободным абразивом пластины диаметром 8 мм и толщиной 2,5 мм. Для оценки износостойкости изделий, предлагаемых в прототипе, нами были изготовлены

-образцы согласно рекомендациям, приве денным в описании к патенту США N

3913280. В дальнейшем была определена износостойкость полученных нами алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового и лезвийного инструментов и изготовленных согласно прототипу, Износо; стойкость пластин определяли в процессе строгания блока кварцевого песчаника Торезского карьера Донецкой области по линейному размеру (высоте) контрольной части площадки износа алмазной пластины, Пластины механическим способом крепили в резцедержателе. Параметры режима резания при работе на поперечно-строгальном станке следующие: скорость резания 0,55 м/с. глубина резания 0,5 мм, поперечная подача 1,4 мм/ход, Все образцы пластин проходили испытание придлинепутирезания50 и 1м. Измерение высоты площадки износа проводили с помощью инструментального микроскопа с погрешностью + 0,03 мм.

Произведенные измерения показали, что величина износа у пластин; полученных пе предлагаемому способу, составляет 0,20 мм, а изделий, полученных по способу, приведенному в прототипе — 0,44 мм. Таким образом, износостойкость алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового и лезвийного инструментов по предлагаемому способу в 2,2 раза выше. чем изделий, полученных по способу, приведенному в прототипе. Кроме того, повторное испытание пластин и на износостойкость после нагрева в водороде в течение 7 мин

1792928 элементов, изготовленных по прототипу, а также выпускаемых промышлен.ностью в настоящее время.

Применение указанного способа изго5 товления алмазных поликристаллических элементов для. оснащения бурового и лезвийного инструментов за счет увеличения их износостойкости позволит сократить расход алмазных порошков íà 55%.

10! 9 при температуре 1000 С показало, что износостойкость пластин не снизилась. Согласно Технологии йзложенной в примере, был осу(цествлен ряд опытов. результаты которы сведены в таблицу.

Как видно из приведенных данных, из- носостойкость элементов, полученных при па аметрах, попадающих в заявляемые диапазоны значенйй -выше износостойкости

\ сками, спрессоваййймвЙу из смеуслй; сояержатщей 10-93 мас.% магния и 7-90 мас,% графита или из смеси, содержащей 15 35 мас.% магния, 10-25 мас.% цинка и 40-65 мас.% графита, причем масса дисков составляет не менее 3,8% массы алмазного порошка, а процесс проводят в области термодинамической стабильности алмаза.

2. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что перед спеканием алмазный порошок очищают от диоксида кремния.

Формула изобретения 15

1. Способ изготовления алмазных поликри таллических элементов преимущественно для оснащения бурового и лезвийного ин рументов, включающйй спекание алмаз- 20 ног порошка в присутствии магния под возде ствием высокогодавления и температуры, отличающийся тем;что, с целью по ышения износостойкости элементов, алма ный порошок размещают послойно с ди- 25

Сравнительные данные по износостойкости алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового и лезвийного инструментов

Содержание компонентов в иске мас.

М пп

Количество образцов с трещинами из

20 спеченных

Высота площадки износа, мм

Масса алмазного порошка, мг

Массадиска, мг

Применение

Очистки алмазов от

SiOz графит магний цинк

Нет

То же и и

Да

Нет

То же

° а н

То же

0.44

По п ототип 1

3

5

7

9

11

93

26

0

0

0

11

22

79

52

50 .50

900

Отношение массы диска к массе порош%

5,5

5,5

5,5

3,8

13,0

5,5

5,5

5,5

5.5

5,5

5,5

5,5

3

3

2

0,22

0,42

0,41

0,37

0,22

0,20

0,37

0,27

0,28

0,27

0,23

0,21

1792928

Составитель Е,Юдина

Техред М.Моргентал Корректор З.Салко Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 480 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5