СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО КОМПОЗИТА Российский патент 2010 года по МПК C22C1/05 B24D3/10 

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области изготовления алмазсодержащих композитов с металлическими связками, применяемых как рабочие части инструментов различного назначения.

Уровень техники

Известен способ термической обработки алмазов ([1] SU №845343, В28D 5/00, 22.11.1979). Способ заключается в нагреве алмазов при температурах 300-700°С на воздухе и охлаждении в воде при комнатной температуре. Циклы нагрева и охлаждения проводятся 15-35 раз для снятия внутренних напряжений кристаллов алмаза. Недостатком указанного способа является скалывание остроугольных кристаллов и агрегатов и появление новых микротрещин в кристаллах, имеющих большие внутренние напряжения.

Известен способ повышения прочности синтетических алмазных порошков ([2] RU 2043857 С1, 17.04.1991). Для этого алмазный порошок подают с высокой скоростью через плазму. При этом среднемассовая температура порошка составляет 27-6727°С. Пролетев через плазму со скоростью 40-500 м/сек, порошок ударяется о специальную пластину для дополнительного раскола и собирается в емкости. Уменьшение количества зерен крупных фракций и увеличение (появление) зерен мелких фракций свидетельствует о расколе дефектных кристаллов. В результате происходит повышение прочности части зерен порошка. Недостатком данного способа является то, что при ударе о пластину могут образоваться в зернах алмаза новые трещины, дефекты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ соединения алмаза с металлическими материалами по ([3] SU №1381882, В28D 5/00, 11.05.1986). Суть способа заключается в предварительной подготовке (обработке) контактирующей с соединяемым металлом поверхности алмаза порошком другого металла (железа), взаимодействующего с алмазом при высоких температурах. Для этого на соединяемые поверхности металла (например, платины) и алмаза наносят порошок железа и нагревают сначала при температуре ниже плавления эвтектики железо-углерод на 100-150°С в течение 15-30 минут, а затем температуру повышают на 50-100°С выше температуры плавления эвтектики железо-углерод с выдержкой 3-5 мин, после чего производят закалку. При соединении алмаза с легкоплавкими металлами (или припоями) вышеописанным способом подготавливают только соединяемую поверхность алмаза. Затем отдельно припаивают алмаз с пленкой Fe-С к соединяемому металлу. Способ применяют при соединении монокристаллов алмаза различных размеров с металлическими держателями, для закрепления кристаллов алмаза в оправках. В способе выдержка алмаза при температурах 1000-1250°С в защитной газовой атмосфере аргона с 5% водорода снимает напряжения в кристалле алмаза, повышает, в некоторой степени, его прочность. Кроме того, соединяемый алмаз на месте контакта взаимодействует с железным порошком. Алмаз матируется, и железный порошок на месте контакта прилипает к алмазу силами адгезии. В результате появляется возможность соединения алмаза с металлическими материалами. Недостатком данного технического решения является недостаточно прочное соединение кристаллов алмаза с металлической связкой, обусловленное только силами адгезии пленки Fe-С, которая может реагировать с припоем или с соединяемым металлом.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является повышение прочности кристаллов алмаза и повышение прочности соединения кристаллов алмаза с металлической связкой.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в повышении срока службы алмазного инструмента различного назначения.

Существенные признаки изобретения.

Ограничительные: Высокотемпературная обработка алмаза частицами железа в атмосфере газа-реагента, представляющего смесь водорода с инертным газом.

Отличительные: Образование глухих отверстий путем контакта и взаимодействия алмаза с металлом, преимущественно железом, при температурах 800-1000°С в среде газа-реагента и матировка всей поверхности алмаза нагревом при температурах 750-800°С в атмосфере воздуха.

Осуществление изобретения

Способ осуществляется следующим образом.

Глухие отверстия образуются путем контакта и взаимодействия алмаза с металлом, преимущественно с железом шароподобной формы, при температурах 800-1000°С в среде газа-реагента, который непосредственно с алмазом не реагирует, а реагирует с растворенным в металле углеродом алмаза. В качестве газа-реагента используется, как и в прототипе, смесь водорода с инертным газом. Водород реагирует с растворенным в железе углеродом алмаза с образованием метана, который удаляется (улетучивается) со свободной, не контактирующей с алмазом, противоположной поверхности железа. Кроме того, водород предотвращает окисление железа. Таким образом, обеспечивается непрерывность процесса углубления железа в алмаз, т.е. изготовления отверстия. Следует заметить, что железо прилипает к алмазу (адгезия) с силой, несравнимо большей, чем силы тяготения. Поэтому железо прямолинейно «углубляется» в алмаз вверх, вниз, вбок с одинаковой скоростью. Этим достигается одновременное изготовление нужного количества глухих отверстий вокруг кристалла алмаза. Водород разбавляется инертным газом в целях безопасности работ и по экономическим соображениям.

По достижении необходимой глубины отверстия температуру понижают до 750-800°С. Вместо газа-реагента подают воздух и выдерживают в течение 3-10 часов. При указанных температурах матируется (окисляется) вся поверхность алмаза. Значения температуры и времени выдержки обеспечивают глубину (степень) травления.

Глухие отверстия в кристалле алмаза повышают прочность алмаза на сжатие в силу появления новых цилиндрических поверхностей в самом кристалле, а затекание в эти глухие отверстия жидкой металлической связки повышает прочность соединения. Таким образом, глухие отверстия в алмазе не только повышают прочность кристалла алмаза, но и обеспечивают прочность соединения алмаза с металлами при изготовлении инструментов и с металлической связкой при производстве алмазсодержащих композитов. Матировка всей поверхности алмаза дополнительно повышает прочность соединения алмаза со связкой.

При изготовлении алмазных инструментов, эксплуатируемых под большой механической нагрузкой (буровых коронок, карандашей для правки шлифовальных кругов и т.д.), широко применяются хорошо овализованные шароподобные объемные крупные кристаллы алмаза.

В производственном процессе сначала алмаз сортируют по размерам, формам. Затем наносят (приклеивают) равномерно по всей поверхности алмаза необходимое количество шариков (частиц) железа. Партию алмаза одной размерности помещают в реактор и производят обработку.

Вместо алмаза можно использовать Ni, Co, Pt, но они имеют низкую скорость взаимодействия с алмазом. Скорость взаимодействия снижается в указанной последовательности.

Затем из определенного количества обработанных кристаллов алмаза изготавливают инструмент (композит). В качестве металлической связки применяют, в зависимости от назначения инструмента, различные металлические сплавы. В большинстве случаев медно-никелевые сплавы с добавками. Эти сплавы не реагируют с алмазом, механически фиксируют алмаз в композите за счет глухих отверстий, пористости поверхности в результате его матировки, т.е. за счет затекания в поры, отверстия расплавов металлов при изготовлении инструмента (композита).

Испытания проводились в производственных условиях. Были изготовлены алмазсодержащие композиты - сегменты для пил по распиловке мраморных плит. Две пилы были изготовлены с применением сегментов с упрочненными данным способом алмазами зернистостью 1,8-2,0 мм. Другие пилы - с алмазами такой же размерности, подвергнутыми только термической обработке. Износостойкость первой пилы повысилась на 30%, а второй - на 17%. Более значительное повышение прочности наблюдалось при сравнении показателей алмазных карандашей для правки абразивных (шлифовальных) кругов. В алмазных карандашах в металлическую связку помещаются несколько (4-5) овализованных округленных кристаллов алмаза диаметром около 4 мм. Для небольшого количества крупных кристаллов алмаза глухие отверстия глубиной около 1,0-1,3 мм изготовлялись с равномерным распределением по поверхности (объему) кристалла. Строгое выдерживание условий упрочнения алмаза позволило повысить его прочность в 1,7-2,0 раза.

Изобретение относится к изготовлению алмазосодержащих композитов с металлической связкой, которые могут применяться в качестве рабочих частей инструментов. В кристалле алмаза формируют глухие отверстия путем взаимодействия алмаза с частицами металла при 800-1000°С в среде газа-реагента, реагирующего с растворенным в металле углеродом и не реагирующего непосредственно с алмазом. После достижения глубины отверстий 20-30% от размера алмаза осуществляют матировку поверхности алмаза путем выдержки при 800°С в течение 3-10 часов в атмосфере воздуха. Изготовление отверстий и матирование алмаза повышают его прочность и обеспечивают прочное соединение алмаза с металлами при изготовлении инструментов.

Способ получения алмазосодержащего композита с металлической связкой, включающий нагрев алмаза в контакте с порошком взаимодействующего с ним металла в среде газа-реагента, реагирующего с растворенным в металле углеродом и не реагирующего непосредственно с алмазом, отличающийся тем, что в кристалле алмаза формируют глухие отверстия путем взаимодействия алмаза с частицами металла при 800-1000°С в среде газа-реагента, при этом после достижения глубины отверстий 20-30% от размера алмаза осуществляют матировку поверхности алмаза путем выдержки при 800°С в течение 3-10 ч в атмосфере воздуха.