Способ изготовления алмазных поликристаллических элементов Советский патент 1993 года по МПК C04B35/52 

ЛОЕ ни

Изобретение относится к производству noi икристаллических алмазных материак спеканию в условиях высоких давлеи температур алмазного порошка, пр дназначенных преимущественно для ос- Hai ения бурового и лезвийного инструмена также может быть использовано для оснащения волочильного инструмента.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения алмазно-неалмазного углеродного гюликристаллического композита, состоящего в основном из 50-99% по массе алмаза и 50-1% графита и средств, активи- рук щих спекание, согласно патенту США № 3913280, кл. В 24 D 3/02, опубликовано 21/0.79 г. Способ заключается в спекании первоначально отдельных алмазных частиц

посредством воздействия на смесь алмазных частиц и средства, активйрующегб спекание, давления и температуры, при 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 поликристэл- личёсКий состав ниже 50 мае. %.

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, рения, стоящей из огнеупорных боридов, карбидов, нитридов, оксидов и силицидов. Способ соединения алмаза с алмазом для получе- ния указанного композита включает: - приХ|

Ю

ю ю ю со

готрвление однородной смеси алмазных частиц и средства; активирующего спекание, У воздействие на1 смесь температуры и дай-; ления; при которых алмаз неустойчив, дЪ тех пор, прка-полу штся Однородный композит заракее определенной конфигурации, причем указанный однородн ый композит йклкэ- чает непосред,ственное соединение алмаза с/алмазом, объединяющее алмазные части- цы,-а: промежутки между ними заполнены графитом и средством, активирующим спе- кан ие;:л л; ;.//.-:::..- :: v.;;..; :-:; ..

-:: :,При спекании алмазного порошка фак;трро;м, противодействующим образованию прочной связи алмаз. - алмаз и получению плотно упечённого поликристалла, является взаимодействие-алмазных зерен с кислородом и; его соединениями, находящимися в порах алмазного слоя, и адсорбированными поверхностями алмазных частиц

: : . Применение в качестве активирующей, спекание добавки (средства) магния, актив- но: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;терпёвает наибольшую степень пластической деформации имеет повышенное значение поверхностной энергии, а таким участком является область образования контактного перешейка между спекающимися алмазными частицами. Уменьшение интенсивности этого процесса приводит к увеличению прочности получаемого поликристалла. Однако наряду с образованием

; стойких окисдов магния происходит достаточно активное взаимодействие магния с алмазом, при этом согласно диаграмме состояния магний-углерод (Диаграмма состо- ян ия системы магний - углерод при давлении 7,7 ГПа (А.А.Шульженкр, И.Ю.Игнатьев, Н.КБ.елявйна, И.С.Белорусов). Сверхтвердые материалу - 1988 г. - N° 6, с. 3-5) при высоком давлении образуются карбиды магния М.дС и МдСа, которые представляют собой фазы высокого давления, а при атмосферном давлении являются неустойчивыми

соединениями. Частично эти карбиды находятся в закрытых порах внутри поликристалла.;, 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 зёрен, 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 введением графита в смесь магний углерод путем перекристаллизации части алмазного порошка в графит при давлении и

. температуре соответствующих области термодинамической стабильности графита, такого уменьшения потерь, алмазов достичь невозможно. .. -

Целью изобретения является повышение износострйкости элементов. Эта цель достигаетсядем, что в способе изготовления алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового и

лезвийного инструментов путем спекания алмазного порошка в присутствии магния под действием давления и температуры слои алмазного порошка размещают последовательно с дисками, спрессованными из

смеси, содержащей магний и трафит, причем содержание графита в смеси составляет 7-90 мае.%, масса дисков составляет не менее 3,8% or массы алмазного порошка, а процесс проводят в области термодинамической стабильности алмаза.

При этом для увеличения трещиностой- кости алмазного поликристаллического элемента диски прессуют из смеси графита и сплава магний - цинк при следующем содержании компонентов в дисках, мас.%: магний 15-35; динк 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 слрев алмазного порошка последовательно с дисками, спрессованными из смеси магния и графита при его содержании в смеси 7-90 мае. % позволяет

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°Ј ниже, чем алмаз) взаимодействует с кислородом, который находится в порах алмазного

каркаса и дееорбируется 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

прочность спеченного поликристалла. Идущий параллельно со спеканием алмззных частиц процесс образования жидкости магний - углерод и/или карбидов магния при предлагаемом способе размещения элементов снаряжения реакционного объема аппарата высокого давления (АВД)осущест- вл|яется, в основном, в диске за счет взаимодействия магния с графитом. К тому же, пс скольку процесс спекания в заявляемом сг особе осуществляется в области термоди- Hj мической стабильности алмаза, то графит яЕЛяется метастабильным соединением и скорость его растворения в магнии выше по сравнению с алмазом. В этом случае существенно уменьшается миграция расплав- ле иного непрореагиррвавшегр магния в алмазный порошок, а происходит миграция жидкости, а магний -углерод, которая ведет себя по отношению к алмазу менее агрес- cf вно. При этом следует иметь в виду следу- га дее обстоятельство. В наиболее удаленной от диска части алмазного слоя до исступления туда жидкости процесс спека-. т я алмазного порошка идет в твердой фазе . При этом, как известно; происходит графитизация алмазных частиц, вызванная те|м, что спекаемая алмазная частиц, вызванная тем, что спекаемая алмазная частица, контактирующая как с другими частицами, так и с порами, под действием высокого давления и температуры находится в сложном напряженном состоянии и часть ее объема соответствует термодинамической области стабильности алмаза, а часть - области стабильности графита. При заполнении пор жидкостью давление в частице и вокруг нее выравнивается, баротер- м ческие условия соответствуют области стабильности алмаза, поэтому графит будет растворяться жидкостью магний - углерод, тогда как для алмаза скорость этого процесса значительно ниже. Согласно диаграмме состояния наступает момент, когда дальнейшее растворение графита в жидкости магний - углерод приводит к кристаллизации ал|маза из раствора Mg-С. При охлаждении жидкости Mg-С до комнатной температуры в зависимости от концентрации в ней углерода оь а или превращается в смесь карбидов МдСа и МдС или осуществляется перитектическая реакция жидкость - MgCa+алмаз. Таким образом повышение износостойкости спекаемого алмазного элемента в заявляемом способе происходит как за счет уменьшения растворения алмаза и его расхода на карби- дообразование, так и за счет процесса об- рэтнрй перекристаллизации графита, образовавшегося на внеконтактных повер- xHJocTflx алмазных частиц, в алмаз.

Экспериментально установлено, что если в смеси магний - графит, из которой прессуются применяемые диски, содержание углерода составляет менее 7 мае. %, то 5 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 0 мигрирует образованная в диске жидкость Mg-С с низким содержанием углерода, которая близка по своим свойствам к чистому расплавленному магнию, и поэтому избежать значительных потерь массы алмазных

5 частиц не удается:

Если содержание графита в смеси превышает 90 мае. %, то образуемого количества жидкости Mg-С недостаточно для заполнения всего объема пор в слоях алмаз0 нрго порошка и повышения износостойкости в незаполняемой жидкостью части объема спеченного полукристаллического элемента не происходит. : Такая же картика наблюдается в случае,

.5 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

0. - алмаз на фазовой диаграмме. Нижний и верхний пределы температуры определены областью превращения графита в алмаз в системе магний-углерод. Так при давлении 7,7 ГПа согласно диаграмме состояния ниж5 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, на0 пример, при 1800°С около 15 с. Верхний предел длительности спекания регламентируется конструкционными особенностями применяемых АВД и экономическими соображениями, так как свойства алмазных по5 лмкристаллических элементов, спеченных в указанной области, практически не отличаются. Рекомендуемым верхним пределом длительности спекания является 1 мин. Значительная скорость роста алмазных

0 кристаллов из расплава магний - углерод приводит к образованию внутри каркаса спекаемых алмазных частиц сравнительно больших по размерам вторичных зерен неправильной формы, что способствует умень5 шению трещиностойкости алмазных элементов. Поэтому вместо магния для приготовления дисков применяли сплав магний - цинк, что епособствуетуменьшению скорости роста алмазных кристаллов и повышению трещиностойкости получаемых поликристаллических элементов, если содержание компонентов в дисках составляет, мае.%: магний 15-35; цинк 10-25; графит 40-65%.

В качестве алмазных порошков могут использоваться как hрйродные, так и синтетические алмазы с размером зерна рт 0,3 до 60 мкм, например, марки АСМ. ;

Проведенные методом спектрального анализа исследования показали, чтр б выпускаемых промышленностью гГррршках синтетических алмазов АСМ содержится около 0,15 мае.% диоксида кремния. При вь)сркмх 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 полйкристаллическо м элемёнтё перед спеканием алмазный порошок очищали от диоксида кремния путем его обработки в расплаве гидрооксидов натрия и калия, взятых в соотношении 1:1, в течение 30 мин.;

На фиг. 1 и 2 изображены схемы снаряжения реакционного объема АВД при по- следователь ном размещении внутри трубчатого графитового нагревателя (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). .

П р и м е р. 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. м г. .

В трубчатый графитовый нагреватель, находящийся внутри контейнера из литр- графскогб камн яТ поместили заглушку, оп- рёссованнуШ из хлорида натрия, пуансоном произвели подпрёссовку, затем на заглушку поместили молибденовую прокладку. После чего сверху на прокладку насыпали подготовленную навеску алмазного порошка. Пуансоном произвели подпрессовку и выравнивание поверхности -алмазного слоя. Сверху на алмазный слой поместили диск из с мёсй магний-графит, на диск высыпали еще одну навеску алмазйого порошка. Сверху полученный алмазный слой закрывали молибденовой прокладкой и заглушкой .из хлорида натрия. Снаряженный таким образом контейнер поместили в АВД типа тороид, После чего создали в нем давление 8,0 ГПа. Затем произвели нагрев со скоростью 250 град/с до температуры 180:0°С. При этом в интервале температур 450-700°С

произошло связывание кислорода, находящегося в порах алмазного слоя в устойчивый оксид МдО, Спекание при температуре 1800°С производили в течение 30 с. Образо- вавшаяся в диске жидкость Мд-С мигрировала в алмазный слой и способствовала уплотнению алмазного порошка, сохранению алмазных зерен и перекристаллизации образовавшегося графита в алмаз. После охлаждения Др комнатной температуры

снижали давление и извлекали из реакционного объема два спеченных алмазных поликристапличёских элемента.

Для измерения износостойкости элементов былиг изготовлены путём шлифования свободным абразиврм пластины

диаметром 8 мм и толщиной 2,5 мм. Для

оценки износостойкости изделий, предлагаемых в прототипе, нами были изготовлены

образцы, согласно рекомендациям, приведенным в описании к патенту США № 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 песчаникаТорез- ского 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 . 0,55м/с, ; глубина резания0,5мм, поперечная подача 1,4 мм/ход. Все образцы пластин проходили испытание при длине пути резания 50 ± 1 м. Измёрёние высоты площадки износа проводили с помощью инструментального микроскопа с погрешностью ±0,03 мм.

Произведенные измерения показали, что величина износа у пластин, полученных

по предлагаемому способу, составляет 0,20 мм, а изделий, полученных по способу, при- врденному в .прототипе - 0,44 мм. Таким образом, износостойкость алмазных поли- крйсталлических 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

при температуре 100Q°C показало, что износостойкость пластин не снизилась. Согласно ехнологии изложенной в примере, был осуществлен ряд опытов, результаты которых сведены в таблицу.

Как видно из приведенных данных, износостойкость элементов, полученных при параметрах, попадающих в заявляемые диапазоны значений выше износостойкости

0

элементов, изготовленных по прототипу, а также выпускаемых пррмышленнй стьнэ в настоящее время. s Применение указанного способа изготовления алмазныхг полукристаллических элементов для оснащения бурового и лезвийного инструментов за счет увеличения их износостойкости позволит сократить расход алмазных порошков на .55%.

Ф о р м у;л а и з о б р е те н и я

Сравнительные данные по износостойкости алмазных поликристаллических элементов для оснащения бурового ,.:;,-; ;: и лезвийного инструментов

. ;- , - -«Ј s PSiif K. Ј,:;-V:сками, спрессованными из смеси; содержащей 10-93 мас.% магния и 7-90 мас,% графита или из смеси, содержащей 15-35 мае. % 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 п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что перед спеканием алмазный порошок очищают от диоксида кремния.