Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал
A new ultrahard polycrystalline diamond-based composite material (UHM) has been developed using a combination of high-pressure high-temperature (HPHT) sintering technique and chemical vapor deposition (CVD) of diamond. The CVD diamond rods incorporated in a sintered polycrystalline matrix form t...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21776 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал / А.А. Шульженко, Е.Е. Ашкинази, А.Н. Соколов, В.Г. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.И. Конов, Л.И. Александрова, Р.К. Богданов, А.П. Закора, В.Н. Ткач, Н.И. Заика, И.И. Власов, И.А. Артюков, Ю.С. Петронюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 143-153. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21776 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шульженко, А.А. Ашкинази, Е.Е. Соколов, А.Н. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.Г. Конов, В.И. Александрова, Л.И. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Ткач, В.Н. Заика, Н.И. Власов, И.И. Артюков, И.А. Петронюк, Ю.С. 2011-06-17T11:59:35Z 2011-06-17T11:59:35Z 2009 Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал / А.А. Шульженко, Е.Е. Ашкинази, А.Н. Соколов, В.Г. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.И. Конов, Л.И. Александрова, Р.К. Богданов, А.П. Закора, В.Н. Ткач, Н.И. Заика, И.И. Власов, И.А. Артюков, Ю.С. Петронюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 143-153. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21776 621.921.34:621.921.34–413:621.923.4:662.23.05 A new ultrahard polycrystalline diamond-based composite material (UHM) has been developed using a combination of high-pressure high-temperature (HPHT) sintering technique and chemical vapor deposition (CVD) of diamond. The CVD diamond rods incorporated in a sintered polycrystalline matrix form the reinforced material. The hardness of HPHT-treated (p = 8 GPa, T = 1570 K) polycrystalline CVD diamond is found to strongly increase up to 140 GPa from initial (for virgin sample) value of 77 GPa. Drilling tools made of UHM showed 6–14 times less wear rate against the korostyshev grainite (XI drilling category) in comparison with standard AKTM tools. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| spellingShingle |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал Шульженко, А.А. Ашкинази, Е.Е. Соколов, А.Н. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.Г. Конов, В.И. Александрова, Л.И. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Ткач, В.Н. Заика, Н.И. Власов, И.И. Артюков, И.А. Петронюк, Ю.С. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title_short |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| title_full |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| title_fullStr |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| title_full_unstemmed |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| title_sort |
новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал |
| author |
Шульженко, А.А. Ашкинази, Е.Е. Соколов, А.Н. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.Г. Конов, В.И. Александрова, Л.И. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Ткач, В.Н. Заика, Н.И. Власов, И.И. Артюков, И.А. Петронюк, Ю.С. |
| author_facet |
Шульженко, А.А. Ашкинази, Е.Е. Соколов, А.Н. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.Г. Конов, В.И. Александрова, Л.И. Богданов, Р.К. Закора, А.П. Ткач, В.Н. Заика, Н.И. Власов, И.И. Артюков, И.А. Петронюк, Ю.С. |
| topic |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
A new ultrahard polycrystalline diamond-based composite material (UHM) has been developed using a combination of high-pressure high-temperature (HPHT) sintering technique and
chemical vapor deposition (CVD) of diamond. The CVD diamond rods incorporated in a sintered
polycrystalline matrix form the reinforced material. The hardness of HPHT-treated (p = 8 GPa, T
= 1570 K) polycrystalline CVD diamond is found to strongly increase up to 140 GPa from initial
(for virgin sample) value of 77 GPa. Drilling tools made of UHM showed 6–14 times less wear rate
against the korostyshev grainite (XI drilling category) in comparison with standard AKTM tools.
|
| issn |
XXXX-0065 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21776 |
| citation_txt |
Новый ультратвердый поликристаллический композиционный материал / А.А. Шульженко, Е.Е. Ашкинази, А.Н. Соколов, В.Г. Гаргин, В.Г. Ральченко, В.И. Конов, Л.И. Александрова, Р.К. Богданов, А.П. Закора, В.Н. Ткач, Н.И. Заика, И.И. Власов, И.А. Артюков, Ю.С. Петронюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 143-153. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šulʹženkoaa novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT aškinaziee novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT sokolovan novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT garginvg novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT ralʹčenkovg novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT konovvi novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT aleksandrovali novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT bogdanovrk novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT zakoraap novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT tkačvn novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT zaikani novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT vlasovii novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT artûkovia novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial AT petronûkûs novyiulʹtratverdyipolikristalličeskiikompozicionnyimaterial |
| first_indexed |
2025-11-25T22:40:35Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:40:35Z |
| _version_ |
1850568584049197056 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
143
2. Порошки и пасты из синтетических алмазов / Ю. И. Никитин, С. М. Уман, Л. В. Ко-
берниченко, Л. М. Мартынова. – К.: Наук. думка, 1992. – 284 с.
3. Никитин Ю. И. Технология изготовления и контроль качества алмазных порошков. –
К.: Наук. думка, 1984. – 264 с.
4. ДСТУ 3292-95. Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови. Увед. 01.01.96.
– К.: Держстандарт України, 1995.
5. Патент на винахід 53964. Україна, МПК (2006) G01N 33/40. Спосіб оцінки однорідно-
сті абразивного порошку / М. В. Новiков, Ю. I. Нiкiтiн, Г. П. Богатирьова, Г. А. Пета-
сюк. – Заяв. 29.03.02; Опубл. 15.02.06. Промислова власнicть, Бюл. № 2.
6. Новиков Н. В., Никитин Ю. И., Петасюк Г. А. Компьютеризированные методы нераз-
рушающего контроля прочностных свойств алмазных шлифпорошков // Інструмент.
світ.- 2006. – № 3(31).– С. 4–6.
7. Деклараційний патент на корисну модель 4821. Україна, МПК C01B 31/06. Cпоciб ви-
готовлення шліфпорошків із надтвердих матеріалів / М. В. Новiков, Ю. I. Нiкiтiн, Г.
П. Богатирьова, Г. А. та ін.- Заявл. 27.04.04; Опубл. 15.02.05 Промислова власнicть,
Бюл. № 2.
8. List E., Frenzel J., Vollstadt H. A new system for single particle strength testing of grinding
powders // Industrial diamond review. – 2006. - № 1. – С. 42 – 47.
9. Новиков Н. В., Шепелев А. А.: Современные технологии обработки и инструменты из
сверхтвердых материалов ИСМ НАН Украины в машино- и приборостроении // Ін-
струмент. світ.– 2001.– № 10 –1 1. – С. 10 – 16.
Поступила 15. 05. 2009 г.
УДК 621.921.34:621.921.34–413:621.923.4:662.23.05
А. А. Шульженко1, член-кор. НАН Украины, Е. Е. Ашкинази2, А. Н. Соколов1,
В. Г. Гаргин1, кандидаты технических наук, В. Г. Ральченко2, канд. физ.-мат. наук,
В. И. Конов2, член-кор. РАН, Л. И. Александрова1, Р. К. Богданов1, А. П. Закора1, канди-
даты технических наук, В. Н. Ткач1, канд. физ.-мат. наук, Н. И. Заика1; И. И. Власов2,
И. А. Артюков3, Ю. С. Петронюк4, кандидаты физико-математических наук
1Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
2 Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, г. Москва
3Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, г. Москва
4Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, г. Москва
НОВЫЙ УЛЬТРАТВЕРДЫЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
A new ultrahard polycrystalline diamond-based composite material (UHM) has been devel-
oped using a combination of high-pressure high-temperature (HPHT) sintering technique and
chemical vapor deposition (CVD) of diamond. The CVD diamond rods incorporated in a sintered
polycrystalline matrix form the reinforced material. The hardness of HPHT-treated (p = 8 GPa, T
= 1570 K) polycrystalline CVD diamond is found to strongly increase up to 140 GPa from initial
(for virgin sample) value of 77 GPa. Drilling tools made of UHM showed 6–14 times less wear rate
against the korostyshev grainite (XI drilling category) in comparison with standard AKTM tools.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
144
Введение
Как известно, твердость является одним из определяющих свойств материалов инст-
рументального назначения, характеризующих способность материала сопротивляться пла-
стической деформации [1].
Экспериментально твердость оценивают чаще всего по размеру отпечатка в материале
при вдавливании в него индентора с определенной нагрузкой и скоростью нагружения. Сле-
довательно, твердость является характеристикой прочности материала в условиях сложнона-
пряженного состояния, возникающего при внедрении индентора и сопровождающегося
большими пластическими деформациями в зоне испытания, и связана, как с механическими
свойствами – упругостью, пределами прочности и текучести, так и с термодинамическими
характеристиками веществ - энергиями кристаллической решетки, разрыва химических свя-
зей, поверхностной, а также теплотой плавления.
Высокие темпы развития материаловедения во второй половине прошлого века спо-
собствовали созданию большого количества высокотвердых материалов, в связи с чем воз-
никла необходимость классификации этих материалов. Так к высокотвердым материалам
предлагается относить материалы с твердостью 5–20 ГПа, т. е. твердость которых превышает
твердость металлов, а к сверхтвердым – материалы, твердость которых превышает твердость
природного корунда (20 ГПа) [2].
В результате изучения особенностей формирования материалов с высокими физико-
механическими характеристиками, применения новейших технологий – техники сверхвысо-
ких давлений (> 15 ГПа) [3], использования материалов наноструктурного диапазона [4],
специальных методов воздействия на материал [5, 6] –существенно пополнился перечень
сверхтвердых материалов, в том числе были получены материалы, твердость которых пре-
вышает твердость монокристаллов природного алмаза.
На основании анализа состояния проблемы, проведенного на Первом международном
совещании по сверхтвердым материалам (Франция, 2003), было предложено относить к
сверхтвердым материалы твердостью более 40 ГПа, к ультратвердым – твердостью более 70–
80 ГПа [7]. По нашему мнению, такое разделение недостаточно обосновано. Во-первых, при
таком подходе из разряда сверхтвердых выпадают многие поликристаллические композици-
онные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора, например амборит и кибо-
рит, которые традиционно относились к сверхтвердым материалам. Во-вторых, физические
теории твердого тела на сегодняшний день не в состоянии описать твердость различных ма-
териалов из-за неопределенного многообразия факторов, от которых она зависит. Поэтому
понятие «твердость» без указания метода и условий измерения является неопределенным.
Под этим понятием подразумевают не физическую постоянную, характеризующую матери-
ал, а одну из величин, измеренную одним из методов и зависящую не только от материала,
но и от условий и метода измерения [8].
По нашему мнению к сверхтвердым следует относить материалы твердостью 20–120
ГПа, т. е. твердость которых превышает твердость природного корунда и может достигать
твердости грани (111) монокристаллов природного алмаза, ультратвердыми – материалы
твердостью более 120 ГПа. Причем, указанные значения должны быть измерены пирамидой
Виккерса при нагрузке на индентор 9,8 Н.
Цель настоящей работы – исследовать свойства разработанного совместно ИСМ НАН
Украины и ИОФ РАН нового гибридного поликристаллического композиционного ультра-
твердого материала (УТМ) на основе армирования поликристаллического алмазного компо-
зита (АКТМ [9]) поликристаллическим алмазом, который выращивается методом осаждения
из газовой фазы (CVD-алмазом). Таким образом, в основе изготовления рассматриваемого
УТМ лежит комбинация техники высоких давлений и CVD-метода.
Актуальность работы заключается в следующем. Как известно, композиционные
сверхтвердые материалы на основе поликристаллических PCD-алмазов широко применяют
при изготовлении режущего и бурового инструмента (долот, коронок, резцов) [10, 11]. CVD-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
145
алмаз, приближающийся по свойствам к совершенным монокристаллам алмаза [12], также
все шире применяют как инструментальный материал, в частности, как покрытие на вставках
режущего инструмента. Разнообразные режущие и сверлильные инструменты, в частности
буровые головки, развертки, зенковки с CVD-алмазными покрытиями, в настоящее время
доступны для механической обработки цветных металлов, пластмасс и композиционных ма-
териалов. Однако существуют технологические препятствия на пути получения эффективно-
го инструмента на основе CVD-алмаза. Во-первых, это характерный для алмаза как такового
и CVD-алмаза в частности низкий коэффициент теплового расширения. Во-вторых, это ани-
зотропия свойств поликристаллических CVD-алмазов, обусловленная колончатым строением
кристаллитов. Эти факторы при изготовлении инструмента традиционными способами на
основе CVD-алмаза и его эксплуатации часто приводят к возникновению опасных термона-
пряжений в материале, которые ведут к его разрушению.
Указанные препятствия в значительной степени были преодолены при разработке но-
вого способа спекания [13] гибридного ультратвердого поликристаллического композицион-
ного материала, армированного CVD-алмазом, периметр которого частично или полностью в
условиях высокого давления и температуры покрыт оболочкой из АКТМ, со связями типа
«алмаз–алмаз» между зернами алмаза в композите и элементом армирования и диспергиро-
ванием в пространстве между ними активирующей добавки.
В настоящей работе обсуждаются результаты элементного анализа, исследования
структуры и физико-механических свойств CVD-армированного ультратвердого поликри-
сталлического композиционного материала, а также его практическое применение в качестве
вооружения породоразрушающего инструмента.
Материалы и методики экспериментов
В качестве исходных материалов использовали алмазный микропророшок АСМ 40/28
[14], монокристаллы синтетического алмаза и пластины поликристаллического CVD-алмаза,
полученного в ИОФ РАН методом осаждения в СВЧ плазме в смесях метан–водород [15].
Бруски размером 4×0,9×0,5 мм поликристаллического CVD-алмаза, которые использовали в
экспериментах, показаны на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид пластинок CVD-алмаза
Спекание нового УТМ проводили в многопозиционной матрице, которая была спрес-
сована из чешуйчатого графита с частичками линейным размером 0,5–1,0 мм и толщиной
около 1 мкм. Матрица имела диаметр 18 мм и высоту 5 мм с цилиндрическими гнездами
диаметром 4,5 мм, в которые засыпали алмазный микропророшок АСМ 40/28. Далее на по-
верхность алмазной массы укладывали пластинку из поликристаллического CVD-алмаза
(или монокристалл синтетического алмаза) и вдавливали ее пуансоном в алмазную массу.
Для формирования пропитывающего слоя приготовили смесь из порошка кремния с
частицами размером менее 100 мкм, чешуйчатого графита и алмазного нанопорошка с час-
тицами размером менее 0,01 мкм. Однородность смеси обеспечивали смешиванием компо-
нентов в шаровой мельнице. Из полученной смеси спрессовали диски, закрывающие гнезда
матрицы, в которых размещалась алмазная масса с пластинкой CVD-алмаза. Матрица помес-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
146
тили в ячейку высокого давления. Материал спекали в аппарате высокого давления типа «то-
роид» с диаметром центрального углубления 30 мм.
Спекание осуществляли в два этапа [16].
На первом этапе содержимое многопозиционной матрицы подвергали баротермиче-
ской обработке при давлении 8 ГПа и температуре 1170 К в течение 50 с. Затем температуру
повышали до температуры плавления кремния при заданном давлении (1570 К) и выдержи-
вали содержимое матрицыв течение 90 с.
После спекания поверхность полученных образцов композиционного материала на
основе PCD- и CVD-алмаза диаметром 4 мм и высотой 4,5 мм подвергали химической обра-
ботке в целях очистки от остатков графита.
Элементный анализ полученного материала выполняли с помощью растрового элек-
тронного микроскопа ZEISS EVO 50XVP фирмы «ZEISS», укомплектованного энергодис-
персионным анализатором рентгеновских спектров INCA450 с детектором INCAPentаFETx3
с рабочей площадью Si(Li) детектора 30 мм2 и системой HKL CHANNEL-5 для дифракции
отраженных электронов фирмы «OXFORD» [17].
В качестве метода неразрушающего исследования внутренней трехмерной структуры
CVD-алмазов, армированных АКТМ, впервые применили рентгеновскую микротомографию
(РМТ) [18]. Сканирование производили микротомографом SKYSCAN 1074 в следующих
условиях: напряжении на аноде U = 40 кВ (вольфрамовый анод), силе тока на аноде I – 1 мА,
шагу по углу – 0,9, продолжительности экспозиции – 0,24 с, пространственном разрешении
по объекту – около 20 мкм. Мягкий рентгеновский спектр обеспечивает необходимые кон-
трастно-пространственные характеристики при исследовании сравнительно легких углерод-
содержащих материалов. Результаты томографических исследований, представляя полезную
информацию об объемном распределении различных соединений и неоднородностей в теле
образца, дополняют другие аналитические методы. В томограмме использовали разделение
цветов по трем градациям плотности, различающимся приблизительно на 20 % (более тем-
ный цвет означает большую рентгеновскую плотность).
Упругие свойства композитов и CVD-алмаза иследовали методом акустической мик-
роскопии [19]. Этот метод позволяет измерять задержки ультразвуковых эхоимпульсов, от-
раженных от передней поверхности и дна образца; тем самым определяется скорость звука cL
в образце при известной его толщине. При этом использовался импульсный сканирующий
акустический микроскоп с длиннофокусной акустической линзой: угол раскрытия линзы в
воде, которую применяли в качестве иммерсионной жидкости, составлял 11; диаметр фо-
кальной перетяжки соответствовал, приблизительно, 60 мкм. Измерения объемных свойств
выполняется на частоте 50-100 МГц, что позволяет определить величину скорость звука в
материале с точностью до 0,5 км/с.
Локальные спектры комбинационного рассеяния (КР) света образцов снимали на ус-
тановке LABRAM HR в геометрии рассеяния назад (длина волны возбуждающего излучения
Ar+ лазера – 488 нм, диаметр лазерного пятна на поверхности образца – около 1 мкм).
Для исследования физико-механических свойств образцы с помощью пластмассы за-
крепляли в металлической оболочке и изготавляли шлифы последовательным шлифованием
свободным абразивом (микропорошками алмаза) их торцевой поверхности.
Твердость УТМ определяли микротвердомером ПМТ, используя в качестве индентора
алмазную пирамиду Виккерса [20]. Твердость определяли по общепринятой формуле HV =
1,8544 2d
P , где Р – нагрузка на индентор; d – среднее арифметическое двух диагоналей отпе-
чатка. Твердость измеряли при нагрузке на индентор 4,9 и 9,8 Н. Размер диагоналей отпечат-
ка измеряли с помощью оптического микроскопа « Неофот» при увеличении 800×.
Выбранный диапазон нагрузки на индентор при измерении твердости можно считать
оптимальным, поскольку при использовании обеих нагрузок на индентор была получена
практически одинаковая твердость, к тому же при внедрении индентора испытуемый мате-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
147
риал не разрушался, о чем свидетельствовало отсутствие трещин в углах отпечатков, остав-
ленных индентором. При измерении твердости особое внимание уделяли состоянию верши-
ны алмазной пирамиды, которое оценивали по результатам измерения отпечатков на полиро-
ванной поверхности эталонных образцов из металлического вольфрама твердостью около 4
ГПа. После каждых трех измерений твердости исследуемых образцов на эталонный образец
наносили отпечаток. Размеры диагоналей образца сравнивали с теми, которые имели отпе-
чатки, оставленные на эталонном образце алмазной пирамидой после ее изготовления. В
случае отклонения размера диагоналей отпечатка от начального более чем на 3 % алмазную
пирамиду переограняли. В процессе измерения твердости в использованном диапазоне на-
грузок на индентор не были отмечены случаи разрушения индентора.
Износостойкость породоразрушающего элемента, оснащенного гибридным поликри-
сталлическим УТМ, исследовали при точении на токарно-винторезном станке модели ДИП-
200 коростышевского гранита XI категории буримости. Этот гранит характеризуется ста-
бильными свойствами, высокой твердостью и абразивностью. При этом использовали специ-
альное оснащение для закрепления керна горной породы в виде разрезного цилиндра и ста-
кана, а также специальное приспособление для закрепления исследуемого породоразрушаю-
щего элемента в резцедержателе на основе сверлильного патрона. Исследуемый породораз-
рушающий элемент закрепляли в патроне специального приспособления и подводили к по-
верхности керна горной породы, где и осуществлялся врезание и дальнейшее точение.
Износ по массе породоразрушающих элементов измеряли электронными весами типа
Sartorius.
Параметры режима точения были следующие: частота вращения – 355 мин-1, глубина
врезания – 1,0 мм.
Контролируемые параметрами служили глубина врезания (с точностью до 0,05 мм) и
время точения (с точностью до 1 с).
Интенсивность изнашивания I (мг/м) определяли как отношение потери массы поро-
доразрушающего элемента Δm = mн – mк к величине проходки на вставку L, где mн и mк (мг)
– масса образца соответственно до и после испытаний:
mI
L
,
где
60
DnL t
; (D – диаметр керна, м; n – частота вращения шпинделя станка, мин -1; t – про-
должительность точения, мин).
Результаты
Внешний вид рабочей поверхности опытных образцов гибридного поликристалличе-
ского УТМ с армирующими вставками из CVD-алмаза и монокристалла синтетического ал-
маза показаны на рис. 2.
а б в
Рис. 2. Внешний вид опытных образцов гибридного поликристаллического УТМ с армирую-
щими вставками из CVD-алмаза (а – вид сверху; б – вид сбоку) и монокристалла синтетиче-
ского алмаза (в)
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
148
Представление о внутреннем строении образца дает трехмерная модель УТМ в виде
набора трех взаимно перпендикулярных сечений (диаметрального, сагиттального и мери-
дионального), построенная по результатам томографических исследований (рис. 3).
Рис. 3. Трехмерное изображение образца УТМ, полученное методом рентгеновской микро-
томографии (диаметральное, сагиттальное и меридиональное сечения).
Область светлого контраста – пластина CVD-алмаза.
Характерной особенностью PCD-оболочки гибридного ультратвердого поликристал-
лического композиционного материала является наличие непрерывного жесткого каркаса из
сросшихся зерен алмаза, который формируется в области его термодинамической стабильно-
сти. Зерна, составляющие каркас, – это, по сути, монокристаллы алмаза, объединяющие уни-
кальные физико-механические и теплофизические свойства. Насколько эти свойства реали-
зуются в поликристалле зависит от степени связи «алмаз–алмаз». Основную роль в этом
процессе играет пластическая деформация частиц материала, формирующего оболочку. Для
эффективной консолидации частиц в материалах с ковалентными связями (классическим
представителем которых является алмаз) путем пластической деформации необходимы вы-
сокое давление и температура, соответствующие термодинамической стабильности этих ма-
териалов [21].
При изготовлении гибридного поликристаллического УТМ учитывали следующий
важный факт. Температура начала пластической деформации для микропорошков алмазов
составляет 1220 К при давления 6 ГПа [22]. Расчетно было показано, что при спекании дав-
ление в точках контакта алмазных зерен может достигать 130 ГПа. В то же время в порах
между частицами алмаза давление при спекании значительно ниже, что является причиной
образования в них графита или аморфного углерода [21]. Для преодоления этого нежела-
тельного эффекта необходимо использовать активирующие процесс спекания добавки.
Во-первых, активирующая добавка за счет химического взаимодействия препятствует
процессам взаимодействия с кислородом, ведущим к образованию летучих оксидов, вследст-
вие чего повышается пористость материала. Во-вторых, взаимодействуя с другими примеся-
ми (в частности, с графитом или аморфным углеродом), активирующая добавка существенно
снижает их негативное влияние на физико-механические свойства каркаса. При этом также
уменьшается количество пор. Кроме того, активирующая добавка способствует снижению
температуры начала пластической деформации на контактах зерен, что обеспечивает повы-
шение прочности поликристаллического каркаса, и ускоряет диффузионные процессы в зоне
контакта зерен алмаза, в следствие чего создаются прочные связей «алмаз–алмаз».
В настоящей работе используемый в качестве активирующей добавки кремний, взаи-
модействуя с графитом или аморфным углеродом в порах образует карбид кремния. Созда-
ние дополнительной связи «алмаз–карбид» способствует повышению общей прочности по-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
149
ликристаллической оболочки. Таким образом, при реализации описанного подхода образует-
ся непрерывный жесткий каркас (рис. 4).
Рис. 4. Структура поликристаллической алмазной оболочки: 1 – алмазное зерно; 2 – разру-
шенные мелкие зерна алмаза и карбида кремния
Данные, полученные с помощью электронной микроскопии (рис. 5 и 6), свидетельст-
вуют о том, что при изготовлении УТМ формируемая в условиях термодинамической ста-
бильности алмаза поликристаллическая оболочка и CVD-алмаз представляют собой единое
целое. Поскольку по физическим свойствам составляющие материала близки, при изготов-
лении и эксплуатации инструмента влияние термонапряжений будет значительно ниже, чем
при использовании традиционных материалов на основе CVD-алмаза, что будет способство-
вать повышению эффективности его использования благодаря повышению прочности и тер-
мостабильности и, как следствие, повышению износостойкости.
Рис. 5. Изображение во вторичных электронах гибридного поликристаллического УТМ: 1 –
CVD-алмаз; 2 – алмазное зерно матрицы; 3 – мелкие зерна алмаза и карбида кремния
а б
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
150
в
Рис. 6. Изображение во вторичных электронах гибридного поликристаллического УТМ (а) и
распределение углерода (б) и кремния (в) вдоль выбранного направления (б)
Оценить степень однородности полученного гибридного поликристаллического УТМ
можно также путем изучения упругих свойств композита и CVD-алмаза методом акустиче-
ской микроскопии.
Значения измеренной величины скорости звука приведены в табл. 1. Скорость объем-
ной продольной акустической волны в CVD-алмазе cL = 18,00,5 км/с близка к скорости для
монокристаллов алмаза –17,98±0,1 км/с [23]. В АКТМ скорость звука ниже: 16,00,5 км/с.
Таблица 1. Измеренная методом акустической микроскопии скорость cL продольного
звука в алмазных образцах
Наименование образца Скорость продольных упругих волн сL, км/с
АКТМ 160,5
АКТМ с частицами CVD-алмаза 170,5
CVD-алмаз 180,5
Спектры КР образцов показаны на рис. 7.
а б
Рис. 7. Спектры КР исходного алмазного микропорошка АСМ 40/28 и пластины CVD-алмаза
до спекания (а), и после спекания в гибридный поликристаллический композит УТМ (б)
Спектры КР исходного алмазного микропорошка АСМ 40/28 и пластины CVD-алмаза
вблизи алмазной линии на смещенной частоте 1332,5 см-1 показаны на рис.7, а. Ширина ли-
нии 2,5 см-1, измеренная на полувысоте ее интенсивности, в обоих спектрах свидетельствует
о высоком структурном совершенстве исходных алмазных материалов. Обнаружено, что по-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
151
сле спекания ширина алмазной линии вставки из CVD-алмаза увеличивается до 4 см-1 (рис. 7,
б), что, по-видимому, связано с увеличением концентрации структурных дефектов в этом
материале. Результаты анализа поверхности спеченного микропорошка АСМ в различных
точках образца УТМ методом КР показали сильный разброс ширины алмазной линии от точ-
ки к точке: 2,5–10 см-1. Алмазная линия спеченного микропорошка АСМ шириной 5,5 см-1
показана на рис. 7, б.
Большее увеличение и разброс ширины линий микропорошка по сравнению с CVD-
алмазом объясняется тем, что кроме увеличения структурных дефектов в объеме каждого
кристаллита вблизи границ зерен могут возникать напряжения растяжения и сжатия в ре-
зультате сращивания соседних зерен вдоль границ, ориентированных несимметрично отно-
сительно кристаллографических осей кристаллитов. Такие напряжения существенно зависят
от ориентации кристаллитов, поэтому снеоднородны по спеку и приводят к значительному
уширению алмазной линии.
При спекании алмазных поликристаллов на рентгеновском спектре наблюдается уши-
рение дифракционных линий вследствие пластической деформации зерен в процессе форми-
рования связей «алмаз–алмаз» [24]. Наибольшее уширение наблюдается в поликристаллах,
показавших наименьший износ при испытаниях на износостойкость. Существенное ушире-
ние линий КР в образце УТМ также может свидетельствовать о пластической деформации
алмазных зерен, формирующих жесткий каркас материала. Спекание при более высоком
давлении способствует началу пластической деформации при более низкой температуре, чем
описано в [5, 6].
Оптимальным является использование в качестве рабочей стороны мелкозернистой
(размер кристаллитов порядка 1 мкм) стороны пластины (прилегающей к подложке при син-
тезе алмаза в плазме) [25], поэтому твердость исходной поликристаллической пластины
CVD-алмаза измеряли на этой стороне без ее механической обработки. Измеренная твер-
дость составила 77 ГПа. Испытания на неполированной ростовой крупнозернистой стороне
(размер кристаллитов 60–80 мкм) провести не представлялось возможным ввиду ее сильной
шероховатости.
Твердость этой же пластины (на торцевой поверхности пластины по нормали к на-
правлению роста пленки), заключенной в PCD-оболочку, после воздействия высоким давле-
нием и температурой (р = 8 ГПа, Т = 1570 К), составила соответственно 142 и 139 ГПа при
нагрузке на индентор 4,9 и 9,8 Н, т. е. повысилась в 1,8 раза. Приведенные значения твердо-
сти являются средним результатом трех–пяти замеров, среднеквадратическая ошибка не пре-
вышала 2,5 %. Твердость PCD-оболочки составила порядка 50 ГПа.
Таким образом, твердость пластинки CVD-алмаза, подвергнутой баротермической об-
работке при формировании поликристаллического гибридного УТМ, существенно повыша-
ется. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными, полученными в
[5, 6], где показано, что баротермическая обработка монокристаллов алмаза различного про-
исхождения (природные, синтетические, полученные CVD-методом) при более высокой
температуре (р = 6 ГПа, Т > 1870 К) способствует увеличению их твердости.
Из УТМ изготовили породоразрушающие элементы, которые подвергли испытанию
на износостойкость при точении на токарно-винторезном станке модели ДИП-200 коросты-
шевского гранита XI категории буримости. Для сравнения выбрали породоразрушающие
элементы из АКТМ [9]. Образцы породоразрушающих элементов испытывали при скорости
резания 2,2 м/с, пути точения 1716 м и продолжительности точения 780 с.
Результаты сравнительных испытаний износостойкости породоразрушающих элемен-
тов с различным оснащением приведены в табл. 2.
Как видим, износостойкость породоразрушающих элементов, оснащенных АКТМ,
значительно ниже (в 14 раз), чем оснащенных УТМ. При этом интенсивность изнашивания
выше в 2,34–14,4 раза в зависимости от используемого варианта армирования АКТМ.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
152
Таблица 2. Сравнительные испытания вставок АКТМ при точении коростышевского
гранита XI категории по буримости
Масса вставки, мг Состав породоразрушаю-
щих элементов
начальная конечная
Интенсивность
изнашивания по массе,
мг/м
АКТМ 121,4 107,0 0,0084
УТМ с моно-кристаллом
синтетического алмазом 134,2 128,0 0,0036
УТМ с поли-
кристаллическим CVD-
алмазом
127,2 126,0 0,0006
Выводы
1. Установлено, что пластическая деформация алмазных зерен в процессе формирова-
ния жесткого алмазного каркаса УТМ приводит к уширению линий КР как CVD-алмаза, так
и алмазов в оболочке из АКТМ.
2. Износостойкость породоразрушающих элементов, оснащенных Впервые установ-
лено, что твердость поликристаллического CVD-алмаза, подвергнутого баротермической
обработке (р = 8 ГПа, Т = 1570 К), температура которой значительно ниже, чем в [5, 6], в
процессе формирования поликристаллического гибридного УТМ повышается на 80 %.
4. Гибридным поликристаллическим УТМ, при точении коростышевского гранита XI
категории буримости в 6–14 раз выше, чем элементов, оснащенных неармированным АКТМ.
5. Разработанный УТМ можно использовать в инструментах, работающих при боль-
ших нагрузках, в том числе в буровом инструменте при бурении пород высших категорий
твердости.
Литература
1. Сверхтвердые материалы / И. Н. Францевич, Г. Г. Гнесин, А. В. Курдюмов и др. Под
общ. Ред. Францевича И.Н. – К.: Наук. думка, 1980. – 296 с.
2. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3 т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов
/ Редкол. Н.В. Новиков (отв. ред.) и др. – К.: Наук. думка, 1986. – 280 с.
3. Hitoshi S., Irifune T. Formation mechanism and some properties of superhard nanopolycrys-
talline diamond synthesized by direct conversion sintering // J. Jap. Soc. of Powder and
Powder Metallurgy. – 2006. – 53, N 5. – P. 452–458.
4. Соколов А. Н., Шульженко А. А., Гаргин В. Г. Сверхтвердый наноалмазный композит
инструментального назначения // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об–ва им.
Д.И. Менделеева). – 2006. – 50, № 1. – С. 50–53.
5. Заявка на патент 20030230232 США, МКИ C30B 007/00; C23C 016/27; C30B 021/02;
C30B 028/06; C23C 016/00. Method of making enhanced CVD diamond / R. H. Frushour
and W. Li; Заявлено 18.12.03.
6. Пат. 7115241 США, МКИ C30B 29/04, C01B 31/06. Ultrahard diamonds and method of
making thereof / Russell J. H., Ho-Kwang M., Chih-shiue Y. – 10/889170; Заявлено
13.07.04; Опубл. 03.10.06.
7. Karvankova P., Veprek S. Different Approaches to Extrinsically Superhard Materials // Pro-
ceeding of 1st International Workshop on Advanced Superhard Materials. 10–12 December
2003 / Villetaneuse, France. 2003. CD-ROM. Copyright 2003 LPMTM-CNRS, www-
lpmtm.univ-paris13.fr.
8. Асланян Э. Г. Метрологическое обеспечение измерений твердости // Науч.-техн. ж.
«Измерительная техника» Гос. Ком. РФ по стандартизации и метрологии. – 2005. – №
1 (http://www.tverdomer.ru/about/scientific-publications/izmeritelnaya-tehnika-2005-1).
9. Алмазный поликристаллический материал для оснащения бурового инструмента /
А.А. Шульженко, Р.К. Богданов, В.Г. Гаргин и др. // Породоразрушающий и металло-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
153
обрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения:
Сб. науч. тр. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2007. – Вып. 10. – С. 189-196.
10. Влияние свойств микропорошков алмаза на прочность и долговечность изготовлен-
ных на их основе поликристаллических сверхтвердых материалов / М. Г. Лошак, А. А.
Шульженко, Л. И Александрова. и др. // Породоразрушающий и металлообрабаты-
вающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. на-
уч. тр. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008. – Вып. 11. – С. 174–179.
11. Износостойкость и термостабильность алмазных поликристаллических композицион-
ных материалов / А. А. Шульженко, А. В. Ножкина, Р. К. Богданов и др. // Породораз-
рушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изго-
товления и применения: сб. науч. тр. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008.
– Вып. 11. – С. 237–242.
12. Ральченко В. Г., Конов В. И., Леонтьев И. А. Свойства и применение поликристалли-
ческих алмазных пластин // 7-я междунар. науч.-техн. конф. «Высокие технологии в
промышленности России»,: Сб. тр. – М.: Изд-во МГУ. – 2001. – С. 246–253.
13. Позитивне рішення по заяв. на корис. мод., № u 2008 14576 Україна. Надтвердий
матеріал / О. О. Шульженко, О. М. Соколов, В. Г. Гаргін та ін. – Подана 18.12. 08; Вх.
№ 517695.
14. ДСТУ 3292-95. Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови. – К.: Держста-
ндарт України, 1995. – 72 с.
15. Ральченко В. Г., Ашкинази Е. Е. Условия синтеза, абразивная и лазерная обработка
поликристаллического CVD-алмаза // Інструмент. світ. – 2005. - № 3. – С. 14–18.
16. Пат. на корис. мод., № 21897 Україна МПК CO1 B 31/06, CO1 B 31/04, CO1 B 33/025,
CO4 B 35/52, CO4 B 35/573. Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі
алмазу / О. О. Шульженко, В. Г. Гаргін, Н. О. Русінова. – Опубл. 10.04.07, Бюл. № 4.
17. Центр колективного користування науковими приладами (ЦККП) «Скануюча елект-
ронна мікроскопія і мікроаналіз (СЕММА)». – http://www.ism.kiev.ua/site/
tools/russ/center2.html.
18. , X-Ray Tomography of Growing Silica Gel with a Density Gradient / N. G. Borisenko, A.
A. Akunets, I. A. Artyukov et al. //Fusion Science and Technology – 2009. – 55, N4. – P.
477–483.
19. Levin V.M., Petronyuk Yu.S., Ponevazh I.V. Interaction of short pulses of focused ultra-
sound with interfaces and planeparallel objects, in Acoustical Imaging, Vol.27, Edited by
W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York,
2004. P. 69–76.
20. Глазов В. М., Вигдорович В. Н. Микротвердость металлов и полупроводников. – М.:
Металлургия, 1969. – 248 с.
21. Поликристаллические материалы на основе алмаза / А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин,
В.А. Шишкин, А.А. Бочечка; Отв. ред. Н.В. Новиков. – К.: Наук. думка, 1989. – 192 с.
22. Шульженко А. А., Соколов А. Н. Синтез специальных сверхтвердых материалов // Тр.
Междунар. акаде. «Контенант». Рос. отде. Т. 2. Формообразование оптических по-
верхностей. – М.: Контенант, 2005. – С. 41–84.
23. Elastic, mechanical, and thermal properties of nanocrystalline diamond films / J. Philip, P.
Hess, T. Feygelson et. al. // J. Appl. Phys. – 2003. – 93, N 4. – P. 2172–2177.
24. Синтез алмазов / Н. В. Новиков, Д. Д. Федосеев, Ф. А. Шульженко, Г. П. Богатырева;
Под ред. Н. В. Новикова – К.: Наук. думка, 1987. – 160 с.
25. Пат. 5667344 США, МКИ B23B 27/20, B23C 5/10, 23D 35/00. CVD diamond cutting
tools with oriented crystal grain boundaries / M. A. Simpson, R. A. Hay, S. J Brox.; Заявл.
27.09.96; Опубл. 16.09.97.
Поступила 22.05.09
|