Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов

Приведено обоснование актуальности решения проблемы получения высококачественных и эффективных инструментальных композитов, содержащих сверхтвердые материалы. Освещены вопросы влияния кратковременного высокотемпературного лазерного нагрева на физико-химические процессы, протекающие на поверхности ал...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Головко, Л.Ф., Анякин, Н.И., Эхсан, О., Новиков, Н.В., Шепелев, А.А., Сороченко, В.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2008
Series:	Автоматическая сварка
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99977
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов / Л.Ф. Головко, Н.И. Анякин, О. Эхсан, Н.В. Новиков, А.А. Шепелев, В.Г. Сороченко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 15-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99977
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-999772025-02-23T18:28:41Z Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов Application of laser technology for sintering of the tool composites containing diamonds Головко, Л.Ф. Анякин, Н.И. Эхсан, О. Новиков, Н.В. Шепелев, А.А. Сороченко, В.Г. Научно-технический раздел Приведено обоснование актуальности решения проблемы получения высококачественных и эффективных инструментальных композитов, содержащих сверхтвердые материалы. Освещены вопросы влияния кратковременного высокотемпературного лазерного нагрева на физико-химические процессы, протекающие на поверхности алмазов и в зоне их контакта со связками. Представлены результаты изучения тепловых процессов, протекающих в композиционном материале при лазерном скоростном нагреве, и физико-механических свойств связок алмазосодержащих композитов. Предложен новый способ термодеформационного лазерного спекания и различные схемы его реализации. The paper gives a substantiation of the urgency of solving the problem of producing high-quality and effective tool composites, containing superhard materials. Issues of the influence of short-term high-temperature laser heating on the physico-chemical processes running on diamond surface and in the zone of their contact with the binders are described. Results of studying the thermal processes running in a composite material at high-speed laser heating and physico-mechanical properties of binders of diamond-containing composites are given. A new method of thermodeformational laser sintering and different schematics of its implementation are proposed. 2008 Article Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов / Л.Ф. Головко, Н.И. Анякин, О. Эхсан, Н.В. Новиков, А.А. Шепелев, В.Г. Сороченко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 15-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99977 621.375.826 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Головко, Л.Ф. Анякин, Н.И. Эхсан, О. Новиков, Н.В. Шепелев, А.А. Сороченко, В.Г. Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов Автоматическая сварка
description	Приведено обоснование актуальности решения проблемы получения высококачественных и эффективных инструментальных композитов, содержащих сверхтвердые материалы. Освещены вопросы влияния кратковременного высокотемпературного лазерного нагрева на физико-химические процессы, протекающие на поверхности алмазов и в зоне их контакта со связками. Представлены результаты изучения тепловых процессов, протекающих в композиционном материале при лазерном скоростном нагреве, и физико-механических свойств связок алмазосодержащих композитов. Предложен новый способ термодеформационного лазерного спекания и различные схемы его реализации.
format	Article
author	Головко, Л.Ф. Анякин, Н.И. Эхсан, О. Новиков, Н.В. Шепелев, А.А. Сороченко, В.Г.
author_facet	Головко, Л.Ф. Анякин, Н.И. Эхсан, О. Новиков, Н.В. Шепелев, А.А. Сороченко, В.Г.
author_sort	Головко, Л.Ф.
title	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
title_short	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
title_full	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
title_fullStr	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
title_full_unstemmed	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
title_sort	применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99977
citation_txt	Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов / Л.Ф. Головко, Н.И. Анякин, О. Эхсан, Н.В. Новиков, А.А. Шепелев, В.Г. Сороченко // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 15-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT golovkolf primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT anâkinni primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT éhsano primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT novikovnv primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT šepelevaa primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT soročenkovg primenenielazernojtehnologiidlâspekaniâalmazosoderžaŝihkompozicionnyhmaterialov AT golovkolf applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds AT anâkinni applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds AT éhsano applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds AT novikovnv applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds AT šepelevaa applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds AT soročenkovg applicationoflasertechnologyforsinteringofthetoolcompositescontainingdiamonds
first_indexed	2025-11-24T10:54:28Z
last_indexed	2025-11-24T10:54:28Z
_version_	1849668842417029120
fulltext	УДК 621.375.826 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СПЕКАНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Л. Ф. ГОЛОВКО, д-р техн. наук, Н. И. АНЯКИН, канд. техн. наук, О. ЭХСАН, инж. (НТУУ «Киевский политехнический институт»), академик НАН Украины Н. В. НОВИКОВ, А. А. ШЕПЕЛЕВ, д-р техн. наук, В. Г. СОРОЧЕНКО, канд. техн. наук (Ин-т сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины) Приведено обоснование актуальности решения проблемы получения высококачественных и эффективных инстру- ментальных композитов, содержащих сверхтвердые материалы. Освещены вопросы влияния кратковременного вы- сокотемпературного лазерного нагрева на физико-химические процессы, протекающие на поверхности алмазов и в зоне их контакта со связками. Представлены результаты изучения тепловых процессов, протекающих в ком- позиционном материале при лазерном скоростном нагреве, и физико-механических свойств связок алмазосодержащих композитов. Предложен новый способ термодеформационного лазерного спекания и различные схемы его реализации. К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерное спекание, композиционные материалы, алмазы, связки, инструменты, моделирование, износостойкость Характерным для развития современного маши- ностроительного производства является создание металлообрабатывающих технологических комп- лексов, которые позволяют с помощью одного или нескольких универсальных инструментов изго- тавливать детали разной формы и размеров, осу- ществляя при этом полный цикл механической обработки. Такие инструменты должны иметь вы- сокую режущую способность и большой период стойкости. Кроме того, для реализации оптималь- ной кинематики резания они должны иметь дос- таточно сложную форму (шар, эллипсоид, гипер- болоид, тор и др.) и определенную геометрию режущих элементов. Таким требовани- ям могут удовлетворять инструменты, изготовленные из специальных сверх- твердых композиционных материалов. Основными задачами технологии из- готовления инструментов из сверхтвер- дых материалов (СТМ), в том числе и алмазных, является получение необхо- димой формы и размеров, обеспечение прочного закрепления на рабочих по- верхностях абразивных зерен, придание им режущей способности, которая дол- жна непрерывно сохраняться в процессе работы. К настоящему времени известны раз- личные способы изготовления инстру- ментов такого типа (рис. 1) [1–3]. При- веденные технологии различаются спо- собами формообразования режущих по- верхностей, способами закрепления аб- разивных зерен, видами материалов свя- зок. Любой из перечисленных способов имеет свои преимущества и недостатки, области целесо- образного применения. Анализируя состояние технологий производ- ства алмазосодержащих инструментов в целом, следует отметить, что они имеют весьма невы- сокую производительность. Спрос мирового рын- ка значительно превышает возможности самого современного производства алмазного инстру- мента, в частности, тонких отрезных кругов. При изготовлении алмазного инструмента применяют ограниченное количество связок, содержащих в качестве основы только легкоплавкие компонен- ты с температурой плавления не выше 700 °С. Это существенно ограничивает возможности его оптимального использования при обработке ши- © Л. Ф. Головко, Н. И. Анякин, О. Эхсан, Н. В. Новиков, А. А. Шепелев, В. Г. Сороченко, 2008 Рис. 1. Способы изготовления инструментальных композитов 8/2008 15 рокой гаммы конструкционных материалов, ощу- тимо различающихся по твердости, химическому составу и другим характеристикам. Кроме того, такие связки недостаточно прочно удерживают зерна алмазов, что ограничивает производитель- ность резания, стойкость инструментов, способ- ствует повышению расхода алмазов, стоимости обработки. С уменьшением толщины алмазосо- держащего слоя проблема усугубляется, посколь- ку при этом резко снижается его прочность. Су- ществующие способы изготовления инструмен- тальных композитов не позволяют управлять рас- положением зерен алмазов, тем более создавать однорядные, многослойные инструменты. Наиболее перспективным и эффективным спо- собом изготовления упомянутых выше универсаль- ных инструментов является способ послойного ла- зерного спекания порошковых композитов. Как источник нагрева лазерное излучение име- ет ряд значительных преимуществ. Оно позволяет за счет высокой скорости бесконтактного введе- ния энергии в материал и ее прецизионного до- зирования осуществлять сверхскоростной нагрев локальных областей материалов в широком ди- апазоне температур. Это дает возможность, во- первых, использовать при спекании значительно более широкий спектр связок, в том числе и таких, которые требуют температур нагрева, значитель- но превышающих предельные, например, соответ- ствующие началу окисления алмазов, во-вторых, обеспечить металлургическую связь между алма- зоносным слоем и стальным корпусом инстру- мента, что обусловливает повышение его проч- ностных характеристик. Высокая локальность процесса позволяет послойно формировать одно- или многорядные алмазосодержащие рабочие эле- менты и таким образом получать инструменты практически любой конфигурации, достаточно легко управлять концентрацией составляющих композитов, осуществлять термическое упрочне- ние связки, получать структуры, имеющие высо- кую дисперсность. Возможности применения лазерного излуче- ния для спекания материалов изучал ряд авторов [1, 2, 4, 5]. В работах [4, 5] было экспериментально изучено лазерное спекание порошков из никеля, молибдена, карбидов, нитридов и боридов титана на стальной подложке. Лазерное спекание сво- бодно насыпанных металлических и керамичес- ких порошков в твердой фазе [4] пока хороших результатов не дало. Существует чисто теорети- ческая возможность лазерного твердофазного спе- кания при использовании ультрадисперсных на- нопорошков [1]. На сегодня наибольший интерес представляют два процесса лазерного жидкофаз- ного спекания композитов, базирующихся на рас- плавлении легкоплавкой связки или на расплав- лении периферийного слоя отдельных порошинок [1, 5–9]. Данное исследование посвящено изучению влияния лазерного облучения на свойства состав- ляющих алмазосодержащих инструментальных Рис. 2. Схема причинно-следственных связей между основными факторами и параметрами процесса лазерного спекания инструментального композита 16 8/2008 композитов, а также процессов их жидкофазного спекания в условиях сверхскоростного локального нагрева. Моделирование процесса лазерного спека- ния. Структурные и фазовые изменения в иссле- дуемых системах однозначно определяются тем- пературным режимом лазерного нагрева и пос- ледующего охлаждения. Характеристики темпе- ратурного поля (уровень температур, их распре- деление по нагреваемому объему, скорости наг- рева и охлаждения) определяются рядом факто- ров, связанных с источником нагрева, характе- ристиками обрабатываемого материала, условия- ми их взаимодействия. Схема причинно-следс- твенных связей между основными факторами и параметрами процесса лазерного спекания ком- позитов приведена на рис. 2. Для проведения экспериментальных исследо- ваний процесса лазерного спекания композитов из CТМ необходимы данные, отражающие связь характеристик теплового состояния системы «матрица — стальной корпус инструмента — ал- мазосодержащий композит» с основными техноло- гическими параметрами обработки: мощностью из- лучения P (Вт) и ее распределением по облучаемой поверхности P(х, у) (Вт/см2), диаметром пятна фо- кусирования d0 = 2r0 (мм), скоростью относитель- ного движения лазерного луча v (м/мин), частотой f (Гц) и амплитудой сканирования B (мм). Оценку характеристик теплового состояния материалов при действии лазерного излучения проводили на модели, основанной на использо- вании нестационарного нелинейного однородного уравнения теплопроводности в декартовой сис- теме координат X(x, y, z) ∈ R3: cpi(t)ρi(t) ∂t ∂τ = ∂ ∂x ⎛ ⎜ ⎝ λi(t) ∂t ∂x ⎞ ⎟ ⎠ + ∂ ∂y ⎛ ⎜ ⎝ λi(t) ∂t ∂y ⎞ ⎟ ⎠ + + ∂ ∂z ⎛ ⎜ ⎝ λi(t) ∂t ∂z ⎞ ⎟ ⎠ , τ > 0; i = 1,3– , где cpi — теплоемкость; ρi — плотность; λi — коэффициент теплопроводности; t — температу- ра; τ — время. Обобщенная постановка задачи Стефана имеет следующий вид: для связки (i = 1): ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ t < tm – ∆t 2 , λ1(t) = λs, [cp(t)ρ(t)]1 = cpsρs; tm – ∆t 2 ≤ t ≤ tm + ∆t 2 , λ1(t) = λs + λm – λs ∆t (t – tm + ∆t 2 ); [cp(t)ρ(t)] = cpsρs + cpmρm – cpsρs ∆t (t – tm + ∆t 2 ) + Lf ∆t ; t > tm + ∆t 2 , λ1(t) = λm; [cp(t) ρ(t)]1 = cpmρm; для корпуса инструмента (i = 2): λ2(t) = λ2; [cp(t)ρ(t)]2 = cp2ρp2; для матрицы (i = 3): λ3(t) = λ3; [cp(t)ρ(t)]3 = cp3ρp3, где tm — температура плавления; ∆t — интервал сглаживания; λs, cps, ρs — теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность связки в твер- дом состоянии; λm, cpm, ρm — теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность расплава связ- ки; Lf — скрытая теплота фазового перехода 1-го рода связки; λ2, cp2, ρ2 — удельная теплоемкость и плотность материала корпуса инструмента; λ3, cp3, ρ3 — теплопроводность, удельная теплоем- кость и плотность материала матрицы. Примем следующие начальные условия: T(x, y, z) \|τ = 0 = F(x, y, z) = tmedium, где tmedium — температура окружающей среды; граничные условия на внешних поверхностях при τ > 0 –λ ∂t ∂n \| Γ 1 = qr; ∂t ∂n \| Γ 2 = 0r; –λ ∂t ∂n \| Γ 3 = α(t – tmedium); условия на границе контакта Г4 при τ > 0 ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ t \|Γ 4 – = t \|Γ 4 +, –λ– ∂t ∂n \|Γ 4 – + λ+ ∂e ∂m \|Γ 4 +, где n — нормаль к поверхности; qr — плотность мощности; α — коэффициент теплоотдачи; Г1 — облучаемая поверхность; Г2 — поверхность осе- вой симметрии; Г3 — поверхности, контактиру- ющие с внешней средой; Г4 — граница контакта связки и матрицы. Моделирование теплового процесса проводили с помощью программного обеспечения ANSYS 7. Для выполнения расчетов была подготовлена параметрическая программа, в которой приводили все данные о модели: геометрические размеры, теплофизические свойства каждого материала, зо- на температурного влияния, время действия ла- зерного луча. При моделировании были выбраны следующие параметры облучения: мощность из- лучения 1500 Вт; диаметр пятна нагрева 0,7 мм; частота сканирования 200 Гц; амплитуда скани- рования 7 мм; время действия излучения 0,2…1 с. В качестве материалов модели применяли: корпус круга из стали 13Х, корпус матрицы из стали 45; связка на основе стали 12Х18Н10Т. Теп- лофизические характеристики материалов приве- дены в табл. 1. 8/2008 17 В процессе моделирования принимали следу- ющие упрощения: учитывая большую скорость сканирования, не- большую амплитуду и относительно высокую инертность материала к термическому влиянию, считалось, что в каждой точке поверхности ска- нирования (7 0,7 мм) действует источник излу- чения с плотностью мощности 104 Вт/см2; при моделировании для связки (12Х18Н10Т) теплофизические характеристики принимали как для монолита; поглощательная способность материала на протяжении облучения была постоянной; наличие синтетических алмазов в композите не учитывалось. При расчете теплового поля в программе ANSYS использован метод конечных элементов. На стадии деления целостной модели на отдель- ные части, имеющие определенные теплофизи- ческие свойства, модель разбивалась на элемен- тарные тетраэдры. При этом каждому из них прис- ваивался номер, соответствующий материалу с определенными свойствами. По мере приближе- ния к области термического влияния для более точного отображения результатов расчетов шаг разбивки уменьшался. Экспериментальное оборудование и методи- ка проведения исследований. Эксперименталь- ные исследования процессов лазерного спекания композитов из СТМ проводили на специальном технологическом комплексе. В состав комплекса входил мощный электроразрядный CO2-лазер, ус- тройство для транспортирования, фокусирования и контроля параметров излучения, пятикоординатный стол с системой программного управления. Ла- зерное излучение с длиной волны λ = 10,6 мкм и мощностью излучения P = 200…1500 Вт фо- кусировалось плосковыпуклой сферической лин- зой из KCl c фокусным расстоянием F = 300 мм. При этом диаметр пятна фокусирования изменялся в пределах d0 = 0,7…8 мм, скорость перемещения детали относительно луча v = 0,2…4,8 м/мин. Одной из основных задач исследования явля- лось определение максимальных значений тем- ператур сверхскоростного лазерного нагрева раз- личных искусственных и природных алмазов и соответствующих им условий облучения, при ко- торых не наблюдается ухудшения их прочности. Методически данная задача решалась двумя способами — прямым облучением зерен алмазов, расположенных на графитовой подложке (рис. 4, а), и косвенным нагревом алмазов при лазерном оплавлении различных порошковых материалов, которые окружают и контактируют с ними (рис. 4, б, в). После лазерной обработки алмазы подвер- гали испытаниям на статическую прочность по стандартной методике. Изучение влияния лазерного облучения на ха- рактер структуры (твердость, дисперсность, од- нородность, распределение легирующих элемен- тов) проводили на образцах связки композита сис- темы: ПС-12НВК-01–Co–алмаз; ХТН–Co–алмаз. В качестве экспериментальных изучали порош- ковые материалы, которые принципиально раз- личаются основами. ПС-12НВК-01 — материал на основе никеля, который представляет собой механическую смесь порошков: 65 % ПГ-10Н-01 и 35 % WC. ХТН — порошковая смесь на основе нержавеющей стали 12Х18Н10Т с упрочняющими фазами TiВ2 и CrВ2. Химический состав порошков ПГ-10Н-01 и ХТН-23 приведен в табл. 2. Образцы материалов в виде уплотненных слоев порошкового композита устанавливали на столе ком- плекса и обрабатывали на воздухе лазерным излу- чением при разной плотности мощности в пределах 1,4⋅103…1,4⋅104 Вт/см2 и скоростях обработки 0,2…2,0 м/мин. После облучения образцы изучали с применением методов растровой электронной микроскопии и локального рентгеноспектрально- го элементного анализа. Результаты исследований. Искус- ственные алмазы марок АС125 (500/400), АС125 (425/300) и АС160 (400/315), отобранные по 60 штук в партии и разделенные по цвету (желтые и зеленовато-желтые), подвергали ла- зерному облучению. Режимы лазерного нагрева отвечали расчетным, которые планировалось применить для улучше- ния структуры, а также спекания ком- позитов с разными типами связок. Т а б л и ц а 1. Теплофизические характеристики материалов, состав- ляющих композиты Параметр 13Х 45 12Х18Н10Т Теплопроводность, Вт/(см⋅К) 26 30 27,8 Удельная теплоемкость, Дж/(кг⋅К) 0,578 0,662 0,7 Температура плавления, °С 1535 1535 1400 Плотность, ⋅103 кг/м3 7,77…7,85 7,77…7,85 7,9…8,2 Теплота фазового перехода ⋅105, Дж/кг 0,90 1,00 0,80 Рис. 3. Схема физической модели и учитываемые границы (обозначения см. в тексте) 18 8/2008 При прямом облучении искуcственных алма- зов (рис. 4, а), которые частично прозрачны для данной длины волны, прогнозировать количество поглощенной энергии излучения практически не- возможно. Поэтому одновременно зерна алмазов подвергали косвенному скоростному нагреву за счет лазерного оплавления порошков кобальта, ПС-12НВК, ХТН-23, в которые предварительно были помещены искусственные и естественные алмазы (рис. 4, б, в). Результаты испытаний об- лученных алмазов на статическую прочность при- ведены на рис. 5, а. Анализ приведенных данных показывает, что лазерное облучение может в не- которой мере снижать прочность алмазных зерен. В первую очередь это обусловлено появлением трещин, которые возникают на поверхности зерен и распространяются вдоль ребер их огранки. При- чиной появления трещин являются внутренние напряжения алмазов, их дефектность, режим об- лучения (в первую очередь, время). В общем слу- чае можно констатировать, что зерна бездефек- тных и прочных искусственных алмазов при из- бранных режимах лазерного облучения своей прочности практически не теряют (рис. 5, а). На рис. 5, б представлены области режимов облу- чения для различных видов связок, в пределах которых после спекания обеспечивается исходное качество алмазов (рис. 6, а). За пределами этих областей или отсутствует спекание (с левой сто- роны), или наблюдается трещинообразование (рис. 6, б), окисление алмазов (с правой стороны). Изучение алмазных зерен показало, что в про- цессе лазерного облучения они имели хороший тепловой контакт с расплавленным металлом. Подтверждением этому являются данные растро- вой электронной микроскопии (рис. 7, а), наличие Та б л и ц а 2. Химический состав порошковых материалов, мас. % Материал Fe Ni C Cr Ti B Al Si ПГ-10Н-01 3...7 Основа 0,6...1 14...20 — 2,8...4,2 0,8...1,2 4...4,5 ХТН-23 Основа 6...8 — 20...20,5 2,4...2,5 2,5...2,6 — — Рис. 4. Схемы облучения алмазов: а — прямое облучение; б, в — оплавление связки с алмазами соответственно при различном времени экспозиции и перемещающимися относительно лазерного луча: 1 — лазерный луч; 2 — линза; 3, 4 — соответственно алмазы и алмазы, погруженные в связку; 5, 6 — соответственно графитовая и стальная подложка; 7 — связка Рис. 5. Разрушающее усилие для исходных (I) и облученных (II) алмазов: 1 — Wp = 1,7⋅103 Вт/см2; τ = 0,09 с; 2 — 0,6⋅103, 0,15; 3 — 0,4⋅103, 0,18; 4 — 0,2⋅103, 0,24 (а); области опти- мальных режимов лазерного спекания для различных типов связок (б) 8/2008 19 на поверхности алмазных зерен слоя расплавлен- ного кобальта толщиной от 18 до 400 нм, уста- новленное с помощью качественного и количес- твенного микроанализа (рис. 7, б). Поскольку температура плавления кобальта составляет 1450 °С, можно утверждать, что и ал- мазные зерна нагревались до таких же температур. При этом заметного термического разрушения ал- мазов не наблюдалось. Наличие пленки металла свидетельствует также о хорошей смачиваемости алмазов кобальтом, что очень важно для повы- шения прочности механического защемления ал- мазных зерен связкой, а также процессов тепло- передачи. Известно, что жидкий кобальт хорошо растворяет углерод, что может отрицательно ска- зываться на механических свойствах алмазов. Од- нако при таком небольшом времени существова- ния жидкой фазы (10–2…10–3 с) протекание за- метных диффузионных процессов маловероятно. Тем не менее для исключения возможности этого взаимодействия целесообразно кобальт в связках применять вместе с карбидообразующими метал- лами или карбидами, например, карбидом воль- фрама. С помощью лазерного оплавления порош- ков ХТН-23 и ПС-12НВК с алмазами, которые имеют более низкие температуры плавления (1220 и 1320 °С соответственно) также не обнаружено термического разрушения алмазов, потери их прочности. Отмечены единичные случаи образо- вания трещин, которые следует считать резуль- татом исходной дефектности алмазных зерен. Ранее опытами по спеканию системы ПС- 12НВК-01 (100 %) — алмаз при плотности мощ- ности 5,1⋅107…2,0⋅108 Вт/м2, диаметре пучка 3…5 мм и скорости сканирования 0,8 м/мин было установлено растрескивание связки. Поэтому с целью увеличения пластичности композиции на- ми к порошку ПС-12НВК-С1 (10 %) был добавлен кобальт (90 %). При меньшем содержании ко- бальта в данной композиции практически не уда- валось получить брикет композита удовлетвори- тельной прочности. Технологические режимы ла- зерного спекания были следующими: плотность мощности излучения 5,1⋅107…1,4⋅108 Вт/м2, диа- метр пучка 3…5 мм и скорость сканирования 0,8…1,2 м/мин. Таким образом, приведенные выше результаты исследований показали, что для спекания компо- зиции ПС-12НВК-01 (10 %) — Со (90 %) — ал- маз плотность мощности излучения должна быть в пределах 5⋅107 Вт/м2, диаметр пучка 5…6 мм и скорость сканирования 0,8…1,2 м/мин. Режим спекания с плотностью мощности излучения 1,4⋅108 Вт/м2 является «жестким», при котором кобальт интенсивно плавится. Спекание композита системы ХТН (10 %) — Со (90 %) — алмаз выполняли при плотности мощности 5,1⋅107…1,4⋅108 Вт/м2, диаметре пучка 3…8 мм и скорости передвижения теплового ис- точника 0,8…1,2 м/мин. При обработке на вер- хних режимах (Wp = 1,4⋅108 Вт/м2, d0 = 3 мм, v = 0,8 м/мин) порошок композиции расплавлял- Рис. 6. Микроструктура ( 1000) ал- мазного кристалла после лазерного спекания в оптимальной области ре- жимов (а) и за ее пределами с трещи- нами (б) Рис. 7. Микроструктура ( 520) алмазных зерен в зоне контакта со связкой (а) и покрытых пленкой кобальта (б) 20 8/2008 ся. Это внешне проявлялось в значительной по- ристости, которая возникала на границе алмаз – связка. Структура расплавленного материала сос- тоит из зерен кобальта, окруженного со всех сто- рон фазой кобальт–никель, с вкраплениями фазы кобальт–карбид вольфрама. Размеры зерен кобальта изменялись от 5 до 8 мкм. При лазерной обработке содержание кар- бида вольфрама в 2,0…2,5 раза меньше, чем в исходном порошке. По нашему мнению, для ука- занного выше технологического режима (доста- точно жесткого) температура в зоне облучения значительно превышала температуру плавления кобальта. Как следствие, при таких температурах происходило образование трещин на поверхности алмазов. В устье некоторых трещин шириной не менее 1,3 мкм наблюдаются капельки металла. Для того чтобы установить природу этих капель (это исходный расплавленный порошок связки или металл-растворитель алмаза) был выполнен качественный анализ их материала. Установлено, что соотношение железа к кобальту в композите составляет 4,3, а в устье трещины — 1,4 %. Это свидетельствует о том, что в устье трещины на- ходятся металлы-растворители, которые выходят на внешнюю поверхность после образования тре- щины вследствие термического действия на алмаз лазерного излучения. В целом изложенные выше результаты иссле- дований свидетельствуют о том, что и в этом слу- чае, как и при спекании композиции ПС-12НВК (10 %) — кобальт (90 %) — алмаз, плотность мощности излучения должна быть в пределах 5⋅107 Вт/м2, диаметр луча 5…6 мм и скорость сканирования 0,8…1,2 м/мин. Таким образом, лазерное облучение позволяет спекать изученные композиты при отсутствии от- рицательного термического влияния на монокрис- таллы алмазов. Металлографические исследования показали, что после лазерного спекания связка композита из порошковой смеси ХТН имеет высокодиспер- сную структуру (рис. 8, а). Измельченность из- быточных кристаллов упрочняющих фаз (TiB2, CrB2) и эвтектики значительно выше, чем у свя- зок, полученных плазменным напылением. В оп- лавленных слоях наблюдаются участки повышен- ной травимости, подобные мартенситным иглам. Они представляют собой эвтектические локаль- ные участки с дисперсной структурой. Упрочня- ющие фазы и γ-фаза ориентированы в направ- лении теплоотвода. Скорость охлаждения в при- поверхностных слоях, рассчитанная по толщине кристаллов упрочняющей фазы, составляла при- мерно 5⋅104…105 °С/с. С увеличением расстояния от поверхности дисперность структуры снижает- ся, увеличиваются размеры кристаллов упрочня- ющих фаз. Микротвердость структуры по глубине наплавленного слоя изменяется плавно, зависит от режимов обработки и составляет 7000…7500 МПа (рис. 8, б). Твердость наплавленных слоев повышается с увеличением степени дисперсности их структурных составляющих, возрастанием до- ли более твердой эвтектики и твердости матрицы. Триботехнические характеристики связок компо- зитов, полученных лазерным оплавлением (величина и характер износа, коэффициент трения), изучали в условиях сухого трения. Исследовали связки из ХТН и ПС-12НВК-С1. Испытания проводили при различ- ных удельных давлениях 1…9 МПа. Скорость скольжения составляла 0,1 м/с. Для сравнения па- раллельно испытывали на изнашивание покрытие ХТН, полученное плазменным напылением. Наибольшая износостойкость характерна для покрытия ХТН, имеющего меньшую твердость из сравниваемых наплавок. Оно лучше работает как при малых удельных нагрузках, так и при боль- ших — до 9 МПа (в последнем случае отличие очень существенное). Профилограммы поверх- ностей трения после испытаний на изнашивание показывают, что наплавленные слои в общем слу- чае изнашиваются равномерно, без видимого Рис. 8. Микроструктура связки, 400 (а) и распределение твердости по глубине композита на основе ХТН, полученного лазерным спеканием при v = 0,2 м/мин и различных условиях облучения (б): 1 — Wp = 6; 2 — 11; 3 — 25 кВт/см2 8/2008 21 хрупкого разрушения. Это обусловлено высокой дисперсностью структуры, равномерным распре- делением твердых упрочняющих фаз и пластич- ной γ-фазой. Лазерное оплавление по сравнению с плазменным напылением существенно повыша- ет износостойкость сплавов заэвтектического сос- тава, содержащих избыточные кристаллы дибо- ридов. При лазерном оплавлении в силу больших скоростей кристаллизации, образования сильно пересыщенных растворов уменьшается количес- тво избыточных кристаллов и их размеры. Связка по своей структуре смещается в сторону эвтек- тической и имеет твердость несколько ниже по сравнению с твердостью связок, получаемых плаз- менным напылением [9], однако при этом они не имеют характерного хрупкого износа. Результаты испытаний на изнашивание пока- зывают, что порошковые материалы на основе стали после лазерной наплавки не уступают, а превосходят самофлюсующиеся сплавы на основе никеля. Такой эффект можно объяснить влиянием на процесс трения окислительных процессов, об- разованием вторичных структур, способных к самоорганизации. При спекании алмазосодержащих композитов, изготовленных из шихты, которая находилась в свободном состоянии, формировались валики (рис. 9, а), размерами и формой которых трудно управлять, тем более получить с заданной точ- ностью. Изучение «дорожек» композитов с зер- нами алмазов, полученных методом лазерного жидкофазного спекания (рис. 9, а), пока- зало, что алмазы в композите перемеща- лись к поверхности расплава и перестра- ивались в цепочки или регулярные группы (рис. 9, б). Образование таких групп обус- ловлено всплытием алмазов в расплаве ввиду различия в плотностях алмазов и связки. Такие особенности наложили свой отпечаток на технологию формирования алмазосодержащих слоев реальных инс- трументов, которые должны иметь конк- ретные размеры и точность. В связи с этим был предложен новый способ лазерного термодеформационного спекания, сущность которого заключается в том, что процесс формообразования алмазосодержа- щего рабочего слоя осуществляется в специаль- ных матрицах с помощью лазерного нагрева и последующего уплотнения закристаллизовавше- гося композита пластическим деформированием. Полученные результаты явились основой раз- работки способов изготовления алмазосодержа- щих инструментов и соответствующего техноло- гического оборудования. Предлагаются две основные технологические схемы спекания алмазосодержащего композита на конкретных инструментах, в частности, на тонких отрезных кругах, представленные на рис. 10. Схема осевого послойного наращивания алма- зосодержащего композита (рис. 10, а) предусмат- ривает реализацию процесса спекания путем по- дачи в специальную полупресс-форму с разме- щенным в ней корпусом отрезного круга и по- рошковой связки с алмазами. Одновременно ла- зерный луч, сканирующий в радиальном направ- лении, с амплитудой, равной ширине алмазонос- ного слоя, оплавляет кромку корпуса круга и ме- таллическую связку. При этом частота сканиро- вания обеспечивает квазинепрерывность теплово- го потока, интенсивность которого достаточна для расплавления связки. Закристаллизовавшаяся, но еще пластичная связка с алмазами по мере пе- ремещения пресс-формы уплотняется деформиру- ющим роликом, формируя требуемые размеры и профиль. Данная схема позволяет реализовать и другие варианты организации процесса спе- кания. Схема радиального послойного наращи- вания (рис. 10, б) позволяет реализовать про- цесс спекания однорядных и многослойных алмазосодержащих композитов. Она реали- зуется путем подачи в зону действия лазер- ного луча на перемещающийся между не- подвижными формирующими матрицами корпус круга порошковой связки и алмазов. Расплавленная и закристаллизовавшаяся связка уплотняется деформирующим элемен- том. Формирующая матрица, состоящая из Рис. 9. Особенности лазерного спекания свободно насыпанных порош- ков системы ПС-12НВК-01 (10 %) — Со (90 %) — алмаз (а) с образо- ванием регулярных групп алмазов (б) Рис. 10. Осевое (а) и радиальное (б) послойное термодеформацион- ное лазерное спекание алмазосодержащего композита на отрезных кругах 22 8/2008 двух полуматриц, имеющих сложные профили, обеспечивает возможность при своем повороте ре- гулировать высоту спекаемого слоя. Каждая из приведенных схем предназначена для решения определенного круга технологичес- ких задач. Они не исключают друг друга, а вза- имно дополняют, расширяя технологические воз- можности метода. Предложенные схемы были апробированы при лазерном спекании алмазосодержащих компози- тов на реальных инструментах. Полученные ре- зультаты подтвердили высокую эффективность разрабатываемой технологии. В заключение следует отметить, что лазерный кратковременный нагрев алмазов АС125 (400/315), АС160 (400/315) на воздухе при вре- мени воздействия 0,2…0,4 с до температур 1200…1500 °С не приводит к их термическому разрушению и ощутимой графитизации. Исклю- чение составляют алмазы, имеющие исходную де- фектную структуру. С помощью математического моделирования выявлен характер распределения температур в спекаемом слое, корпусе круга и прилегающей полуматрице, что позволяет регулированием про- цесса их рационального принудительного охлаж- дения управлять качеством процесса лазерного спекания. Доказана принципиальная возможность ис- пользования в качестве связок износостойких и прочных порошковых сплавов на основе никеля и железа с добавками кобальта, что может быть применено при изготовлении однорядного мно- гослойного алмазного инструмента. Этому спо- собствует установленный факт плотного охваты- вания алмазных зерен связкой с образованием на их поверхностях металлических пленок, а также эффект образования в условиях лазерного оплав- ления четких упорядоченных однослойных групп или цепочек алмазных зерен. Для устранения остаточных термических де- формаций, которые возникают при лазерном спе- кании, получения необходимой геометрии и ка- чества поверхности алмазного инструмента це- лесообразно процесс лазерного облучения объе- динить с локальным деформированием алмазосо- держащего слоя в нагретом состоянии. Разработанные способы и технологические схемы термодеформационного спекания алмазо- содержащих композитов на примере отрезных кругов с применением сканирующего лазерного пучка и методом послойного наращивания пока- зали их высокую эффективность. 1. Скороход В. В. Спекание порошковых материалов при электротермическом, плазменном и лазерном нагреве // Сучасне матеріалознавство ХХI сторіччя. — К.: Наук. думка, 1998. — С. 228–248. 2. Pat. 4938816 USA. Selective laser sintering with assisted powder handling / J. J. Beaman, C. R. Dekard. — Publ.1989. 3. Райченко А. И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. — М.: Металлургия, 1984. — 128 с. 4. Измерение поглощательной способности свободно насы- панных однокомпонентных металлических порошков и ее изменение в процессе лазерной обработки / Н. К. То- лочко, Ю. В. Хлорков и др. // Порош. металлургия. — 1997. — № 7/8. — С. 89–94. 5. Рагуля А. В. Селективное лазерное спекание. 1. Принци- пы. Континуальная модель // Там же. — 1998. 6. Коваленко В. С., Головко Л. Ф., Черненко В. С. Упрочне- ние и легирование деталей машин лучом лазера. — Киев: Техніка, 1991. — 128 с. 7. On the possibility of using laser technology for diamond tool manufacturing / V. S. Kovalenko, L. F. Golovko, N. V. No- vikov et al. // J. of Eng. Manufacture. — 2004. — 218, Pt B. — P. 1029–1036. 8. Features of application of laser technology for a sintering di- amond of composite materials / V. S. Kovalenko, L. F. Go- lovko, N. V. Novikov et al. // Intern. conf. on laser technolo- gies in welding and materials processing. — Katsieveli, Crimea, 21–28 May, Kiev, 2005. — P. 121–125. 9. Research of direct laser sintering of metal powders / Yu. A. Chivel, K. E. Beliavin, V. K. Pavlenko et al. // Ibid. — P. 113–115. The paper gives a substantiation of the urgency of solving the problem of producing high-quality and effective tool composites, containing superhard materials. Issues of the influence of short-term high-temperature laser heating on the physico-chemical processes running on diamond surface and in the zone of their contact with the binders are described. Results of studying the thermal processes running in a composite material at high-speed laser heating and physico-mechanical properties of binders of diamond-containing composites are given. A new method of thermodeformational laser sintering and different schematics of its implementation are proposed. Поступила в редакцию 11.04.2008 8/2008 23

Применение лазерной технологии для спекания алмазосодержащих композиционных материалов

Institution

Similar Items