надтверді наноалмазний композит інструментального
призначення
А. Н. Соколов, А. А. Шульженко, В. Г. Гаргин
Отримання
полікристалів і композитів на основі алмазних порошків з твердістю по
Віккерсу HV вище 50 ГПа має велике практичне значення. Зазначені
матеріали застосовуються для механічної обробки гострінням кольорових металів і їх
сплавів.
Відомо,
що високий рівень фізико-механічних властивостей алмазних порошків визначається
високодисперсний структурою зерен полікристалах, що, зокрема,
безпосередньо випливає з експериментально встановленої залежності
Холла-Петча (1) твердості і межі текучості від розміру зерна [1].
де
HV - твердість,
Звідси
випливає, що для отримання якісного полікристалічного матеріалу з
щільною, однорідною, дрібнозернистою структурою перспективне використання
алмазних порошків нанометричній діапазону. При відповідних умовах
нанодіс-перснем поликристалл можлива реалізація унікального комплексу
механічних властивостей, наприклад, поєднання дуже високих твердості і стійкості до
розтріскування.
При
розробці технологій одержання нових надтвердих матеріалів з використанням
компонентів нанометричній діапазону важливою проблемою є збереження
нанодисперсного стану матеріалу в процесі спікання. Крім того, необхідно
пам'ятати про високу структурної чутливості механічних властивостей, що
особливо гостро виявляється при використанні наноматеріалів. Як відомо [1],
особливостями структури таких матеріалів є мала величина кристалітів
і, відповідно, більша об'ємна частка кордонів, прикордонних областей та
потрійних стиків нанозерен; високий рівень внутрішньої напруги; наявність
домішок та інших дефектів, притаманних самим наноматеріалам і привнесеним у
процесі досить складної технології їх отримання.
Спікання нанопорошків алмазу
В
роботах [2-4] показано, що різні види впливу на вихідні нанопорошки
алмазів і підготовлену шихту: хімічне модифікування поверхні частинок в
поєднанні з вакуумної очищенням та дегазацією, попередня механічна
активація, наприклад, методом холодного ізостатичного-го пресування, а також
використання активують процес спікання добавок - дозволяє поліпшити
фізико-механічні властивості спечених матеріалів.
Найбільш
ефективним підходом до поліпшення фізико-механічних властивостей полікристалів
алмазу на основі нанопорошків є пошук оптимального режиму спікання
шихти, що містить активують добавки, що виконують роль як розчинників
вуглецю (Со, Ni, Fe, їх сплави та ін) так і інгібіторів росту зерен. При цьому
шихта повинна пройти попередній етап механічної активації.
Метою
даної роботи було дослідження впливу умов спікання на формування
структури і властивості наноалмазних композитів.
В
Як вихідний матеріал використовували суміші нанопорошків алмазу
статичного синтезу АСМ5 0,1/0 і АСМ5 0,5/0, що не піддавалися попередньою
хімічної очистки та термообробки у вакуумі, фракційний і домішковий склад
яких відповідав ДСТУ 3292-95 [5]. Як що активують процес
спікання добавок були обрані розчинники вуглецю на основі кобальту, які
у вихідній шихті складали 5-15% (мас.).
Підготовлену
суміш активували методом багаторазового ізостатичного пресування при
тисках від 1,1 до 5,0 ГПа.
(АВД) типу «тороід» з діаметром центрального заглиблення 13 мм, розрахованому на
проведення процесів при тиску до 8,0 ГПа. Спікання шихти проводили при
тиску 8,0 ГПа, температурі 2000 К, тривалість спікання становила
20-30 с.
Структура алмазних композитів
Розглянемо
деякі особливості структури отриманих композитів. У зразках, отриманих
при спіканні шихти, що містить 15% (мас.) СОО, навіть у мікрооб'емах НЕ
виявляється неалмазний вуглець. На мікроелектронограммах від різних ділянок
зразків видно одиничні точкові відображення, які можуть бути віднесені до
кобальту та (або) його сполук (рис. 1).
зерен
мікроструктура зразків однорідна за всім обсягом. Основною складовою
мікроструктури є зерна розмірами 70-100 нм. На рис. 2 представлені
типові електронно-мікроскопічні зображення зерен структури зразків.
Нано-дисперсні зерна мають в основному форму багатогранників з сильно
згладженими вершинами. На светлопольних електронно-мікроскопічних
зображеннях між зернами всіх розмірів виявляються як тонкі лінійні
кордону, так і широкі вигин-ні контури (див. рис. 2, а). На темнопольних
зображеннях кордону між зростки зерен видно часто у вигляді тонких ліній. У
обсязі зерен всіх розмірів виявляються також ізгібние контури, що вказує на
високий рівень напруги в них.
Встановлені
особливості структури досліджених зразків дозволяють зробити висновок, що в
умовах спікання нанодисперсного порошку алмазу відбуваються процеси
структурних перетворень як на кордонах, так і в об'ємі частинок. Оскільки між
зернами є суцільні кордону, то це є свідченням того, що при
спіканні проходять процеси дифузійного масопереносу. Так як дифузійна
рухливість алмазного вуглецю низький в досліджених термодинамічних умовах
спікання (8 ГПа, 2000 К), то можна припустити, що дифузійний масоперенос
алмазу обумовлений головним чином присутністю рідкої фази.
Рис.
1. Типова мікроелектронограмма зразків, спечених з шихти з 15% (мас.) СОО.
Область
площею -0,5 мкм2
Таблиця
Фізико-механічні
властивості надтвердих полікристалів і композиту
Матеріал
Умови отримання
Твердість HV (ГПа), при навантаженні на індентор (н)
Нанотвердость HF, ГПа
Тріщиностійкість, МПа-м-1/^
5
10 50
Алмазний композит
8 ГПа
64,8
47,0 43,6
71,3
14,5
2000 До
Алмазний поликристалл
8 ГПа
46,2
35,4
6,8
2000 До
Дифракція рентгенівських
аналіз зразків, спечених в умовах високих тисків і температур в системі
Салма + СОО, показує повну відсутність чистого кобальту, який міг би
виступати в якості рідкої фази.
В
результаті досліджень встановлено, що більша частина композитної добавки
(СОО) після спікання залишається без змін, а приблизно 1/4 її частину при взаємодії
з вуглецем утворює карбонат кобальту (СоСО3), який в умовах високих
тисків і температур розчиняє вуглець і, ймовірно, є джерелом
рідкої фази в системі
Салма
+ СОО.
В
таблиці наведено фізико-механічні властивості одержаних полікристалів.
Висновки
Поєднання
попереднього механічного активації вихідної шихти з введенням в неї
активують добавок дозволяє істотно поліпшити фізико-механічні характеристики.
Твердість алмазного нанокомпозиту, спеченого в умовах високих тиску і
температури, виросла в 1,7 рази, а тріщини-стійкість майже в 2 рази. Цей
результат досягнуто, перш за все, за рахунок однорідності мікроструктури
спеченого композиту і придушення процесу формування мікротріщин завдяки
введенню що активують добавок.
Розроблена
технологія дозволяє спікають композити нанопорошків алмазу, які можуть
успішно конкурувати з однокристальним алмазним інструментом із природних
алмазів. Вони можуть застосовуватися для виготовлення ріжучого, деформуючого або
вимірювального інструменту багаторазового використання. Завдяки високим
значеннями тріщиностійкості-сті композити придатні і для бурового інструменту, в
тому числі ударно-обертального типу.
Робота
виконана за фінансової підтримки Українського науково-технологічного центру
(проект № 1745).
Список літератури
1.
Андрієвський Р.А., Глезер A.M. Фізика металів і металознавство, 1999, № 1, с.
50-73.
2.
Надтверді матеріали. Отримання і застосування. Т. 1: Синтез алмаза і подібних матеріалів.
Від. ред. А.А. Шульженко. Київ: ІСМ ім. В.Н. Бакуля, ІСЦ «АЛКОН», 2003, 320 с.
3.
Шульженко А.А., Соколов А.Н., Гаргин Вт Породоразру-шує і
металообробний інструмент - техніка, технологія його виготовлення і
застосування, 2004, вип. 7, с. 101 - 106.
4.
Сенюта В.Т., Мосунов Є.І. Фізика твердого тіла, 2004, т. 46, № 4, с. 746-748.
5.
Порошок алмазн! сінтетічш. Загальн! техшчн! умови. ДСТУ 3292-95, Кі'ш:
Держстандарт Україну, 1995, 71 с.
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.chem.msu.su/
