Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие современной промышленности невозможно без использования сверхтвердых материалов, в частности, поликристаллических алмазов в различных областях: машиностроении, строительстве, геологоразведке. Одним из перспективных направлений получения поликристаллических алмазов является их синтез из углеграфитовых материалов. Приоритет синтеза поликристаллических алмазов принадлежит отечественной физике высоких давлений. Впервые в мире поликристаллы типа карбонадо были синтезированы коллективом ученых Института физики высоких давлений РАН под руководством академика Л.Ф. Верещагина. Эти поликристаллы обладают уникальной твердостью. Однако для получения высококачественных поликристаллов требуются экстремально высокие параметры синтеза (давления выше 10 ГПа при температурах выше 2000К). Достижение таких условий в настоящее время является трудной технической задачей. Твердосплавная технологическая оснастка под действием огромных нагрузок быстро разрушается, что приводит к повышенному расходу твердого сплава и из-за изменения режимов синтеза поликристаллы получаются нестабильного качества. Поэтому требуется применение дорогостоящего контроля механических свойств каждого синтезированного образца, что приводит к значительному увеличению себестоимости. Кроме этого, невысокая термостойкость поликристаллических алмазов из-за большого содержания сплавов-катализаторов сдерживает широкое их использование в алмазном инструменте. Механизмы образования поликристаллических алмазов, формирования их структуры и влияния на нее условий синтеза, состава и свойств сплава-катализатора, свойств исходного углеродного материала и других факторов до настоящего времени остаются дискуссионными. Поэтому разработка эффективных процессов синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов (АПКМ) для применения в различном алмазном инструменте несомненно является актуальной.
Цель работы.
Изучение механизма и кинетики формирования алмазных поликристаллических композиционных материалов при использовании сплавов-катализаторов системы Ni-X(Mo, Cr, Ti, B) и на этой основе разработка технологий и организация серийного производства АПКМ повышенной прочности широкой области применения.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи:
- исследование закономерностей синтеза АПКМ и механизмов инфильтрации расплавов-катализаторов в зависимости от условий синтеза;
- изучение физических, химических и механических свойств, особенностей структуры АПКМ в зависимости от условий их получения и состава;
- разработка новых составов катализаторов, позволяющих повысить прочность, износостойкость и термостойкость АПКМ.
- исследование влияния генезиса искусственных графитов на синтез АПКМ и разработка критерия их выбора для синтеза высококачественных алмазных композитов;
- создание и внедрение в производство технологии изготовления легированных катализаторов методами порошковой металлургии и последующего синтеза АКПМ с изготовлением алмазного инструмента повышенной износостойкости различного назначения.
Методики исследования.
Работа выполнена с применением современной аппаратуры высокого давления (до 12 ГПа), привлечением современных физико-химических методов анализа: химического, спектрального и микрорентгеноспектрального, рентгенофазового и рентгеноструктурного, электронно-оптического, металлографического, фрактографического, дифференциально-термического; с использованием современных методов определения механических свойств и абразивной стойкости алмазных поликристаллов. Определение технологических параметров разработанного алмазного инструмента проводилось на современных стендах и серийном оборудовании. В работе также использовалась вычислительная техника для расчета рентгенограмм и профилограмм, а также обработки полученных экспериментальных зависимостей.
Научная новизна.
1. Предложен механизм формирования алмазного поликристаллического композиционного материала, основанный на том, что в процессе плавления сплава-катализатора при высоком давлении формирование фронта кристаллизации алмаза происходит за счет градиента давлений, возникающих из-за объемного эффекта полиморфного превращения графита в алмаз, что приводит к инфильтрации расплава по внутренним межкристаллитным каналам и по поверхности растущего композита, значимость вклада каждого из которых определяется давлением синтеза.
2. Обнаружено образование промежуточных фаз (лонсдейлита) при синтезе алмазного поликристаллического композиционного материала в области термодинамической стабильности алмаза при полиморфном превращении графита в алмаз, которое протекает как в жидкой, так и твердой фазах и определяется структурными свойствами графита.
3. Установлены закономерности изменения структуры алмазного поликристаллического композиционного материала в процессе синтеза, выражающиеся в снижении упорядочения алмазных кристаллитов в направлении роста [110] с увеличением давления синтеза от 6,0 ГПа до 10-12 ГПа, что позволяет управлять свойствами получаемых композитов.
4. Установлена связь между химическим составом сплавов-катализаторов и механическими свойствами синтезируемых алмазных поликристаллических композиционных материалов, выражающаяся в том, что с повышением прочности сплава-катализатора наблюдается упрочнение металлической связки АПКМ, а также алмазного композита в целом.
5. Выявлена связь между стойкостью к окислению алмазного поликристаллического композиционного материала и химическим составом его металлической связки, заключающаяся в том, что стойкость АПКМ к окислению возрастает с увеличением содержания боридов в связке из-за формирования защитных оксидных слоев на поверхности алмазных композитов при их нагреве.
Практическая ценность.
1. Разработаны составы сплавов-катализаторов, применение которых позволяет синтезировать алмазные поликристаллические композиционные материалы с повышенной прочностью и износостойкостью; повысить температуру начала окисления поликристаллических алмазов с 910 до 1040 К и замедлить скорость их окисления при более высоких температурах за счет образования поверхностных оксидных пленок; увеличить температуру начала разупрочнения АПКМ с 970 до 1220 К за счет снижения термонапряжений, возникающих в них при нагреве. Разработанные методы получения и составы сплавов-катализаторов, защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
2. Разработаны критерии оценки прочностных свойств синтезируемых алмазных поликристаллических композиционных материалов по их структурным и магнитным свойствам. В первом случае пригодность для изготовления ответственного однокристального инструмента оценивается по полюсной плотности и параметру рассеяния текстуры алмазного композиционного материала, во втором – по магнитным свойствам. Для определения магнитных свойств рекомендован к использованию широкодиапазонный измеритель "Магнит 704", предназначенный для определения количества ферромагнитных включений в абразивных материалах. Данный метод применим для оценки пригодности АПКМ как в однокристальном, так многокристальном инструменте.
3. Установлено влияние давления синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов на их прочность. Определено оптимальное давление синтеза, позволяющее синтезировать алмазные высокопрочные композиты при умеренных давлениях, что позволяет более чем в 2 раза уменьшить расход твердого сплава.
4. Разработаны технологии синтеза высокопрочных и термостойких АПКМ с использованием сплавов катализаторов сложного химического состава для применения в алмазном инструменте расширенной области применения.
Разработанные технологии изготовления легированных катализаторов, синтеза АПКМ с их использованием, были внедрены на ЭМЗ г. Лермонтов, лаборатории НИЛ ВТМ МИСиС. На ЭМЗ было синтезировано более 8 млн. карат алмазных композитов с повышенной абразивной способностью, что позволило выпустить более 38 тыс. алмазных буровых коронок типа КСК и 47 тыс. шлифовальных головок типа ШГК, что подтверждено соответствующими актами.
5. Разработаны технологии производства широкой номенклатуры высокоэффективного алмазного инструмента. Режущий, выглаживающий, конструкционный и сопловой инструменты с использованием модифицированных АПКМ используются в военной области, геологоразведке, машиностроении и стройиндустрии.
Разработанные технологии изготовления резцов, выглаживателей, контактных опор, наконечников активного контроля, сопел с использованием высокопрочных АПКМ применяются в лаборатории НИЛ ВТМ МИСиС и на Томилинском заводе алмазного инструмента (ТЗАИ). Алмазные шлифпорошки, полученные из разработанных АПКМ, используются при изготовлении буровых коронок и шлифовального инструмента на опытном производстве ИФВД РАН.
Разработка технологии и освоение опытно-промышленного выпуска АПКМ и инструмента из них в условиях лаборатории ВТМ МИСиС позволило с 2000 года и по настоящее время выполнить хозяйственных договоров по поставке НТП более чем на 10 млн. рублей. Разработка технологии алмазных формообразующих сопел для газо- и жидкостно-абразивной резки различных материалов из опытных АПКМ была отмечена дипломом Министерства науки и технологий РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
- установленные закономерности и механизм формирования алмазного поликристаллического композиционного материала;
- результаты исследований структурных особенностей АПКМ и влияние на них условий синтеза;
- результаты исследований по влиянию происхождения и свойств графита на процесс синтеза и свойства поликристаллических алмазов, установленный критерий выбора графита для синтеза алмазов, закономерности образования АПКМ из пирографита;
- закономерности влияния составов сплавов-катализаторов на процесс синтеза, состав АПКМ, его прочностные свойства и термостойкость;
- результаты исследований процесса окисления АПКМ и влиянию на него состава металлической связки;
- закономерности изменения магнитных свойств АПКМ в зависимости от состава сплава-катализатора и условий синтеза;
- методики определения механических свойств АПКМ и их абразивной стойкости;
- конструкции алмазных инструментов и технологии их изготовления;
- результаты испытаний алмазных инструментов в машиностроении, геологоразведке и строительной промышленности и рекомендации по их применению.
В совокупности перечисленные положения составляют новые научные представления о механизме процесса синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов и влиянию на этот процесс различных факторов (свойств сплава-катализатора, исходного углеродного материала, условий синтеза).
Личный вклад автора.
Автор непосредственно принимал участие во всех этапах выполнения работы по исследованию процесса образования алмазных поликристаллических композиционных материалов, изучению их структурных, механических, физических, химических, эксплуатационных свойств и термостойкости; созданию метода получения катализаторов сложного химического состава; разработке конструкций алмазного инструмента на основе полученных АПКМ и проведению его стендовых испытаний.
При непосредственном участии автора созданы опытные и промышленные технологии изготовления алмазных поликристаллических композиционных материалов и инструмента на их основе. Автор участвовал во внедрении разработанных технологий и проведении их производственных испытаний на промышленных предприятиях.
Автор осуществляет постоянный контроль над внедренными технологиями и оказывает научно-техническую помощь производителям инструмента.
Апробация работы. Основные положения результатов работы докладывались на Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционным материалам (Пермь, 1985); XV Всесоюзной научно-технической конференции (Киев, 1985); Российской научно-технической конференции "Композиционные, керамические, порошковые материалы и покрытия" (М.: МГАТУ, 1995), 50-й ежегодном конгрессе Бразильской Ассоциации Металлургии и Материалов (Бразилия, Сан-Педро, 1995), XXXVIII European High Pressure Research Group Meeting 2000 (Germany, Kroster Banz, 2000), V Всероссийской конференции (М.: МИФИ, 2000), International Science and Technology Conference (Киев, ИСМ, 2001); XXXIX European High Pressure Research Group Meeting (Santander, Spain, 2001); научно-технической конференции по современным проблемам производства и эксплуатации углеродной продукции (Челябинск, 2000); EVRO PM 2002 European Conference on Hard Materials and Diamond Tools (Lausanne, Switzerland, 2002); V (2002), VI (2003), VII (2004), VIII (2005), IX (2006), Х (2007), XI (2008), XII (2009) международных конференциях "Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент- техника и технология его изготовления и применения" ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины; III (2004), IV (2005) и V (2006) Международных конференциях “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология” М.: МГУ им. М.В. Ломоносова.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 67 научных трудов, из них 27 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 11 авторских свидетельств и 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы и 11 приложений. Материалы диссертации изложены на 360 листах, включают 130 рисунков, 105 таблиц и список литературы из 484 наименований.
