Full Text

Введение Благодаря тому, что алмазы обладают уникальной твердостью в сочетании с высокой теплопроводностью, их широко используют в качестве режущих элементов при изготовлении широкого класса алмазных инструментов для обработки различных твердых природных и синтетических материалов [1, 2]. Современная промышленность требует улучшения функциональных характеристик существующих инструментов, создания новых видов матриц для них, сочетающих высокую стойкость и работоспособность с низкими затратами на изготовление и эксплуатацию. В связи с этим является актуальным поиск новых составов матриц или адгезионно-активных добавок к ним, а также разработка технологии их получения, обеспечивающей высокую стойкость и эффективность работы алмазных инструментов. При изготовлении буровых и правящих инструментов, работающих в условиях больших динамических и температурных нагрузок, наиболее востребованным металломатричным композитом является матрица на основе твердосплавной порошковой смеси WC-Co-Cu [3-6]. Твердосплавные матрицы не требуют сложного технологического оборудования при изготовлении, также обладают высоким уровнем физико-механических свойств - высокой твердостью и износостойкостью [3-5]. Тем не менее из-за недостаточно высокого уровня алмазоудержания твердосплавных матриц происходит преждевременное выпадение алмазов из них, что увеличивает расход алмазов, снижает стойкость и эффективность алмазного инструмента. Прочность закрепления зерен алмаза в твердосплавных матрицах системы WC-Co-Cu определяется в основном механической адгезией, при которой происходит механическое зацепление затвердевшего медного расплава за неровности и шероховатости поверхности алмазного зерна [5, 7-9]. При этом наиболее химически активный к алмазу компонент твердосплавной матрицы - кобальт - формирует на поверхности алмазных зерен развитую шероховатость в результате каталитической графитизации при их контактном взаимодействии [3, 5, 10]. Развитая шероховатость контактной поверхности алмаза микро- и нанометровой размерности, заполненная расплавом инфильтрата при затвердевании, способствует механической адгезии алмазных зерен к матрице инструмента. Для обеспечения химической адгезии матрицы к алмазным зернам и повышения прочности алмазоудержания в состав порошковой смеси матрицы вводят адгезионно-активные к углероду металлы-добавки, которые при термически активируемом контактном взаимодействии с алмазом образуют на поверхности последнего прочно сцепленное металлокарбидное покрытие [3, 11-17]. Наиболее простым технологическим решением повышения алмазоудержания в металломатричных композитах является предварительная термодиффузионная металлизация алмазов карбидообразующими металлами [3, 18-20]. Однако воздействие высокой температуры на металлизированные алмазы не только отрицательно влияет на качество алмазов, но и снижает алмазоудержание матрицы, так как при повторном нагреве возобновление контактного взаимодействия алмаза с ранее сформированным металлокарбидным покрытием сопровождается интенсивной графитизацией поверхности алмаза частичным распадом карбидной прослойки на межфазной границе алмаз-метализированное покрытие [3, 12, 20]. Цель данной работы - изучение микростроения переходной зоны алмаз-матрица и ее влияния на алмазоудержание и эксплуатационные свойства инструмента, полученного по гибридной технологии, совмещающей в одном цикле работы вакуумной печи термодиффузионную металлизацию алмаза и спекание матрицы с пропиткой медью. Объекты и методы исследования В качестве объекта исследований был выбран алмазный правящий карандаш с матрицей на основе твердосплавной порошковой смеси ВК6. Для изучения структуры переходной зоны алмаз-матрица в присутствии металлизированного покрытия на поверхности алмазных зерен и определения эксплуатационных свойств были изготовлены три опытных образца правящего карандаша, соответствующие по своим параметрам ГОСТ 607-80 (типоразмер 3908-0054 с алмазными зернами, расположенными по оси карандаша). Схема изготовления опытных образцов карандаша по гибридной технологии приведена на рис. 1, а, б. В опытных правящих карандашах каждое алмазное зерно перед укладкой в твердосплавную шихту плотно заворачивалось в тонкую медную фольгу, в которую предварительно был засыпан порошок хрома марки ПХ99 в количестве, равном массе соответствующего алмазного зерна (см. рис. 1, б). Такой технический прием обеспечивает благоприятные условия для термодиффузионной металлизации алмаза до расплавления медной фольги и начала пропитки алмазосодержащего брикета. Кроме того, медная фольга до расплавления экранирует контакт алмаза с кобальтом (наиболее активным к углероду компонентом твердосплавной матрицы), тем самым предотвращает их взаимодействие, приводящее к каталитической графитизации алмаза. а б в Рис. 1. Спекание правящего карандаша по гибридной схеме с самодозируемой пропиткой медью (а), алмазное зерно, завернутое в медную фольгу с частицами порошка хрома (б) и температурная циклограмма работы вакуумной печи (в) Полученная алмазосодержащая шихта прессуется в брикет при нагрузке 20 кН и помещается в корпус инструмента (см. рис. 1, а). В данной конфигурации медный брикет располагают не сверху пропитываемого алмазосодержащего брикета, а под ним, так, чтобы пропитка происходила в направлении снизу вверх по капиллярам (порам) за счет сил поверхностного натяжения [5, 21]. При этом на корпусе инструмента, на уровне высоты твердосплавного брикета заранее просверливается отверстие для удаления паров и газов, образующихся при разложении пластификатора (см. рис. 1, а). При заполнении всего объема брикета медью (при достижении уровня отверстия) капиллярный эффект исчезает, и пропитка самопроизвольно прекращается [21]. Для сравнения работоспособности опытных образцов правящего карандаша также были изготовлены три контрольных образца однотипных карандашей без металлизации алмазов хромом. Контрольные образцы карандаша оснащались алмазными зернами с такими же характеристиками (масса, дефектность, форма), что и опытные образцы карандаша, и изготавливались по технологии спекания алмазоносной твердосплавной матрицы с пропиткой медью, обычно применяемой в серийном производстве карандашей. Спекание обеих партий правящих карандашей (опытные и контрольные) проводилось в вакуумной печи СНВЭ-1.3.1/16И4. Температурно-временной режим работы вакуумной печи представлен на рис. 1, в. Остаточное давление печи при максимальной температуре нагрева составляло ~2×10-3 мм рт. ст. После завершения цикла нагрева образцы медленно охлаждались вместе с печью [21]. В процессе испытаний определяли удельную производительность q, т.е. отношение объема шлифовального абразивного круга (см3), снятого тем или иным карандашом, к израсходованной в этом процессе массе алмазов карандаша (мг). Использовались абразивные круги для шлифовки деталей марки ПП 150´20´32 63С40K-L из зеленого карбида кремния на керамической связке. Испытания проводились при режимах правки, близких к рекомендуемым ГОСТ 607-80. Структура, элементный и фазовый состав образцов изучались методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), микрорентгеноспектрального анализа (МРСА), рентгенофазового анализа и рамановской спектроскопии с помощью приборов Hitachi TM3030, JEOL JSM-6480LV, дифрактометра D8 Discover, измерительного комплекса NT-MDT INTEGRA Spectra. Микротвердость матрицы образцов опытного и контрольного карандашей измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 50 г. Значения микротвердости усредняли по 10 измерениям. Результаты На рис. 2 приведены оптические изображения поверхностей шлифов контрольного и опытного правящих карандашей вблизи переходной зоны алмаз (справа)-матрица (слева) после износа на уровне ½ от исходной высоты алмазного зерна. На рис. 2 видно, что в обоих типах карандашей на переходной зоне алмаз-матрица все микрополости и пустоты заполнены медным инфильтратом. В контрольном образце правящего карандаша межфазная граница алмаз-матрица более неровная (рис. 2, а), по сравнению с границей алмаз-матрица в опытном образце правящего карандаша (рис. 2, б). Как было упомянуто ранее, в контрольном карандаше алмазоудержание определяется механическим зацеплением затвердевшего медного инфильтрата за микропоры, неровности и шероховатости поверхности алмазного зерна, которые образуются вследствие деструкции его поверхности в результате каталитической графитизации алмаза и его частичного растворения в кобальте. а б Рис. 2. Оптические изображения поверхностей шлифов переходной зоны алмаз-матрица контрольного (а) и опытного (б) карандашей после износа на уровне ½ от исходной высоты алмазного зерна, ´100 На рис. 3 показаны РЭМ-изображения микроструктуры матриц вблизи переходной зоны алмаз-матрица контрольного и опытного правящих карандашей, полученные в режиме обратно-рассеянных электронов. Матрица контрольного образца правящего инструмента имеет типичные для системы WC-Co-Cu фазовый состав и структуру [8, 9], состоящую из трех элементов разной размерности - фаз карбида вольфрама и кобальта, а также медного инфильтрата, плотно заполняющего пустоты матрицы (см. рис. 3, а). На РЭМ-изображениях (см. рис. 3) наиболее темные участки соответствуют алмазу, а наиболее светлые замкнутые участки - зернам карбида вольфрама, промежуточные по контрасту участки соответствуют кобальту, хрому и меди. На рис. 3, а на переходной зоне алмаз-матрица выделена стрелками прослойка медного инфильтрата. Видно, что медный инфильтрат плотно сопряжен с неровной и шероховатой поверхностью алмаза, обеспечивая ее прочное зацепление с матрицей инструмента. а б Рис. 3. РЭМ-изображение структуры матрицы вблизи переходной зоны алмаз-матрица контрольного (а) и опытного (б) образцов правящего карандаша На рис. 3 видно, что структуры матрицы опытного и контрольного образцов правящего карандаша, за исключением области, непосредственно примыкающей к переходной зоне алмаз-матрица, не отличаются друг от друга и, соответственно, их физико-механические свойства не должны сильно различаться. Это подтверждают данные измерений микротвердости матриц обоих образцов карандашей: средние значения микротвердости матрицы образцов опытного и контрольного карандашей составили соответственно ~3608 и ~3430 МПа. Таким образом, компактное расположение частиц хрома на поверхности алмазных зерен и экранирующий эффект медной фольги при спекании не оказывают негативного влияния на твердосплавную матрицу опытного карандаша, ее структура и механические свойства остаются такими же, как и у матрицы системы WC-Co-Cu, полученной в отсутствие хрома. На переходной зоне алмаз-матрица опытного правящего инструмента видно плотно сцепленное с алмазом металлизированное покрытие толщиной ~1-2 мкм (см. рис. 3, б), сформировавшееся при термодиффузионной металлизации хромом алмаза в процессе спекания матрицы с пропиткой медью. Из-за малой толщины покрытия не удалось получить качественных рентгенограмм шлифа поверхности образцов для однозначной идентификации его фазового состава (уширенные и размытые пики). Однако по данным локального МРСА на участках замера 1 и 2 (рис. 4, а) металлизированного покрытия массовое содержание хрома составляет 81,89 и 83,16 % (табл. 1), что соответствует теоретическому значению карбида Cr3C2, а это согласуется с результатами работ [22, 23]. В данных работах идентификация фазового состава поверх- Таблица 1 Состав металлизированного покрытия алмаза, мас. % Область замера Содержание элементов, мас. % Cr C Co Cu W 1 81,89 13,74 3,09 1,28 0,00 2 83,16 9,83 4,17 2,78 0,06 а б в г Рис. 4. Микроструктура переходной зоны алмаз-матрица (а) и карты распределения основных элементов переходной зоны: углерод (б), хром (в) и медь (г) ности металлизированных хромом алмазов проводилась рентгенофазовым анализом на специально подготовленных образцах, обеспечивающих получение качественных рентгенограмм для адекватной интерпретации их состава. Для обнаружения присутствия графитных образований было произведено картирование спектров комбинационного рассеяния на участках переходной зоны алмаз-матрица. Алмазоудержание матрицы при образовании графитосодержаще прослойки на переходной зоне алмаз-металлизированное покрытие будет определяться прочностью такой прослойки и ее адгезией с матрицей инструмента [3, 5, 20]. При сканировании участка переходной зоны на полосе D-моды алмаза с центром на частоте 1332 см-1 был получен интенсивный рамановский отклик на D-моде алмаза, четко прорисовывающий форму алмазного зерна на межфазной границе с металлокарбидным покрытием (рис. 5, а). На G- и G1-линиях графита с центрами на частотах 1580 и 2700 см-1 уровень рамановского сигнала не превышает сигнал от шума, что указывает на отсутствие на переходной зоне алмаз-матрица графита или графитсодержащих образований (рис. 5, б). Результаты испытаний контрольного и опытного образцов правящих карандашей на удельную производительность представлены в табл. 2. Как следует из табл. 2, удельная производительность опытного карандаша при правке шлифовального круга из зеленого карбида кремния составила 51,50 см3/мг, что превышает аналогичный показатель контрольного карандаша на 15,9 см3/мг, или на 44,66 %. Такое ощутимое увеличение удельной производительности опытных образцов по сравнению с контрольными обеспечивается прежде всего за счет повышенной способности их матриц удерживать металлизированные алмазные зерна. Это подтверждается РЭМ-изображениями (рис. 6). На рис. 6 представлены изменения поверхности алмазоносной матрицы опытного (см. рис. 6, а, б) и контрольного (см. рис. 6, г, д) образцов карандашей на разных уровнях ее износа и внешний вид алмазных зерен, выпавших из опытного (см. рис. 6, в) и контрольного (см. рис. 6, е) карандашей в процессе испытаний на удельную производительность. а б Рис. 5. Трехмерные карты рамановских спектров алмаза (а) и графита (б) на переходной зоне на участке размером 50´50 мкм Таблица 2 Результаты испытаний удельной производительности q контрольного и опытного образцов алмазных правящих карандашей при правке шлифовальных кругов 63С40K-L Тип правящего карандаша Алмазное сырье Вид шлифовки q (5 зерен), см3/мг Группа, подгруппа, тип Масса алмазов в одном карандаше, Средняя масса одного алмазного зерна, кар. Контрольный Салмаз-ВК6-Cu ХVI «а-1», тип 1 1,0 (5 зерен) с алмазами, расположенными по оси карандаша 0,21 Круглое наружное 35,60 Опытный Салмаз-Cr-ВК6-Cu 51,50 а б в г д е Рис. 6. РЭМ-изображения рабочей поверхности матрицы опытного (а, б) и контрольного (г, д) карандашей на разных уровнях износа и алмазных зерен, выпавших из матрицы опытного (в) и контрольного (е) карандашей в процессе испытаний Матрица опытного образца карандаша при износе на уровне не менее 2/3 от исходной высоты алмазного зерна (см. рис. 6, а) прочно его удерживает и продолжает удерживать почти до полного износа матрицы (см. рис. 6, б), в то время как матрица контрольного карандаша при износе на уровне, едва превышающем половину от исходной высоты алмазного зерна (см. рис. 6, г), не обеспечивает удержание алмазного зерна и последнее выпадает из матрицы, оставляя за собой глубокую лунку. В процессе испытаний выявлено существенное различие в характере выпадения алмазных зерен из матрицы опытного и контрольного образцов правящего инструмента. В отличие от образцов контрольных карандашей, из матрицы которых происходит отрыв целых зерен алмаза, как показано на рис. 6, е, в опытных карандашах от кристалла алмаза, надежно удерживающегося в матрице, происходит постепенное выпадение отколов алмаза, образующихся в результате транскристаллитных сколов кристалла (см. рис. 6, в). Выводы На основе изучения структуры, фазового и элементного состава переходной зоны алмаз-матрица в правящем инструменте, полученном согласно гибридной технологии спекания, установлено следующее: 1. Компактное размещение частиц порошка хрома вокруг алмазных зерен и экранирующий эффект медной фольги создают благоприятные условия, обеспечивающие термодиффузионную металлизацию алмаза в процессе спекания матрицы. В результате на поверхности алмазных зерен формируется металлизированное покрытие, химически сцепленное с алмазом и состоящее из фаз карбида хрома, что обеспечивает прочное алмазоудержание матрицы. 2. Структура и микротвердость матрицы остаются такими же, как и у матрицы, спеченной в отсутствие хрома, за исключением областей, примыкающих к переходной зоне алмаз-матрица. 3. Показано, что удельная производительность опытного карандаша, изготовленного согласно гибридной технологии, при правке шлифовального круга из зеленого карбида кремния составляет 51,50 см3/мг, что превышает аналогичный показатель контрольного карандаша, полученного традиционным методом, на 44,66 %. 4. Обнаружено существенное различие в характере выпадения алмазов из матрицы опытного и контрольного образцов правящего карандаша: - в контрольных образцах карандашей из-за низкого алмазоудержания матриц, обусловленного в основном механическим зацеплением алмаза в матрице за счет затвердевшего медного инфильтрата, происходит отрыв целых зерен алмаза; - в опытных карандашах зерна алмаза, прочно удерживающиеся в матрице благодаря металлизации поверхности, постепенно выкрашиваются (выпадение отколов) в результате транскристаллитных сколов кристалла алмаза.

About the authors

P. P Sharin

Insitute of Physical and Technical Problems of the North named after V.P. Larionov of Sibirian Branch Russian Academy of Sciences

M. P Akimova

Insitute of Physical and Technical Problems of the North named after V.P. Larionov of Sibirian Branch Russian Academy of Sciences

References

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 11

Refbacks

• There are currently no refbacks.