Применение высокоразрешающих методов исследования при конструировании интерфейса алмаз – матрица для повышения стойкости алмазного инструмента

Представлены результаты исследований в области проблем направленного формирования пограничных слоев алмаз – твердосплавная матрица в целях создания высокостойкого алмазного инструмента. Предложены новые подходы к синтезу алмазно-твердосплавных материалов, объединяющие металлизацию алмаза и спекание в одноэтапной технологии. Технология исключает повторный нагрев металлизированного покрытия, при котором происходит его деструкция и усиливается графитизация алмаза (эти явления ограничивают применение метода металлизации для улучшения алмазоудержания и получения высокофункциональных композитов инструментального назначения). Цель работы — анализ структурно-фазового состояния интерфейса алмаз – матрица в алмазно-твердосплавном инструменте, полученном по новой технологии, и основных факторов, определяющих уровень алмазоудержания в присутствии металлизированного покрытия. В работе использованы уникальные высокоразрешающие методы исследования. Методами растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рамановской спектроскопии исследованы элементный состав и морфологические особенности интерфейса алмаз – матрица, проведена идентификация продуктов реакции, в том числе неалмазного углерода. Показано, что введение порошка-металлизатора существенно модифицировало границы контакта и создало условия для улучшения химической и механической адгезии системы алмаз – матрица. Выявлено формирование развитой наносубмикронной шероховатости поверхности алмаза и плотное заполнение имеющихся промежутков нанотолщинными прослойками металла-инфильтрата. Многоуровневая организация высокоструктурированных элементов переходной зоны при минимальной графитизации обеспечила монолитность и прочность соединения алмаз – матрица. Изготовлены опытные и контрольные образцы алмазных карандашей, результаты испытаний которых подтвердили эффективность разработанной гибридной технологии; удельная производительность алмазного инструмента повысилась на 39 – 45 %. Получены новые фундаментально-прикладные результаты в области изучения интерфейсных зон в кристаллических многофазных системах, которые могут быть использованы для регулирования адгезионного взаимодействия на межфазных границах и разработки высокоэффективных композиционных материалов.

1. Гусев Б. В., Кондращенко В. И., Маслов Б. П., Файвусович А. С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства. — М.: Научный мир, 2006. — 560 с.

2. Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. — Florida: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2014. — 598 p.

3. Панин В. Е. Физическая мезомеханика материалов. Т. 1. — Томск: Издательский дом ТГУ, 2015. — 462 с.

4. Инструменты из сверхтвердых материалов. — М.: Машиностроение, 2005. — 555 с.

5. Hsieh Y. Z., Lin S. T. Diamond tool bits with iron alloys as the binding matrices / Materials Chemistry and Physics. 2001. Vol. 72. N 2. P. 121 – 125.

6. Исонкин А. М., Богданов Р. К. Влияние металлизации алмазов на показатели работоспособности буровых коронок / Научные труды ДонНТУ. Горно-геологическая серия. 2011. № 14(181). С. 158 – 163.

7. Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds. — UK: University of Nottingham, 2003. — 345 p.

8. Schubert T., Trindade B., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications / Materials Science and Engineering. 2008. Vol. 475. N 1 – 2. P. 39 – 44.

9. Яхутлов М. М., Карамурзов Б. С., Беров З. Ж. и др. Направленное формирование межфазной границы алмаз – матрица с использованием нанопокрытий / Изв. Кабард.-Балкар. госуниверситета. 2011. Т. 1. № 4. С. 23 – 25.

10. Shao W. Z., Ivanov V. V., Zhen L., Cui Y. S., Wang Y. A study on graphitization of diamond in copper-diamond composite materials / Mater. Lett. 2004. Vol. 58. N 1 – 2. P. 146 – 149.

11. Пат. 2478455 РФ, МПК B22F7/08, B24D3/10. Способ изготовления алмазных инструментов / Шарин П. П., Лебедев М. П., Гоголев В. Е. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2012104802/02; заявл. 10.02.2012; опубл. 04.10.2013. Бюл. № 10.

12. Пат. 2580264 РФ, МПК B22F3/16; B22F3/26; B22F3/093; C22C26/00. Способ пропитки алмазосодержащих брикетов легкоплавкими металлами и сплавами / Шарин П. П., Лебедев М. П., Яковлева С. П. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2014138079/02; заявл. 19.09.2014; опубл. 04.10.2016. Бюл. № 10.

13. Пат. 2607393C1 РФ, МПК C22C 26/00; B22F 3/16; B22F 3/26; B24D 3/06. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей / Шарин П. П., Никитин Г. М., Лебедев М. П. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2015132568; заявл. 04.08.2015; опубл. 10.01. 2017. Бюл. № 1.

14. Schubert T., Ciupinski L., Zielinski W., Michalski A., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial characterization of Cu/diamond composites prepared by powder metallurgy for heat sink application / Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. Issue 4. P. 263 – 266.

15. Hamid Z. A., Moustafa S. F., Morsy F. A., Khalifa N. A. A., Mouez F. A. Fabrication and characterization copper/diamond composites for heat sink application using powder metallurgy / Natural Science. 2011. Vol. 3. N 11. P. 936 – 947.

16. Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N. F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools / Proc. of the International Conf. on Stone and Concrete Machining (ICSCM). Vol. 3. — Bochum, Germany, 2015. P. 21 – 30.

17. Анчаров А. И., Аульченко В. М., Баринова А. П. и др. Механокомпозиты — прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. — 424 с.

18. Чичинадзе А. В., Берлинер Э. М., Браун Э. Д. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). — М.: Машиностроение, 2003. — 576 с.

19. Ножкина А. В., Костиков В. И., Клюев Ю. А. и др. Структурные превращения в алмазах при термических воздействиях / Изв. вузов. Серия: Химия и химическая технология. 2013. Т. 56. № 5. С. 52 – 56.

20. Rommel D., Scherm F., Kuttner C., Glatzel U. Direct metal deposition of abrasive tracks — Potentials concerning geometry and materials / Surface and Coat Technology. 2016. Vol. 291. P. 62 – 69.

21. Handbook of Raman Spectroscopy. Chapter 2. — NY – Basel: Marsel Dekker, 2001. P. 863 – 917.

22. Тихомиров С. В., Кимстач Т. Б. Спектроскопия комбинационного рассеяния — перспективный метод исследования углеродных наноматериалов / Аналитика. 2011. № 1. С. 28 – 32.

23. Шарин П. П., Яковлева С. П., Гоголев В. Е., Васильева М. И. Структурная организация высокоизносостойких алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных порошков, полученных методом спекания с пропиткой медью / Перспективные материалы. 2015. № 6. С. 66 – 77.