Алмазний полікристалічний композиційний матеріал

1. Алмазний полікристалічний композиційний матеріал, що містить оболонку, в якій розміщено як вуглецевий матеріал алмаз і метали, який відрізняється тим, що оболонка виконана з тугоплавкого металу, як метали містить кобальт та нікель і додатково - карбіди тугоплавких металів, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: алмаз 83-91 кобальт 4-7 нікель 1-5 карбіди тугоплавких металів 2-4. 2. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що товщина оболонки складає 0,02-0,15 мм. 3. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що алмаз має розміри частинок 20-100 мкм. 4. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що вуглецевий матеріал додатково містить спучений графіт в кількості 1-2 мас.%. Корисна модель стосується області одержання полікристалічних матеріалів, а саме композиційних матеріалів на основі алмазу, отриманих шляхом спікання вуглецевого матеріалу і металів в умовах високих тиску й температури і може бути використана переважно для виготовлення бурового інструменту. Є дані по отриманню надтвердого композиційного матеріалу з підвищеною зносостійкістю [див. заявка РФ №92007535/33, МПК С04В35/58, опубл. 10.02.1995] з мікропорошків кубічного нітриду бора і тугоплавкого металу, шляхом їхньої сумісної обробки у випаровуваннях галогену при 9501150°С з наступним холодним пресуванням суміші та розміщенням в оболонці з алюмінію або сплавів алюмінію з додаванням лужних, лужно-земельних та/або перехідних металів. Використання оболонки з низькою температурою плавлення згідно вищезазначених даних неможливе, оскільки отримання матеріалу, що заявляється, здійснюється в умовах високих тисків при температурах 1700-2000К. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого матеріалу є алмазний полікристалічний композиційний матеріал [див. патент РФ №1413874, МПК 6С01В31/06, H01L39/12, опубл. 27.09.1999р.] отриманий шляхом дії тиском та температурою на шихту, що містить вуглецевий матеріал та металикаталізатори (алюміній та ніобій), яку розміщено в оболонку з графіту. В даному випадку з метою забезпечення надпровідних властивостей вуглецевий матеріал беруть у стехіометричному співвідношенні атомів вуглецю до атомів алюмінію, а ніобію - у кількості 4 атомів на 1 моль з'єднання Аl4С3, що утворюється. Недоліком отриманого за прототипом матеріалу є його недостатня міцність та зносостійкість, так як завданням прототипу було отримання надпровідного матеріалу. В основу корисної моделі покладено завдання такого вдосконалення складу алмазного полікристалічного композиційного матеріалу, при якому, завдяки виконанню оболонки з тугоплавкого металу і вибору пропонованих металів і їхнього співвідношення забезпечується (19) UA (11) 28142 (13) U (21) u200708461 (22) 23.07.2007 (24) 26.11.2007 (72) ШУЛЬЖЕНКО ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, БОГДАНОВ РОБЕРТ КОСТЯНТИНОВИЧ, UA, ГАРГІН ВЛАДИСЛАВ ГЕРАСИМОВИЧ, UA, РУСІНОВА НАТАЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА, UA, ЗАКОРА АНАТОЛІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, ІСОНКІН ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, UA, ШУЛЬЖЕНКО ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, БОГДАНОВ РОБЕРТ КОСТЯНТИНОВИЧ, UA, ГАРГІН ВЛАДИСЛАВ ГЕРАСИМОВИЧ, UA, РУСІНОВА НАТАЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА, UA, ЗАКОРА АНАТОЛІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, ІСОНКІН ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, UA (56) 3 28142 4 такий технічний ефект, як однорідність через рідку фазу, джерелом якої є кобальт та дрібнозеренної структури спеченного композиту, а нікель. Це призводить до виникнення зв'язків за рахунок вибору товщини оболонки здійснюється алмаз-алмаз і підвищення міцності матеріалу. надійне кріплення матеріалу в інструменті, Введення кобальту та нікелю збільшує в'язкість наприклад, буровому. Використання як матеріалу матеріалу (зменшує його крихкість) та, відповідно, оболонки тугоплавких металів, таких як Та, Nb та міцність. Крім цього, сплав кобальта з нікелем, в ін. обумовлено тим, що після спікання оболонка та умовах високих тиску і температур, краще змочує розташований у ній вуглецевий матеріал, метали алмазні зерна, ніж тільки кобальтом - це чітко та добавки, являють собою одне ціле, за рахунок видно на структурі отриманого зразка з матеріалу. чого збільшується міцність отриманої вставки та Введення тугоплавких карбідів, таких як WC, також при закріпленні вставок із зазначеного матеріалу сприяє збільшенню міцності, внаслідок утворення полегшується процес паяння, так як оболонка розчинів WC-Co, аналогічно процесу, що протікає змочується припоями, що використовуються, при у твердих сплавах типу BK 15, ВК 20. Це сприяє цьому виключається процес металізації вставок. заглушенню процесів формування мікротріщин в Окрім цього, при спіканні, наприклад, вставок міжзеренних проміжках. бурового інструменту із зазначеного матеріалу, в Одержування дрібнозеренної структури графітових багатопозиційних комірках високого забезпечується за рахунок додаткового введення тиску виключається утворювання алмазу навколо в вуглецевий матеріал спученого графіту. В зразка з матеріалу та виникнення дефектів його умовах високих тисків та температур та наявності форми; за рахунок того, що алмаз має розміри таких розчинників, як Со та Ni, спучений графіт частинок 20-100мкм, порошки мають необхідну переходить в алмаз. Його відмінною рисою є абразивну стійкість, згідно [ДСТУ 3292-95], добре утворення більшої кількості центрів кристалізації, спікаються та, відповідно, матеріал буде мати що приводить до отримання дрібнозеренної високу міцність; а за рахунок того, що вуглецевий структури. Окрім цього спучений графіт матеріал додатково містить спучений графіт в переходить в алмаз при більш низьких тисках кількості 1-2мас.%, забезпечується глушення порівняно зі звичайним графітом. процесу формування мікротріщин і, як наслідок, Приклади конкретної реалізації корисної підвищується міцність отриманого алмазного моделі наведено у таблиці (додається). полікристалічного композиційного матеріалу. Для випробування міцності були одержані Означене завдання вирішується тим, що у зразки діаметром 5мм та висотою 5мм. Зразки алмазному полікристалічному композиційному були спечені в апараті високого тиску типу тороїд з матеріалі, що містить оболонку, в якій розміщено діаметром центрального заглиблення 30мм. Для як вуглецевий матеріал алмаз і метали, згідно виготовлення зразків алмазного полікристалічного корисної моделі, оболонка виконана з композиційного матеріалу було відпресовано тугоплавкого металу, як метали він містить багатопозиційні комірки-нагрівачі, з графіту кобальт та нікель і додатково - карбіди діаметром 18мм та висотою 6мм з циліндричними тугоплавких металів, при наступному отворами діаметром 5мм. В циліндричних отворах співвідношенні компонентів, мас. %: розміщували оболонку з тугоплавкого металу алмаз 83-91 ніобія товщиною 0,1мм. При використанні кобальт 4-7 оболонки товщиною менш, ніж 0,02мм в процесі нікель 1-5 спікання алмазні зерна можуть проникати крізь неї, карбіди тугоплавких металів 2-4, внаслідок чого утворюються окремі ділянки, що при цьому товщина оболонки складає 0,02-0,15мм, залишаються не просоченими при паянні вставок в алмаз має розміри частинок 20-100мкм, а корпус інструмента. Оболонку товщиною більше, вуглецевий матеріал додатково містить спучений ніж 0,15мм недоцільно використовувати внаслідок графіт в кількості 1-2мас.%. зменшення діаметра вставок із матеріалу, що Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю отримується та наявності більшої кількості ознак, що заявляється, і технічними результатами, матеріалу низької зносостійкості. Попередньо які досягаються при її реалізації, полягає в виготовляли суміш з металів кобальта, нікелю та наступному. карбіду тугоплавкого металу WC. Отриману суміш Відомо, що високий рівень фізико-механічних змішували з алмазним порошком зернистістю 160властивостей полікристалу визначається 125. Доцільно використовувати алмазні порошки наявністю неперервного каркасу алмазних часток зернистістю 20-100мкм, зазначений розмір зерен є та, в першу чергу, з формуванням зв'язку алмазоптимальним, тому, що матеріал має необхідну алмаз та з утворенням високодисперсної зеренної абразивну стійкість та добре спікаються. Шихту, структури. Основну роль у формуванні зв'язку отриману з алмазів, Co, Ni та WC засипали в алмаз-алмаз належить пластичній деформації оболонку з Nb та розміщували в комірці високого алмазних частинок під дією високого тиску та тиску. Спікання здійснювали при тиску 8ГПа, температури. При цьому формування міжалмазних температурі 1900К та тривалості нагрівання 90с. границь визначається, головним чином, розвитком Приклад 1. масопереносу в місцях взаємного Описаним способом виготовили зразки мікроіндентування зерен. Такі добавки як кобальт алмазного полікристалічного композиційного та нікель, при спіканні в межзеренних проміжках матеріалу, що містить мас. %: виконують роль технологічного середовища, в алмаз 87 якому відбувається взаємодія в системі алмазкобальт 6 добавка і проходить процес перекристалізації нікель 4 5 28142 карбіди тугоплавких металів 3 Отримали зразки полікристалічного композиційного матеріалу на основі алмазу в оболонці з тугоплавкого металу діаметром 5мм та висотою 5,2мм. В подальшому було проведено Прототип шліфовку зразків з матеріалу вільним абразивом для отримання плоскопаралельних площин їх торців для виключення похибок при вимірюванні їх міцності. На розривній машині зусиллям до 50кН було проведено випробування міцності отриманих зразків в кількості 10шт. при одноосному статистичному стисканні. Довірчий інтервал величини міцності при коефіцієнті надійності 0,95 не перевищував 0,2ГПа. Результати випробувань наведено в таблиці. В подальшому в шихту додатково вводили спучений графіт. Як видно з таблиці, приклад 1, використання пропонованої корисної моделі дає можливість підвищити міцність матеріалу, але використання оболонки товщиною 0,1мм за п. 2 та алмазу з розміром частинок 40-28мкм за п. 3 дозволяє підвищити міцність матеріалу до міцності зразків з твердого сплаву ВК 20, ВК 15 - приклади 2-8 таблиці (див. таблицю). Приклади 9-10 наведено для тих випадків, які стосуються п. 4 формули винаходу. Приклади 11-18 за межами заявлених ознак. Вміст добавок металів кобальту та нікелю вище верхньої границі, призводить до виплавлення їх розчинів з оболонки. Вміст добавок WC та злученого графіту вище верхньої границі, приводить до виникнення дефектів в зразках матеріалу у вигляді тріщин, сколів та т.п. Вміст добавок кобальту, нікелю, WC та спученого графіту, згідно нижньої границі, призводить до зменшення міцності. 6 16 0,1 40-28 87,5 6 4 1 17 0,1 40-28 82 7 5 4 18 0,1 40-28 92 4 1 2 19 Таблиця Об'єкт випробувань Матеріал за винаходом, що заявляється № п/п Склад суміші з порошку алмазу та добавок, % Товщина Розмір (по масі) оболонки, частинок мм алмазу Порошок Co № WC Сспуч алмазу Міцність, ГПа 1 0,2 160-125 87 6 4 3 28 2 0,1 40-28 85,5 6 4 3 1,5 35 3 0,1 40-28 86,5 7 4 3 1,5 36 4 0,1 40-28 87,5 4 4 3 1,5 34 5 0,1 40-28 84,5 6 5 3 1,5 36 6 0,1 40-28 86,5 6 3 3 1,5 33 7 0,1 40-28 84,5 6 4 4 1,5 33 8 0,1 40-28 86,5 6 4 2 1,5 33 9 0,1 40-28 86 6 4 3 1 35 10 0,1 40-28 85 6 4 3 2 35 11 0,1 40-28 83,5 8 4 3 1,5 12 0,1 40-28 88,5 3 4 3 1,5 13 0,1 40-28 83,5 6 6 3 1,5 14 0,1 40-28 88,5 6 0,5 3,5 1,5 15 0,1 40-28 83,5 6 4 5 1,5 Примітки Виплавлення Co-Ni 24 Низька міцність Виплавлення Co-Ni 20 Низька міцність Виникнення тріщин