Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу

Корисна модель стосується області одержання керамічних матеріалів, а саме способів одержання композиційних матеріалів на основі алмазу при спіканні композиційних та полікристалічних матеріалів на основі алмазу в умовах високих тиску і температури. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу [патент України № 65297, М.кл7С22С26/00 опубл. Бюл. № 3, 15.03.04], який включає формування алмазної маси та просочувального шару, що містить принаймні кремній в кількості, достатній для просочування алмазної маси, графіт, нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію та порошки титану або діоксиду титану (Тi02), і/або порошок молібдену (Мо), і/або порошок алюмінію (Аl), нагрівання цієї системи при високих тисках до температури достатньої для плавлення кремнію і витримку при цій температурі. Недоліком описаного способу є те, що отриманий за цим способом композиційний матеріал має недостатню зносостійкість при правці абразивних кругів. Випробування матеріалу за прототипом, використаного для виготовлення олівців для правки абразивних кругів показали, що на початку процесу вони добре правлять. Коли ж площина зносу матеріалу збільшується, починається нагрівання зразка і збільшується знос матеріалу. В основу корисної моделі покладено завдання такого удосконалення способу одержання композиційного матеріалу на основі алмазу, при якому завдяки вибору складу алмазної маси забезпечується такий технічний ефект, як підвищення загальної твердості матеріалу і, як наслідок, підвищується зносостійкість отриманого композиційного матеріалу. Означене завдання вирішується тим, що у способі одержання композиційного матеріалу на основі алмазу, який включає формування алмазної маси та просочувального шару, що містить принаймні кремній в кількості, достатній для просочування алмазної маси, графіт, нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію та порошки титану або діоксиду титану (Тi02), і/або порошок молібдену (Мо), і/або порошок алюмінію (Аl), нагрівання цієї системи при високих тисках до температури достатньої для плавлення кремнію, і витримку при цій температурі, згідно корисної моделі при формуванні використовують алмазну масу мікропорошків з розмірами частинок 20-60мкм, в яку додатково вводять термостійкі монокристалічні алмази в кількості 30-50% з розміром частинок 80-125мкм, при цьому як додатково введені термостійкі монокристалічні алмази найкраще використовувати монокристали кубооктаедричного габітусу. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що з'являється, і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. При формуванні структури композиційних матеріалів, для яких характерним є однорідність розподілу алмазних часток і зв'язуючого матеріалу, нагрівання системи - алмазні частки та просочуючий шар - відбувається в вакуумі. Такі композити можуть бути використані як конструкційні деталі, наприклад для виготовлення деталей для підшипників. При формуванні полікристалічної структури на основі алмазу під дією високих тисків просочування алмазного каркасу кремнієм приводить до формування в міжалмазних проміжках карбіду кремнію. Такі композиційні матеріали мають твердість 50-55ГПа. Введення графіту, нанопорошків алмазу та титану приводить до збільшення міцності матеріалу, але твердість не збільшується. Тому такий матеріал може бути використаним для виробництва вигладжувачів і т.п. Додаткове введення в алмазну масу із мікропорошків з розміром частинок 20-60мкм термостійких монокристалічних алмазів з твердістю 80-100ГПа приводить до збільшення твердості матеріалу та його зносостійкості. Оптимальна кількість добавки термостійких монокристалічних алмазів кубооктаедричного габітуса з розміром частинок 80-125мкм дорівнює 30-50% від загальної кількості алмазної маси. Вибір термостійких монокристалічних алмазів кубооктаедричного габітусу пояснюється тим, що в зоні контакту алмаз-правлячий абразивний круг температура дорівнює 1200-1300°С. При нагріванні до таких температур міцність серійних синтетичних алмазів знижується в кілька разів. Кількість додатково введених термостійких монокристалічних алмазів кубооктаедричного габітусу визначено експериментально. Приклади конкретної реалізації пропонованого способу. Для випробування зносостійкості композиційного матеріалу при правці абразивних кругів були одержані зразки діаметром 1,5мм і висотою 2,2мм. Для виготовлення зразків з лускоподібного графіту пресували тигель діаметром 1,8мм, висотою 2,6мм із циліндричними гніздами діаметром 1,7мм. В алмазну масу з розміром частинок 28-40мкм (АСМ 40/28) додатково вводили термостійкі монокристалічні алмази кубооктаедричного габітусу з розміром частинок 100-125мкм (АС100Т 125/100). Суміш засипали в кульовий млин і проводили змішування протягом 20 хвилин. Після цього алмазну суміш засипали в циліндричні гнізда графітового тиглю. Для формування просочуючого шару приготували суміш, яка містить - 47,6 мас. % кремнію з розміром частинок менше 100мкм, 28,6 мас. % лускоподібного графіту, 19 мас. % алмазного нанопорошку з розміром частинок 0,002-0,01мкм та 4,8 мас. % титану (10 мас. % від кількості кремнію) з розміром частинок 5-10мкм. Суміш засипали в кульовий млин і проводили змішування протягом 30 хвилин. Після цього із суміші пресували диски діаметром 18мм, висотою 1мм. Таким диском закривали гнізда тиглю, в яких розміщена алмазна маса (суміш), і розміщували їх у комірці високого тиску. Спікання виконували в апараті високого тиску типу тороїд протягом 90с при тиску 8ГПа, температурі 1400°С. Отримали зразки композиційного матеріалу на основі алмазу діаметром 1,5мм і висотою 2,2мм. Після спікання була проведена хімічна обробка спечених зразків для очищення їхньої поверхні від залишків графіту. Після металізації зразків їх запаювали в отворі сталевого тримача. Зносостійкість зразків та їх придатність для правки абразивних кругів випробували при правці кругів ПП 600х63х305 14АПСМ227К6 на круглошліфувальному станку ЗБ 151 при таких режимах: VКР= 35м/с, Snon = 0,02мм/ход, Sпрод = 0,8м/хв, охолодження - 20л/хв., тривалість іспиту t = 15хв. Витрати абразиву рахували по формулі: phг Paбб = (D1 + D 2 )(D1 - D 2 ), 4000 де g = 2,5 г/см 3 h - ширина круга. Результати випробувань - питомі витрати зразка одержаного композиційного матеріалу на основі алмазу наведені в таблиці (див. додаток 1). При правці абразивних кругів олівцями із Славутича, які спікають з застосуванням природних алмазів зернистістю 500-600мкм, питомі витрати дорівнюють 3-5мг на кг абразиву. Як видно з таблиці (див. додаток 2), використання винаходу, що заявляється - способу одержання композиційного матеріалу на основі алмазу, дає можливість підвищити зносостійкість матеріалу при правці абразивних кругів. Питомі витрати одержаного матеріалу дорівнюють витратам при правці кругів олівцем з Славутича. Застосування для спікання Славутича дефіцитних та в 3-5 разів дорожчих природних алмазів в порівнянні з синтетичними показує значну перевагу одержаного композиційного матеріалу для правки абразивних кругів. / Після правки кругами з одержаного матеріалу шліфували сталеві зразки O 70х40мм з сталі ШХ15 твердістю HRc62-64 при режимах: V кр=35м/с, поперечна подача Snon - 0,02м/дв.хід, Sпрод - 0,8м/хв., швидкість обертів зразка 200об/х. Було встановлено, що на шліфованій поверхні сталевого зразка були відсутні припали. Шорсткість поверхні Ra дорівнює 0,498-0,597мкм, що відповідає 8 класу чистоти. Таким чином олівці з одержаного композиційного матеріалу при правці абразивних кругів не поступаються олівцям з Славутича, оснащеними природними алмазами. Приклади 1-3, 6-8 таблиці 2 (додається), наведено для тих випадків, які стосуються заявлених ознак. Приклади 4-5, 9-12 за межами заявлених ознак. Приклад 14 - відтворення композиційного матеріалу за прототипом. Приклад 15 - відтворення матеріалу славутич з природними алмазами. Низький вміст термостійких монокристалічних алмазів в алмазній масі обмежено тим, що при меншій, ніж 30% кількості таких алмазів (від загальної маси алмазів) питомі витрати матеріалу збільшується - приклади 4 і 8. Верхній вміст термостійких монокристалічних алмазів в алмазній масі обмежено тим, що при більшій ніж 50% таких алмазів (від загальної маси алмазів) погіршується спікання композиційного матеріалу - в ньому з'являються тріщини - приклади 5 і 10. Верхній розмір термостійких монокристалічних алмазів для введення в алмазну масу обмежено тим, що при їх розмірах більше, ніж 125мкм погіршується спікання композиційного матеріалу - в ньому з'являються тріщини приклад 11. Нижній розмір термостійких монокристалічних алмазів для введення в алмазну масу обмежено тим, що при їх розмірах менше, ніж 80мкм збільшуються питомі витрати матеріалу - приклад 12. Синтетичні алмази кристалізуються в основному у вигляді кубів, октаедрів та кубооктаедрів. Кубооктаедр має більше гранів та більш питому поверхню. Тому краще віддати перевагу кубооктаедру для поліпшення утримання термостійких монокристалів в алмазній масі мікропорошків після їх спікання. Так, введення в алмазну масу термостійких монокристалічних алмазів октаедричного габітусу збільшує питомі витрати матеріалу - приклад 13. Додаток 1 Таблиця Найменування показників Результати експериментів 1 2 3 Початкова маса зразка (Р1), (г) 17,7770 17,7770 17,7750 Кінцева маса зразка (Р2), (г) 17,7743 17,7753 17,7730 Початкові покази глибиноміра, (мм) 21,7 23,6 25,5 Кінцеві покази глибиноміра, (мм) 23,6 25,5 27,5 Початковий діаметр (Д1), (мм) 600,0 596,2 594,3 Кінцевий діаметр (Д1), (мм) 596,2 592,4 590,3 Витрати абразиву, (кг) 0,562 0,558 0,586 2,7 1,7 2,0 4,80 3,04 3,41 Витрати (P1-P2) зразка, (мг) Питома витрата зразка, (мг/кг) Додаток 2 Таблиця Об'єкт випробувань № Склад алмазної маси, % Питомі витрати, (мг/кг) ACM 40/28 1 50 50 3,0 2 60 40 3,5 3 70 30 4,0 4 80 20 6,0 5 40 60 тріщини 6 50 50 3,2 7 60 40 4,0 8 70 30 4,5 9 80 20 7 10 Спосіб за корисною моделлю, що заявляється ACT 125/100 40 60 тріщини 11 30 12 50 13 Спосіб за патентом України № 65297 Правлячі олівці з Славутича 50 50 октаедри ACT 100/80 ACT160/ 125 ACT 80/63 70 тріщини 50 7 5,5 14 нагрівання зразків >15 15 3-5