Надтвердий абразив з покриттям

Передумови створення винаходу Даний винахід стосується абразивів з покриттям, способу їх одержання та їх застосування в абразивних інструментах. Абразивні частинки, зокрема алмазу або кубічного нітриду бору, звичайно використовують для виготовлення різних різальних, шліфувальних, свердлильних, відрізних та полірувальних інструментів. При виготовленні такого інструмента абразивні частинки змішують із сумішами металевих порошків, а потім одержану суміш спікають при високій температурі, одержуючи різальні елементи, які складаються зі зв'язаних одна з одною металом абразивних частинок. Звичайні матеріали (зв'язки), що зв'язують абразивні частинки, містять залізо, кобальт, мідь, нікель і/або їх сплави. Основні проблеми, які виникають при виготовленні та використанні таких абразивних інструментів, пов'язані з утриманням абразивних частинок у зв'язці та з їх стійкістю до окиснення під час спікання та наступного використання інструмента. Звичайно ці проблеми вирішують шляхом нанесення на абразивні частинки покриттів з металів або сплавів, які утворюють хімічні зв'язки з абразивними частинками та сплави зі зв'язкою. Такі покриття звичайно наносять методом хімічного осадження з парової (газової) фази (ХОПФ) або методом іонного розпилення з конденсацією з парової (газової) фази (КПФ). Прикладом матеріалу, який було запропоновано використовувати для нанесення покриття на абразивні частинки, є карбід титану, який, як відомо, має гарну адгезію до частинок алмазу. Крім карбіду титану для нанесення таких покриттів можна також використовувати карбід хрому. Проблема, яка виникає при використанні покриттів з карбіду титану, пов'язана з наявністю у деяких зв'язках бронзи або Си, які мають схильність до взаємодії з карбідом титану, що може привести до зниження або нейтралізації будь-якої дії, спрямованої на підвищення міцності утримування частинок абразиву у зв'язці. У тих випадках, коли у зв'язці містяться метали, які звичайно використовують як розчинники/каталізатори при синтезі алмазів, відбувається графітизація поверхні частинок алмазу. До таких металів належать, зокрема, Fe, Co та Ni. У розплавленому стані ці метали можуть розчиняти алмаз, який при охолодженні кристалізується та утворює графіт. Графітизація поверхні алмазу не тільки послаблює абразивні частинки, але й може привести до послаблення зв'язків, які утримують їх у зв'язці. Процес виготовлення різальних інструментів, наприклад, спікання сегментів, які містять алмазні частинки, пилок може відбуватися в присутності кисню, який або міститься в поверхневих шарах оксидів, або який розчинений в металевих порошках, що утворюють зв'язку, або який міститься в газоподібному вигляді в повітрі, або який виділяється в процесі нанесення самого покриття з карбіду титану. При температурі спікання такий кисень агресивно впливає на поверхню алмазних частинок, знижуючи їх міцність. У даному винаході пропонується надтвердий абразив з покриттям, який містить серцевину з надтвердого абразивного матеріалу, внутрішній шар з карбіду, нітриду, бориду або карбонітриду металу, хімічно зв'язаного із зовнішньою поверхнею надтвердого абразивного матеріалу, і зовнішній шар з карбонітриду металу, зокрема карбонітриду титану. Зовнішній шар краще наносити на внутрішній шар конденсацією з парової фази. Надтвердий абразивний матеріал звичайно являє собою абразивний матеріал на основі алмазу або кубічного нітриду бору (cBN) і може бути представлений у вигляді абразивних частинок алмазу або cBN, підкладок з полікристалічного алмазу (ПКА), підкладок з термостабільного полікристалічного алмазу (ТСПКА), підкладок з полікристалічного нітриду бору, одержаної методом ХОПФ алмазної плівки або монокристалічних алмазних підкладок. Внутрішній шар покриття утворений елементом, який (індивідуально або в сполученні з іншими елементами) здатний при його нанесенні гарячим методом на поверхню(-і) абразивного матеріалу утворювати карбіди, нітриди або бориди. Звичайно до таких елементів відносять елементи груп IVa, Va, VIa, ІIIb та IVB Періодичної таблиці елементів. У пропонованому у винаході абразиві із серцевиною з алмазного абразивного матеріалу внутрішній шар переважно являє собою покриття з карбіду титану або хрому, а в абразиві із серцевиною з абразивного матеріалу на основі cBN - покриття з нітриду, бориду або боронітриду титану або хрому, що, однак, не виключає можливості використання для нанесення внутрішнього шару і інших елементів, таких як ванадій, молібден, тантал, індій, цирконій, ніобій, вольфрам, алюміній, бор або кремній. Кращі варіанти здійснення винаходу Даний винахід стосується різних видів абразивного матеріалу з покриттям, однак для спрощення нижче розглянутий в основному тільки один варіант його можливого здійснення, зокрема нанесення покриття на алмазний абразив. Титан добре зарекомендував себе як матеріал для нанесення покриття на підкладки (серцевини) з алмазу, на який його можна наносити у вигляді його карбіду, та з cBN, на який його можна наносити у вигляді його нітридів і боридів. Пов'язано це з тим, що зазначені сполуки титану здатні хімічно зв'язуватися з підкладкою (серцевиною абразиву) і захищати її від зовнішніх впливів. Однак, як вже зазначено вище, застосування цих матеріалів не завжди можливо, особливо при їх спіканні в агресивних умовах у присутності бронзи або міді та при вмісті у зв'язці, наприклад, чорних металів або в присутності кисню. При створенні винаходу було встановлено, що переваги титанових покриттів можна використовувати і в інших алмазних абразивах, у яких на покриття на основі титану нанесений зовнішній шар покриття з карбонітриду металу, зокрема з карбонітриду титану. У першу чергу це стосується тих випадків, коли для виготовлення компонентів абразивного інструмента під час спікання у зв'язці, яка містить чорні метали, як основу використовують алмазний абразивний матеріал. Зовнішній шар з карбонітриду металу утворює бар'єр, який перешкоджає дифузії Co, Fe та Ni з металевої зв'язки, що їх містить, і тому може використовуватися при низькому вмісті Сu у Fe, Co та Си при виготовленні абразивного інструмента методом гарячого пресування та у сполученні зі зв'язками, які складаються із чистого заліза, навіть при тривалому спіканні при високих температурах. Зовнішній шар з карбонітриду металу можна також з успіхом використовувати при необхідності запобігти взаємодії внутрішнього шару з карбіду титану, нанесеного на алмазні частинки, з компонентом металевого матеріалу, наприклад, із бронзою та міддю, що використовуються для припаювання матеріалу, який містить такі алмазні частинки, до іншого металевого або керамічного матеріалу, або при спіканні або фільтрації порошку для одержання фільтрованого порошкового матеріалу Зовнішній шар з карбонітриду металу особливо ефективний при виготовленні просоченого алмазного інструмента, зокрема, сегментів дискових пилок, свердлів, втулок (перлин) для алмазного різального дроту, особливо в тих випадках, коли велика кількість бронзи або міді знижує ефективність покриттів з карбіду титану, при виготовленні різальних інструментів із напаяним алмазним шаром, таких як алмазні різальні дроти з напаяними твердим припоєм втулками (перлинами), при виготовленні композиційних матеріалів з алмазовмісною металевою матрицею, при пайці алмазних матеріалів, зокрема, при кріпленні термостійких полікристалічних алмазів (ТСПКА), полікристалічних алмазів (ПКА) та бурових алмазів до корпусу бура, при кріпленні ХОПФ-алмазів, монокристалів, ТСПКА та ПКА до дискової пилки, різцетримача, корпусу бура і т.д. Крім того, зовнішнє покриття з карбонітриду металу у алмазних просочених різальних інструментів підвищує їх довговічність та продуктивність. Пропоновані у винаході алмазні частинки з покриттям дозволяють використовувати для пайки прості тверді припої та працювати на відкритому повітрі на відміну від Ті-вмісних активних припоїв, які вимагають роботи з ними під час відсутності кисню. Пропоновані у винаході абразивні частинки з покриттям переважно одержують шляхом гарячого нанесення внутрішнього шару та нанесенням зовнішнього шару конденсацією з парової фази. Як алмазні абразивні частинки використовують ті ж частинки, які звичайно використовують для виготовлення абразивних інструментів з металевою зв'язкою. Звичайно такі частинки мають однакові розміри від 0,1 до 10мм. Як приклади таких алмазних абразивних частинок можна назвати мікронні абразивні частинки розміром від 0,1 до 60мкм, абразивні частинки розміром від 40 до 200мкм для шліфувальних кіл, абразивні частинки розміром від 180мкм до 2мм для пилок, монокристали розміром від 1 до 10мм, виготовлені методом ХОПФ алмазні вставки площею декілька квадратних міліметрів для різальних дисків діаметром до 200мм, вставки з ПКА площею декілька квадратних міліметрів для різальних дисків діаметром до 104мм, абразивні частинки з cBN розміром від 0,1 до 60мкм, а для шліфувальних кругів - з розміром від 40 до 200мкм, вставки з полікристалічного нітриду бору (PCBN) розміром у декілька міліметрів для різальних дисків діаметром до 104мм. На алмазні частинки спочатку гарячим методом наносять внутрішній шар з металу або його карбіду, нітриду або карбонітриду. На частинки з cBN внутрішній шар звичайно наносять із нітриду, бориду або боронітриду металу. При гарячому нанесенні покриття, покриття на основі металу наносять на частинки, які є підкладкою або основою алмазу, у відповідних високотемпературних умовах, у яких між покриттям та алмазом утворюються міцні зв'язки. Як приклад типових методів гарячого нанесення покриття, які можна використовувати в цих цілях, можна назвати методи осадження з парової фази термічним розкладанням галогенідів металів, методи ХОПФ, методи нанесення покриттів термодифузією у вакуумі або методи металізації осадженням з парової фази. Кращі при цьому методи осадження з газової фази термічним розкладанням галогенідів металів і методи ХОПФ. При нанесенні покриття методами осадження з газової фази термічним розкладанням галогеніду металу на частинки, що покриваються, у відповідній газовій атмосфері (наприклад, у неокиснювальній атмосфері інертного газу, водню і/або вуглеводню і/або при зниженому тиску) впливають галогенідом металу, який утворює покриття (наприклад, Ті). Одержувати галогенід металу можна з відповідного металу також безпосередньо в процесі нанесення покриття. Суміш потім піддають нагріванню, при якому метал, зокрема Ті, що міститься в галогеніді металу, переноситься на поверхню частинок, де він вивільняється й хімічно зв'язується із частинками. Зовнішній шар з карбонітриду металу осаджують на абразивні частинки методом ХОПФ або методом холодного нанесення покриттів, наприклад, методом КПФ, який є кращим. Цей метод являє собою низькотемпературний процес, при якому кількості тепла, що виділяється, недостатньо для утворення міцних хімічних зв'язків між карбідом і підкладкою. Тому при індивідуальному застосуванні цього методу одержуване за ним покриття порівняно слабко зчіплюється з алмазними частинками. Прикладом методу КПФ, який можна використовувати для нанесення зовнішнього шару покриття, є метод нанесення покриттів реактивним (іонним) розпиленням, при якому в процесі нанесення покриття в розпилювальну камеру подають хімічно активний газ, наприклад, газоподібний вуглеводень і/або азот. У результаті взаємодії такого хімічно активного газу з парами металу, які утворюються в процесі його іонного розпилення, відбувається осадження карбонітридів на алмазних частинках. При нанесенні зовнішнього шару цим методом для додаткового поліпшення властивостей зовнішнього шару можна оптимізувати співвідношення Ti:(C,N) та C:N. Зовнішній(-і) шар(-и) звичайно містить(-ять) (індивідуально або в комбінації) карбіди, нітриди, бориди, оксиди та силіциди металів груп IVa, Va, VIa Періодичної таблиці елементів, таких як титан і хром, металів груп IIIВ та IVb, таких як алюміній, і таких елементів, як бор і кремній, а в кращому варіанті містить(-ят) карбід титану, карбонітрид титану, нітрид титану, борид титану або боронітрид титану. Нижче винахід проілюстрований на прикладі, який не обмежує його обсяг. Приклад На частинки алмазного абразиву, який випускається фірмою Element Six, розміром, що проходить через сито номер 40/45 за прийнятною у США класифікацією, звичайними, добре відомими в даній галузі методами шляхом хімічного осадження з парової фази наносили покриття з одержанням покритих шаром ТіС частинок алмазу. Потім частинки алмазу з нанесеним на них методом ХОПФ покриттям з ТіС використовували як підкладку для нанесення на них другого шару покриття. 10000 карат цих покритих шаром ТіС алмазних частинок з розміром, що проходить через сито номер 40/45 за прийнятною у США класифікацією, поміщали в камеру призначеного для нанесення покриттів (іонним) розпиленням магнетронного пристрою з обертовим барабаном і крупною пластиною із металевого титану як іонною мішенню. У камері для нанесення покриття створювали розрідження, потім в неї подавали аргон і включали живлення для одержання плазми. Для нанесення рівномірного покриття на всі алмазні частинки потужність іонного розпилення збільшували під час обертання барабана при тиску аргону, що дорівнює 20 стандартним кубічним сантиметрам, до 10 А (400 В) на мішені. Після цього в камеру разом з газоподібним азотом подавали газоподібний С4Н10 при тиску 5 кубічних сантиметрів доти, поки вимірювана величина оптичної емісії плазми не досягла 70%. Іонне розпилення титану, який реагує з вуглецем та азотом, продовжували протягом 2 год. Після цього алмазним частинкам з нанесеним на них покриттям перед їх вивантаженням з розпилювальної камери давали охолонути. Далі такі алмазні частинки з нанесеним на них покриттям піддавали цілому ряду досліджень , включаючи рентгенівський структурний, рентгенівський флюоресцентний та хімічний аналіз покриття, аналіз одержаних оптичною та сканувальною електронною мікроскопією зображень і проведений на сканувальному електронному мікроскопі (СЕМ) аналіз структури поперечного перерізу частинок після їх руйнування. При візуальній перевірці таке нанесене на алмазні частинки покриття мало темно-червоний/мідночервоний колір. Таке забарвлення було розподілено рівномірно на кожній частинці, і всі частинки виглядали однаково. Покриття на всіх частинках виглядало рівномірним і суцільним. Аналіз на СЕМ у свою чергу показав, що покриття нанесене рівномірним шаром і має злегка шорсткувату структуру. Після цього частинки руйнували і на СЕМ досліджували структуру поперечного перерізу нанесеного на них покриття. На отриманих зображеннях чітко була помітна двошарова структура, у якій товщина шару TiCN становила близько 0,2мкм. На частку цього конкретного покриття припадало за даними аналізу 1,03% від усього поперечного перерізу частинок. При цьому на частку шару ТіС при такому розмірі алмазних частинок у цій їх партії припадало 0,45%. Інша частина з 1,03% припадала, таким чином, на частку шару TiCN, нанесеного поверх внутрішнього шару ТіС. При рентгенівському структурному аналізі в складі частинок були виявлені ТіС та TiCN. За даними рентгенівського флюоресцентного аналізу на частку Ті у покритті припадало 100%.