Алмазно-твердосплавна пластина

1. Алмазно-твердосплавна пластина, що містить алмазний шар і твердосплавну пластину, яка відрізняється тим, що алмазний шар і твердосплавна пластина додатково містять диборид хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: алмазний шар: алмази 90-97 диборид хрому 0,5-10,0 твердосплавна пластина: твердий сплав 90,0-99,5 диборид хрому 0,5-10,0. 2. Алмазно-твердосплавна пластина за п. 1, яка відрізняється тим, що алмазний шар додатково містить металеве зв'язуюче, що є принаймні одним металом з наступного ряду: кобальт, нікель, залізо, молібден, титан, цирконій. 3. Алмазно-твердосплавна пластина за п.1 або п.2, яка відрізняється тим, що алмазний шар і твердосплавна пластина додатково містять борид вольфраму (W2B5) у кількості 0,1-5,0 мас.%. UA (21) 2003043732 (22) 23.04.2003 (24) 16.01.2006 (46) 16.01.2006, Бюл. № 1, 2006 р. (72) Новіков Микола Васильович, Рибчич Ілля Йосипович, Крижанівський Євстахій Іванович, Бондаренко Микола Олександрович, Мечник Володимир Аркадійович, Жуковський Олександр Миколайович (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М.БАКУЛЯ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) SU 814987, 23.03.1981 RU 94019068/33 A, опубл. 30.04.1995 US 4403015 A, 06.09.1983 JP 2001247366, 11.09.2001 Шатт В. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы/ Перевод с немец. под ред. Натансона А.К. - М.: Металлургия, 1983. С.390-400 C2 2 (19) 1 3 63469 4 інтерметалеві сполуки і шари, які знижують фізико-механічними властивостями алмазномеханічні властивості і зносостійкість спеченого твердосплавної пластини. матеріалу. При спіканні пластинки нагріваються до Нами була побудована феномологічна модель температури 1200-1700°С, а після швидкого їх процесу спікання алмазовмісних композиційних охолодження виникають температурні напруження матеріалів для полідисперсних систем. Модуль сумірні з модулем міцності і навіть його перевибазується на положенні, що швидкість усадки щують, що призводить до появи мікротріщин і спікання і швидкість хімічної реакції пропорційна тріщин в проміжному і алмазному шарах, це придобутку узагальненої константи швидкості процезводить до деградації експлуатаційних властивосу, в якій енергія активації залежить від темперастей пластини. тури і тиску, і модельній функції, яка задовольняє В основу винаходу покладено завдання такого умові фізичної залежності механізмів переносу удосконалення алмазно-твердосплавної пластини, маси при спіканні від параметрів системи, і найкпри якому, за рахунок введення дібориду хрому в ращим чином апроксимує експериментальні решихту твердосплавної пластини і алмазного шару і зультати. Отримані рівняння дозволяють обчислипропонованого співвідношення компонентів забезти енергію активації системи і кінетичні параметри печується утворення гомогенної структури з міцмасопереносу (механізм переносу маси за рахунок ним каркасом твердосплавної пластини і алмазнодифузії і зародкоутворення нових фаз) при задаго шару і хімічного зв'язку між ними зменшення них умовах температури і тиску. крихкості, і, як наслідок створення такої структури При додаванні в ці шари дібориду вольфраму підвищення термостійкості, міцності і зносостійкос(W2B5) додатково збільшуються модулі пружності, ті матеріалу. Крім того, виключається операція опору і зсуву, що суттєво впливає на міцність, зновиконання проміжного шару, що значно спрощує состійкість і надійність алмазно-твердосплавної процес їх отримання. пластини. Означене завдання вирішується завдяки тому, Межі вмісту CrB2 і W2В5 в шихті визначали, вищо в алмазно-твердосплавній пластині, що містить ходячи з умови основного завдання - підвищення алмазний шар і твердосплавну пластину, згідно термостійкості, міцності і зносостійкості матеріалу. винаходу алмазний шар і твердосплавна пластина Верхні межі вмісту СrВ2 і W2B5 обмежувались містять діборид хрому при наступному співвідноумовами спікання, при яких температура і тиск не шенні компонентів, мас. %: перевищували значень, відповідно 1700°С і алмазний шар: алмази -90...97 8,0ГПа. При цих умовах з отриманих кінетичних діборид хрому -0,5...10 рівнянь визначали ті мінімальні значення енергії твердосплавна пластина: активації системи, що спікається, для якої твердий сплав -90...99,5 кінетичний параметр m, що характеризує масопедіборид хрому -0,5...10 ренос за рахунок дифузії, а кінетичний параметр, Оптимальним при цьому є, коли алмазний шар який характеризує зародкоутворення нових фаз і додатково містить металеве зв'язуюче, як таке швидкість його зросту n наближувались до знапринаймні один метал з наступного ряду: кобальт, чень, відповідно 1/3 і 4 на етапі ущільнення. Ті нікель,залізо, молібден, титан, цирконій, а алмазкількісні значення СrВ2 і W2B5, при яких енергія ний шар і твердосплавна пластина містять діборид активації набуває найменших значень при m=1/3, вольфраму (W2B5) у кількості 0,1...5мас.%. а n=4 і є суттєвими для формування найкращих Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю фізико-механічних властивостей і структури ознак, що заявляється і технічними результатами, матеріалу, що спікається. які досягаються при її реалізації, полягає у наступВинахід проілюстровано кресленнями, де на ному. фіг.1 показано спорядження комірки високого тисЗавдяки введенню у шихту для твердосплавку перед спіканням, на фіг.2 - загальний вигляд ної пластини і алмазний шар активних тугоплавких алмазно-твердосплавної пластини після спікання. сполук дібориду хрому (СrВ2) проходять узагальПриклад 1 нення не тільки валентних, але і внутрішніх електДля спорядження комірки високого тиску ронів добудівного d-рівня атомів хрому і вольфра(фіг.1) було взято контейнер з літографського каму, що проявляється в дуже міцній гексагональній меню 1, теплоізолюючий диск 2, спресований з структурі. Шар із атомів хрому розміщується по пірофіліту, нагрівні елементи - диски 3 та трубчагексагональній щільноупакованій решітці, чередутий нагрівник 4, виготовлені з графіту, твердоючись з шарами з атомів бору, утворюючи гексасплавну пластину 5, спечену із сплаву ВК4, в шихгональну двовимірну сітку. Ці обставини дають ту якого введено 1,0мас. % СrВ2 і 1,0мас. % W2B5, можливість атомам СrВ2 і W2B5 утворювати міцні алмазний шар 6, що складається перед спіканням хімічні зв'язки як у власних кристалах, так і в споз суміші алмазного порошку марки АСМ 60/40 з луках з іншими елементами. Крім цього, атоми розмірами частинок 40...60мкм (94мас. %), порошСrВ2 завдяки своїм хімічним активностям утворюку Co (4мас. %), порошку CrB2 (1,5мас. %) і порошють активні зародки з іншими атомами системи і ку W2B5 (0,5мас.%) з розмірами частинок зумовлюють їх тривимірне зростання на усьому 5...10мкм, електроізолюючий диск 7, спресований проміжку спікання, що сприяє дифузії і самодифуіз графітоподібного нітриду бору, провідники елекзії елементів і переносу маси і тепла, і, як наслітричного струму - молібденовий диск 8 та залізний док, зменшується термонапруження. В результаті циліндр 9, втулку 10 з літографського каменю. таких ефектів протікає структурно-фазова трансСпорядження здійснювали за схемою, показаною формація усіх компонентів, що сприяє формуванна фіг.1. Спікання виконували в апараті високого ню дрібнозернистої структури з міцним каркасом і тиску типу тороїд по слідуючій схемі і режимах: 5 63469 6 протягом трьох хвилин тиск збільшували до 8ГПа з абсолютною температурою То, втрачає кількість постійною швидкістю 44,4МПа/с і паралельно витепла, яке віднесене до одиниці її поверхні за одиконували нагрівання до 1700°С з постійною ницю часу по закону: 4 4 швидкістю 9,4°С/с. При температурі 1700°С при Q 0 , постійному тиску 8ГПа протягом двох хвилин виде - постійна Стефана-Больцмана; конували спікання. Далі протягом 3...5хв. тиск Е - відносна випромінювальна здатність зменшували до атмосферного і паралельно викоповерхні (ступінь чорноти). нували охолодження до 80°С за рахунок Для карбідів вольфраму вона 0,7; дібориду вимушеної конвекції. Отримано зразки алмазнохрому і бориду вольфрама 0,9; для суміші твердосплавних пластин діаметром 15мм, висопорошків алмазів і кобальту 0,93. тою 4мм. Після спікання була проведена Таким чином з великою точністю визначені механічна обробка зразків матеріалу до стану, температурні напруження в алмазнопридатного для дослідження структури і фізикотвердосплавній пластини, які за рахунок активної механічних властивостей. Алмазно-твердосплавна дифузії (ковалентного зв'язку між алмазним шаром пластина (фіг.2) складається з твердосплавної і твердосплавною пластинкою), відсутності інерпластини 5 і алмазного шару 6, який утворено ційних карбідів, карбонітридів і т.п., високої тепловнаслідок спікання системи в умовах високого тиспровідності і переносу тепла в умовах спікання ку і температури. На скануючому електронному суттєво зменшуються і не перевищують фізикомікроскопі (РЭМ) ВS-340, оснащеному системою механічних властивостей матеріалу. Після цього цифрової обробки зображення і енергетичним визначали їх зносостійкість за величиною питомих аналізатором рентгенівських спектрів "Link-860" витрат робочої кромки пластини після шліфування виконувався якісний аналіз розподілення фаз на ними кварцевого пісковика на шляху терті 1000М. основі цифрових зображень в характерному Приклади 1-6 див. Таблицю, де наведено для випромінюванні елементів характерних фаз. тих випадків, які стосуються заявлених ознак. ПриПроведені дослідження показали, що алмазний клади 7-10 - за межами заявлених ознак. Приклад шар містить 94мас. % алмазів, 4,2мас. % кобальту, 11 - відтворення алмазно-твердосплавної пласти1,4мас. % дібориду хрому, 0,4мас. % бориду ни за прототипом. Зміну складу шарів АТП досягавольфраму (W2B5), при цьому кінцевий склад ли за рахунок виконання окремої шихти для кожзразків відрізняється від початкової шихти, що ного зразку матеріалу. підтверджує наявність гетерогенних дифузійних Як видно з таблиці, завдяки пропонованому процесів, які сталися під час спікання. Внаслідок винаходу температурні напруження зменшуються введення дібориду хрому і бориду вольфраму на 30ГПа, коефіцієнти теплопровідності алмазного (W2B5) утворилися тверді розчини і нові активні шару і твердосплавної пластини збільшуються, фази, відбулося їх тривимірне зростання на всьовідповідно на 250 і 5Вт/(м. К) і стійкість проти абму проміжку спікання, що стимулювало дифузійні разивного зрошування збільшилась до півтора процеси, дало змогу рівномірно розподілитись усім разів в порівнянні з прототипом. елементам системи по об’єму матеріалу, створити Алмазно-твердосплавні пластини можуть бути самодифузію і міцне адгезійне зчеплення алмазвикористані як породоруйнівні вставки в бурових ного шару з твердосплавною пластиною. При цьодолотах, фрезах для різання металевих плит, дему на поверхні границі "алмазний шарревини і т.д. твердосплавна пластина" зовсім відсутні Робота алмазного бурового долота з викорисмікропори і мікротріщини. танням вказаної пластини не відрізняється від роДля визначення температурних напружень буботи з використанням відомих, якими оснащувала розглянута математична модель термопружнолись бурові долота, за виключенням зниження го стану алмазно-твердосплавної пластини, які вартості пайки при виготовленні доліт та викорисвиникають у двушаровій неоднорідній пластинці в тання дешевих припоїв та розширення можливосумовах дії високого тиску і температури. Модуль тей буріння за рахунок високої термостійкості, зновраховує особливості спікання і охолодження за состійкості і міцності запропонованої пластини. рахунок вимушеної конвекції і випромінювання Алмазно-твердосплавні пластини паяються по абсолютно чорного тіла. При охолодженні пластизовнішній поверхні корпусу долота, яка обертаєтьни тепловий потік з її поверхні не є лінійною ся з постійною швидкістю, а швидкість буріння зафункцією різниці температур між цією поверхнею лежить від типу гірської породи. та середовищем, яке її оточує. Тут враховано, що пластинка обмежена абсолютно чорним тілом з 7 63469 8 Таблиця Об’єкт випробувань № п/п Склад алмазно-твердосплавної пластини, мас. %: Показники ефективності Алмазний шар Твердосплавна пластина Сумарне темпер. Теплопровід. Зносостійкість, Металеве зв'язуюче Діборид Твердий Вт(м.к) г/м W2B5 хрому W2B5 напруження, сплав Co Ni Fe Mo Ті Zr ГПа (СrВ2) 4,0 0,5 98 1 1 10,8 400 0,0020 6 2,0 1,0 90 10 18,8 300 0,0030 1,0 1 0,1 99,7 0,3 8,9 420 0,0020 1 1 98 1 1 9,0 450 0,0025 98 1 1 8,8 450 0,24 99,5 0,5 39,1 320 0,0029 1 2 3 4 5 6 94 90 97 97 99,5 90 Діборид хрому (CrB2) 1,5 1,0 0,9 1 0,5 10 7 85 15 95 3 2 44,2 220 0,0012 8 99,7 1,3 95 3 2 9,0 490 9 10 89 88 9 10 1 2 1 88 99,7 12 0,3 41,0 41,6 238 240 АТП за 11 прототипом 95* 100 40,4 300 Примітки 0,0039 0,0040 0,0035 АТП Згідно винаходу Алмаз и Відокремлення від підкладки Тріщини в алмазному шарі *) Алмазний шар алмазно-твердосплавної пластини за прототипом додатково містить 5 мас. % кобальту. Комп’ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601