Надтвердий абразив з покриттям

1. Надтвердий абразив з покриттям, який відрізняється тим, що містить серцевину з надтвердого абразивного матеріалу, внутрішній шар з карбіду, нітриду або карбонітриду металу, який хімічно зв'язаний із зовнішньою поверхнею надтвердого абразивного матеріалу, і зовнішній шар з C2 2 (19) 1 3 83722 Проблема, яка виникає при використанні покриттів з карбіду титану, пов'язана з наявністю у зв'язці бронзи або Cu, 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, при тривалому впливі високих температур 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 графі т. Графітизація поверхні алмазу не тільки послаблює абразивні частинки, але й знижує міцність їх утримання у зв'язці. Для надійного захисту алмазних частинок покриття повинно утворювати бар'єр між ними та зв'язкою. Іншими словами, покриття повинно бути непроникним та щільним, а компоненти зв'язки не повинні проходити через нього та вступати в контакт із поверхнею алмазних частинок. Однією із причин проходження компонентів зв'язки через покриття є, як відомо, твердофазова дифузія. Крім того, при неповному покритті компоненти зв'язки можуть проходити через наявні в ньому тріщини або пори та потрапляти на поверхню алмазних частинок. Спочатку покриття може бути щільним і непроникним, однак під час спікання в результаті фазового перетворення, наприклад, через утворення сплаву елементів покриття з компонентами зв'язки, відбувається зниження щільності покриття або утворення в ньому пор, через які компоненти зв'язки можуть потрапити на поверхню алмазних частинок. У патенті US 5024680 описаний абразивний алмазний матеріал з багатошаровим покриттям, яке призначене для більш міцного утримування алмазних частинок у зв'язці. Запропонований у цьому патенті абразивний матеріал з покриттям має перший шар з карбіду міцного карбідоутворюючого металу, бажано хрому, хімічно зв'язаного з алмазом, і другий металевий шар зі стійкого до окиснення карбідоутворюючого металу, бажано вольфраму, танталу або молібдену, хімічно зв'язаного з першим металевим шаром. Покриття може мати й третій шар зі сплаву металу, наприклад, нікелю. Абразивний матеріал з таким багатошаровим покриттям одержують шляхом нанесення на абразивний матеріал першого шару металу його осадженням з парової фази, на який потім тим же методом хімічного осадження з парової фази наносять другий шар металу. Добре відомо, що такі елементи, як Fe, Co та Ni, можуть графітизувати алмаз. При використанні для нанесення покриття карбіду хрому графітизація алмазу такими елементами, наприклад, залізом, істотно знижує ефективність покриття. Другий шар покриття повинен мати порівняно велику товщину. Тому для утворення хімічних зв'язків між другим та першим шарами покриття, другий шар наносять на перший шар або при дуже високій температурі або виконують окрему операцію нагрівання. 4 У даному винаході пропонується надтвердий абразив з покриттям, який містить серцевину з надтвердого абразивного матеріалу, вн утрішній шар з карбіду, нітриду або карбонітриду металу, хімічно зв'язаного із зовнішньою поверхнею надтвердого абразивного матеріалу, і зовнішній шар з вольфраму, фізично осадженого на внутрішньому шарі. Зовнішній шар краще наносити на внутрішній шар конденсацією з парової фази. Надтвердий абразивний матеріал може являти собою абразивний матеріал на основі алмазу або кубічний нітрид бору (cBN). У пропонованому у винаході абразиві із серцевиною з алмазу, внутрішній шар переважно являє собою покриття з карбіду титан у, а в абразиві із серцевиною з cBN - покриття з нітриду або бориду титан у. При нанесенні зовнішнього покриття з вольфраму конденсацією з парової фази жодна з його ділянок, зокрема його внутрішній шар, не карбідизується., яке Не карбідизоване зовнішнє покриття є ефективним бар'єром, що надійно захищає внутрішній шар і серцевину пропонованого у винаході абразиву. Товщина зовнішнього шару переважно становить від приблизно 0,05 до приблизно 10мкм, краще від приблизно 0,2 до приблизно 1мкм. Титан добре зарекомендував себе як матеріал для нанесення покриття на підкладки (серцевини) з алмазу, наякий його можна наносити в чистому вигляді або у вигляді його карбіду, і з cBN, на який його можна наносити в чистому вигляді або у вигляді його нітридів, боридів або боронітридів. Пов'язано це з тим, що ти тан, відповідно його зазначені сполуки здатні хімічно зв'язуватися з підкладкою (серцевиною абразиву), захи щати її від зовнішніх впливів і підвищувати міцність зчеплення між підкладкою та зв'язувальними речовинами, такими як бронзи або елементи зв'язки. Однак, як вже відзначалося вище, застосування цих матеріалів не завжди можливе, особливо при їх спіканні в агресивних умовах у присутності бронзи або міді та при високому вмісті у зв'язці, наприклад, сплавів на основі заліза. При створенні винаходу було встановлено, що переваги покриттів на основі титану можуть мати й інші абразиви, у яких на покриття на основі титану нанесений зовнішній шар покриття з вольфраму. У першу чергу це стосується тих випадків, коли для виготовлення елементів абразивного інструмента під час спікання у зв'язці, що містить сплави на основі заліза, як основу використовують алмазний абразивний матеріал. Зовнішнє покриття з вольфраму можна також використовувати для виготовлення елементів абразивного інструмента з алмазних частинок з покриттям з карбіду титану, який у процесі спікання абразивних сегментів, які містять алмаз та мають покриття, не повинен вступати в реакцію з компонентами матеріалу зв'язки, наприклад, бронзою, для виготовлення елементів абразивного інструмента, у яких покриття на основі титану не повинно вступати в реакцію з рідкими фільтратами, які використовуються для формування покритого, просоченого порошкового мета 5 83722 левого компонента, який містить алмаз, наприклад, бурових головок, призначених для розвідницького буріння свердловин, або для виготовлення елементів абразивного інструмента, у яких покриття на основі титану не повинно вступати в реакцію із твердими припоями, які використовуються для сполучення надтвердого абразивного компонента з іншим металевим або керамічним матеріалом. Зовнішній шар з вольфраму не має внутрішньої карбідизованої частини, необхідність у якій відпадає з тієї причини, що зовнішній шар є винятково бар'єром, який захищає внутрішній шар та підкладку абразиву, і при невеликій товщині утворює досить міцний зв'язок із внутрішнім покриттям. Зовнішній шар покриття пропонованого у винаході абразиву має товщину від приблизно 0,05 до приблизно 10мкм, краще від приблизно 0,2 до приблизно 1мкм. Зовнішній шар з вольфраму 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 вольфраму 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 Ti-вмісних активних припоїв, які вимагають роботи з ними під час відсутності кисню. Пропоновані у винаході абразивні частинки з покриттям переважно одержують шляхом високотемпературного нанесення внутрішнього шару та нанесенням зовнішнього шару конденсацією з парової фази або низькотемпературним хімічним осадженням 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 2 мм 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 6 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 при високій температурі 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 високотемпературному 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 високотемпературного 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 парової фази термічним розкладанням галогенідів металів і методи ХОПФ. При нанесенні покриття осадженням з парової фази термічним розкладанням галогенідів металів 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, у якому міститься метал, який утворює покриття (зокрема, Ті). Одержувати галогенід металу можна з відповідного металу також безпосередньо в процесі нанесення покриття. Суміш потім піддають нагріванню, при якому Ті, який міститься в галогеніді металу, переноситься на поверхню частинок, де він вивільняється й хімічно зв'язується із частинками. Зовнішній шар з вольфраму осаджують на абразивні частинки методом холодного нанесення покриттів, наприклад, низькотемпературним хімічним осадженням з парової фази (ХОПФ) або бажано конденсацією з парової фази (КПФ). При низькотемпературному осадженні вольфраму кількості тепла, яка виділяється, недостатньою для утворення на поверхні абразивних частинок помітної кількості карбіду. Тому при простому осадженні вольфраму з парової фази вольфрам порівняно слабко зчіплюється з алмазними частинками. Так, наприклад, при КПФ зовнішній шар покриття наносять шляхом (іонного) розпилення. У цьому випадку для одержання потоку парів металевого вольфраму використовують зовнішнє джерело енергії збудження, наприклад, магнетрон. Вироби, наприклад, надтверді абразивні матеріали або компоненти, поміщають для покриття металевим вольфрамом у потік пари металевого вольфраму. Як приклади пропонованих у винаході абразивів з покриттям можна назвати наступні: 1) алмазний абразив з покриттям з карбіду титану та вольфраму (нанесення покриття з карбіду титану шля хом осадження з парової фази термічним розкладанням галогеніду титану з наступною конденсацією вольфраму з парової фази) для ал 7 83722 мазних пилок. Такий абразив використовується для виготовлення сегментів пилок або бурів, насамперед з використанням зв'язок, які містять велику кількість бронзи або з використанням методів фільтрації; 2) алмазний абразив для шліфувальних кругів або мікронний абразив, покритий карбідом титану та вольфрамом (нанесення покриття з карбіду титану шля хом осадження з парової фази термічним розкладанням галогеніду титану з наступною конденсацією вольфраму з парової фази). Такий абразив використовується для виготовлення шліфувальних кругів, насамперед при використанні бронзи як зв'язки; 3) абразив із cBN для шліфувальних кругів або мікронний абразив із cBN, покритий нітридом або боридом титану (роздільно або в комбінації) і вольфрамом (нанесення покриття на основі титану шляхом осадження з парової фази термічним розкладанням галогеніду титану з наступною конденсацією вольфраму). Такий абразив використовується для виготовлення шліфувальних кругів, насамперед при використанні бронзи як зв'язки; 4) ПКА з покриттям з карбіду титану та вольфраму. Такий абразив використовується в різальному інструменті як його вставки, які впаюють у заготовку з карбіду вольфраму; 5) полікристалічний нітрид бору з покриттям з нітриду або бориду титану (роздільно або в комбінації) та вольфраму. Такий абразив використовується в різальному інструменті як його вставки, які впаюють у заготовку з карбіду вольфраму; 6) ХОПФ-алмаз або монокристал із покриттям з карбіду титану та вольфраму. Такий абразив використовується в різальному інструменті як його вставки, які впаюють у заготовку з карбіду вольфраму, або використовуються в пристроях для правки як їх вставки, які з'єднуються з тримачами спіканням або пайкою твердим припоєм. Нижче винахід проілюстрований на прикладі, який не обмежує його обсяг. Приклад Ha 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 TiC частинок алмазу. Потім частинки алмазу з нанесеним на них методом ХОПФ покриттям з TiC використовували як підкладку для нанесення на них другого шару покриття. Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 8 10000 карат цих покритих шаром TiC 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 металевою пластиною із чистого вольфраму як іонну мішень. У камері для нанесення покриття створювали розрідження, потім в неї подавали аргон і включали енергію для одержання плазми. Для нанесення рівномірного покриття на всі алмазні частинки під час обертання барабана потужність іонного розпилення збільшували до 5000Bt. Після спливу 7,5год. алмазним частинкам з нанесеним на них іонним розпиленням покриттям давали охолонути протягом 10год., а потім вивантажували з камери. 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 (CEM) аналіз структури поперечного перерізу частинок після їх руйн ування. Візуально нанесене на алмазні частинки покриття виглядало злегка матовим і мало металевий срібний/сірий колір. Таке забарвлення було розподілено рівномірно на кожній частинці, і всі частинки виглядали однаково. Покриття на всіх частинках виглядало рівномірним та суцільним. Аналіз на CEM у свою чергу показав, що покриття на частинки нанесено рівномірно та має дуже рівну стр уктур у. Після цього частинки руйнували та на CEM досліджували структуру поперечного перерізу нанесеного на них покриття. У поперечному перерізі на алмазних частинках були видні два чітко помітних шари. Шар вольфраму мав виміряну товщин у близько 0,45мкм. На частку цього конкретного покриття припадало за даними аналізу 5,9% від усього поперечного перерізу частинок. При цьому на частку шару TiC при такому розмірі алмазних частинок у цій їх партії припадало 0,77%. Інша частина з 5,9% припадала, таким чином, на частку шар у вольфраму, нанесеного поверх внутрішнього шару TiC. При рентгенівському стр уктурному аналізі в складі частинок були виявлені алмаз, TiC та W. За даними рентгенівського флюоресцентного аналізу на частку W припадало 87%, а на частку Ті припадало 13%. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601