Взаимосвязь структуры межфазной зоны алмаз – матрица с работоспособностью инструмента, полученного технологией, совмещающей металлизацию алмазов со спеканием матрицы

Методами растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального и рентгенофазового анализов, рамановской спектроскопии изучены структура, химический и фазовый составы межфазной зоны алмаз – матрица правящего карандаша, полученного по технологии, в которой совмещены термодиффузионная металлизация алмаза хромом и спекание матрицы. В процессе спекания матрицы компактное размещение частиц порошка хрома вокруг алмазных зерен и экранирующий эффект медной фольги создают условия, обеспечивающие термодиффузионную металлизацию алмаза. Установлено, что при заданных в эксперименте условиях и температурно-временнòм режиме спекания на поверхности алмаза формируется металлизированное покрытие, химически сцепленное с алмазом и состоящее из фаз карбида хрома, твердого раствора кобальта в хроме, что обеспечивает прочное закрепление алмаза в твердосплавной матрице. Показано, что удельная производительность опытного правящего карандаша, полученного по гибридной технологии, при правке шлифовального круга из зеленого карбида кремния cоставила 51,50 см³/мг, что на 44,66% превышает аналогичный показатель однотипного контрольного карандаша, полученного без металлизации алмазов методом спекания с пропиткой медью.

1. Tönshoff H. K., Hillmann-Apmann H., Asche J. Diamond tools in stone and civil engineering industry: cutting principles, wear and applications // Diamond and Related Materials. – 2002. – N 11. – P. 736–741.

2. Бакуль В. Н., Никитин Ю. И., Верник Е. Б., Селех В. Ф. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. – М.: Машиностроение, 1975. – 296 c.

3. Artini C., Muolo M. L., Passerone A. Diamond – metal interfaces in cutting tools: a review // Journal of Materials Science. – 2012. – V. 47, N 7. – P. 3252–3264.

4. Яхутлов М. М., Карамурзов Б. С., Беров З. Ж., Батыров У. Д., Нартыжев Р. М. Направленное формирование межфазной границы алмаз–матрица с использованием нанопокрытий // Изв. Кабардино-Балкарского госуниверситета. – 2011. –Т. 1, N 4. – С. 23–25.

5. Исонкин А. М., Дуда Т. М., Белявина Н. Н., Ткач В. Н. Влияние металлизации алмазов на структурообразование и прочность композиционного материала // Науковi працi ДонНТУ. Серiя «Гiрничо-геологiчна». – 2013. – № 2(19). – С. 146–154.

6. Peterson A., Agren J. Sintering shrinkage of WC–Co materials with bimodal grain size distribution // Acta Materialia. – 2005. – V. 53. – P. 1665–1671.

7. Витязь П. А., Жорник В. И., Кукареко В. А. Исследование структурно-фазового состояния и свойств спеченных сплавов, модернизированных наноразмерными алмазосодержащими добавками // Изв. национальной академии наук Беларусиэ. Серия физ.-тех. наук. – 2011. – № 3. – С. 5–17.

8. Zeren M., Kragöz S. Sintering of polycrystalline diamond cutting tools // Materials and Design. – 2007. – V. 28. – P. 1055–1058.

9. Шарин П. П., Яковлева С. П., Гоголев В. Е., Васильева М. И. Структурная организация высокоизносостойких алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных порошков, полученных методом спекания с пропиткой медью // Перспективные материалы. – 2015. – N 6. – С. 66–77.

10. Qiu W. Q., Liu Z. W., He L. X., Zeng D. C., Mai Y.-W. Improved interfacial adhesion between diamond film and copper substrate using a Cu (Cr) – diamond composite interlayer // Mater. Lett. – 2012. – V. 81. – P. 155–157.

11. Molinari A., Marchetti F., Cialanella S., Scardi Р., Tiziani A. Study of the diamond–matrix interface in hot-pressed cobalt-based tools // Materials Science and Engineering. – 1990. – V. A130. – P. 257–262.

12. Сидоренко Д. А., Левашов Е. А., Логинов П. А., Швындина Н. В., Скрылева Е. А., Ускова И. Е. О механизме самопроизвольного плакирования алмаза карбидом вольфрама в процессе спекания инструмента с наномодифицированной металлической связкой Сu–Fe–Co–Ni // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2015. – N 5. – С. 53–63.

13. Локтюшин В. А., Гуревич Л. М. Получение нанотолщинных металлических покрытий на сверхтвердых материалах методом термодиффузионной металлизации // Известия Волжского государственного технического университета. – 2009. – Т. 11, N 3. – С. 50–54.

14. Tillmann W., Ferreira M., Steffen A., Rüster K., Möller J., Bieder S., Paulus M., Tolan M. Carbon reactivity of binder metals in diamond – metal composites – characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction // Diamond and related materials. – 2013. – V. 38. – P. 118–123.

15. Li W.-S., Zhang J., Dong H.-F., Chu K., Wang S.-C., Liu Y., Li Y.-M. Thermodinamic and kinetic study on interfacial reaction and diamond graphitization of Cu–Fe-based diamond composite // Chin. Phys. B. – 2013. – V. 22, N 1. – P. 018102.

16. Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N. F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools // Proceedings of the International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM). – 2015. – V. 3. – P. 21–30.

17. Romansky A. Factors affecting diamond retention in powder metallurgy diamond tools // Archives of metallurgy and materials. – 2010. – V. 55, N 4. – P. 1073–1081.

18. Патент РФ № 2607393. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей // Шарин П. П., Никитин Г. М., Лебедев М. П., Гоголев В. Е., Атласов В. П., Попов В. И. Опубликовано 10.01.2017 // Бюл. № 1.

19. Шарин П. П., Яко в лева С. П., Винокуро в Г. Г., Попов В. И. Повышение эксплуатационных характеристик твердосплавных алмазосодержащих композитов при диффузионной металлизации алмазной компоненты в процессе спекания с пропиткой. I. Обоснование эффективности гибридной технологии синтеза // Наука и образование. – 2016. – № 4. – С. 94–100.

20. Патент РФ №2478455. Способ изготовления алмазного инструмента // Шарин П.П., Лебедев М.П., Гоголев В. Е., Ноговицын Р. Г., Атласов В. П., Слободчиков П. А. Опубликовано 10.04.2013 // Бюл. №10.

21. Шарин П. П., Яковлева С. П., Гоголев В. Е., Попов В. И. Строение и прочность переходной зоны при твердофазном высокотемпературном взаимодействии алмаза с карбидообразующими металлами – хромом и кобальтом // Перспективные материалы. –2015. – N 7. – С.47–60.

22. Bushmer C. P., Crayton P. H. Carbon self-diffusion in tungsten carbide // J. Mater. Sci. – 1971. – V. 6. – P. 981–988.

23. Цыпин Н. В., Симкин Э. С., Костенецкая Г. Д. Металлографическое исследование взаимодействия алмазов с металлами при высоких температурах // Адгезия и пайка материалов. – 1979. – N 4. – С. 78–80.

24. Стасюк Л. Ф., Кушатлова И. П., Ускокович Д. П., Крстанович И., Радич С. М., Ристич М. М. Реакционное спекание в системе алмаз – карбид титана – хром под высоким давлением // Гласник хемиjског друштва Београд. Bulletin de la societe chimique Beograd. – 1984. – T. 49, N 9. – С. 563–569.

25. Аникина В. И., Ковалева А. А. Фрактография в материаловедении. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2014. – 143 с.