Глава III свойства алмазных порошков для получения поликристаллических материалов на основе алмаза

1. Прочность порошков синтетического алмаза при сжатии

От свойств исходных алмазных порошков во многом за­висят технология получения, параметры спекания и ка­чество поликристаллов. Основные характеристики ал­мазного порошка — размер, прочность, форма, состоя­ние поверхности зерен, а также состав и содержание в них примесей. Свойства алмазных порошков в основном приведены в ГОСТ 9206-80.

В процессе получения поликристаллов исходные ал­мазные порошки подвергаются давлению, нагреву и вы­держке при принятых технологических параметрах. При нагреве наблюдаются разрушение синтетических алмазов, появление трещин в зернах и, соответственно, снижение их прочности. В связи с этим большее внима­ние уделено описанию тех свойств алмазных порошков, которые претерпевают изменения в процессе получения поликристаллов.

Согласно ГОСТ 9206-80 величина статической нагруз­ки, разрушающей алмазные зерна при сжатии, прини­мается за показатель прочности порошков синтетиче­ских алмазов. Прочность на сжатие определялась на специальной установке [202]. Из рис. 12 видно, что с увеличением зернистости разрушающая нагрузка для природных и синтетических алмазов существенно уве­личивается (в 5 раз и более). Перепад значений этой величины для алмазов смежных зернистостей может до­стигать 40 %. Еще больше на изменение прочности вли­яет форма зерен. Разрушающая нагрузка для природ­ных и синтетических алмазов изометричной формы (до 1,2) в 2—3 раза выше, чем у пластинчатых.

В качестве предела прочности при сжатии кристал­лов синтетических алмазов принимается величина пре­дельного напряжения, которая вычисляется как отно­шение нагрузки, разрушающей кристалл, к площади его поперечного сечения. Предел прочности синтетиче-

ских алмазов с увеличением их размера уменьшается. Для исследований использовали синтетические алмазы кубического и октаэдрического габитуса с различным количеством включений [207].

Прочность на сжатие определяли на специальном приборе рычажного типа, созданном на базе микроскопа в ИСМ АН УССР. Этот прибор широко применяется при контроле синтетических алмазов, когда единичные зер­на неправильной формы подвергаются разрушению при одноосном сжатии между ко­рундовыми опорами [13].

П о методике, применявшей­ся в описываемых исследова­ниях, испытывали единичные кристаллы алмаза правильной

формы с ровными гранями,

которые разрушались между 250/т soom боо/взо юоо/воо

ДВуМЯ ОПОраМИ ИЗ ПрирОДНЫХ Зернистость

алмазов. Верхняя опора имела Рис. 12. Прочность синтети-две параллельные плоскости, ческих (1) и природных (2) так ЧТО при испытании МОЖНО *™a30B Различной зернисто-было наблюдать за поведени­ем кристалла при нагружении. Использование в качест­ве материала опор корунда и твердого сплава оказалось невозможным из-за внедрения в них испытуемых крис­таллов, а также потому, что при испытании кристаллов размером более 200 мкм корундовая опора полностью разрушается.

Для исследований было отобрано 156 правильно об­разованных кристаллов размером от 60 до 300 мкм, ко­торые были специально синтезированы при параметрах р, Т, соответствующих области стабильного образования кристаллов кубического габитуса. На многих кристал­лах при увеличении 90 не наблюдались грани (111); на? некоторых кристаллах небольшие грани (111) несколь­ко притупляли вершины куба.

В связи с возрастающими требованиями к чистоте » совершенству кристаллов синтетических алмазов, ис­пользуемых в промышленности, возрастает интерес к: природе и свойствам дефектов в них. Известно, что су­ществуют по крайней мере четыре типа дефектов, от ко­торых зависит прочность кристаллов: трещины, ступени на поверхности, скопления дислокаций, инородные включения. В экспериментах основное внимание уде­лено только объемным (трехмерным) дефектам. К ним Можно отнести включения металлов-катализаторов,

T

so m 2oo 3oo wo

30

л

0-1

• -2

Рис. 13. Зависимость предела проч­ности синтетических алмачов первой (/) и четвертой (2) групп при сжатии от площади поперечного сечения

45,/77а 25

20 15 10

графита и пустоты. Однако последние два вида дефектов в синтетических алмазах встречаются очень редко. Для исследования влияния включений металлов на прочность кристаллов синтетических алмазов последние были условно разделены на четыре основные группы [108]: 1) кристаллы, не содержащие видимых включений (при 100 кратном увеличении), а также кристаллы с неориентированными включениями в виде полупрозрачного облака и с небольшими скоплениями точечных включений; 2) кристаллы, имеющие скопления точечных включений, идущих от центра к вершинам и ребрам; 3) кристаллы с мелкодисперсными включениями, рассеянными приблизительно в ¾ объеме кристалла; эти кристаллы не имеют видимых включений около вершин, притуплённых гранью(111), или в средней части ребер; 4) темно-окрашенные кристал­лы, содержащие мел­кодисперсные включения, рассеянные по всему объему кристалла.

Результаты определения предела прочности при од­ноосном статическом сжатии синтетических алмазов ку­бического габитуса приведены на рис. 13. Логарифми­ческая шкала по оси абсцисс принята для удобства по­строения графика.

Для всех четырех групп предел прочности при од­ноосном статическом сжатии в значительной мере зави­сит от размера кристалла. С увеличением размера крис-1 талла предел прочности резко уменьшается. Так, для кристаллов первой группы с площадью поперечного се­чения 5 = 50 -т- 75 мм2 • 10~4 средний предел прочное^ ти при сжатии составляет 17,4 ГПа (100 %), а при 5 = = 660 -=- 730 мм2 • Ю-4 асж = 6,17 ГПа (35 %). Для кристаллов второй группы при 5 = 50 ~ 75 мм2 • 10—1 асж = 10,8 ГПа (100 %), а при 5 = 860 ~- 900 мм2 Xi

X 10-* осж = 1,67 МПа (15 %). Для кристаллов треть­ей группы при S = 50 -ь 75 мм2 • 10~4 асж = 7,55 ГПа (100 %), а при S = 530 -=- 730 мм2 • 10~4 асж = = 0,686 ГПа (9 %). Для кристаллов четвертой группы при 5_= 50 ^ 75 мм2 • Ю-4 асж = 3,14 ГПа (100 %), а при S = 460 -т- 900 мм2 • 10~4 стсж = 0,49 ГПа (15 %). Каждое числовое значение предела прочности является средним из испытания от 4 до 23 кристаллов.

Сравнивая прочность кристаллов исследуемых че­тырех групп синтетических алмазов, видим, что проч­ность их уменьшается с увеличением количества вклю­чений. Так, для кристаллов с площадью поперечного се­чения 50—75 мм2 • 10~4 предел прочности при сжатии для первой группы составляет 17,4 ГПа (100 %), для второй — 10,8 ГПа (61 %), для третьей — 7,55 ГПа (43 %), а для четвертой — 3,14 ГПа, (18 %), Получен­ные данные по влиянию включений на прочность крис­таллов совпадают с наблюдениями Ю. Л. Орлова [124], отмечавшего, что в природных кристаллах алмаза часто возникают напряжения вблизи включений. Это нередко приводит к образованию трещин, а иногда к раскалы­ванию кристалла. Такие алмазы легко раскалываются при их механической или термической обработке.

Синтетические алмазы, содержащие минимальные количества включений, обладают очень высокой проч­ностью, которая для некоторых кристаллов достигает 24,5 ГПа. Кристаллы первой группы, которые содержа­ли минимальное количество включений, при достижении критических напряжений разрушались обычно на мел­кие осколки. Только два кристалла из 56 разрушались по плоскости (ПО) на две части. Разрушение кристаллов с минимальным количеством включений на мелкие ос­колки вполне закономерно для хрупких кристаллов. Разрушение кристаллов по плоскости (ПО) объясняется тем, что эта плоскость наиболее слабая после плоскости спайности (111). Наиболее мелкие кристаллы второй группы разрушались так же, как и первой. Более круп­ные (свыше 100 мкм) разрушались по плоскости (ПО). Наибольший интерес с точки зрения характера разру­шения представляли алмазы третьей группы, которые имели границы включений. Они разрушались в той час-ти, которая содержала большее количество включений. Трещины в кристаллах чатвертой группы появлялись в самых различных направлениях. Обычно в этих кристал­лах появлялось несколько трещин, и после незначитель-

ного увеличения нагрузки кристаллы рассыпались на осколки более крупные, чем кристаллы первой и второй групп.

Важно отметить, что испытуемые кристаллы, имею­щие в основании квадрат, не внедрялись в алмазную опору и не оставляли на ней заметных следов. Однако вокруг испытуемого кристалла на опоре образовывались трещины. Так, при увеличении нагрузки на испытуе­мый кристалл на опоре вначале образовывалась серпо­видная трещина, которая, постепенно развиваясь, замы­калась вокруг испытуемого кристалла и углублялась внутрь опоры, образуя расширяющуюся вглубь конусо­образную фигуру. Вокруг круглых или эллипсовидных трещин появлялась серия прямолинейных трещин, об­разующих шестигранник. Подобные виды разрушения наблюдались в природных алмазах на гранях октаэд-роида при ударе 113].

Трещины на алмазной опоре появлялись при испы­тании почти всех кристаллов первой и нескольких крис­таллов второй групп при достижении 70—90 % крити­ческой нагрузки на кристалл. Образование описанных трещин на опоре из природного алмаза, по-видимому, связано с его морфологией.

Экспериментальные исследования прочности природ­ных алмазов на кручение, сжатие, срез и растяжение провели авторы работы [233]. Опыты на сжатие прово­дили на восьми алмазах. Установлено, что разрушение алмазов наблюдалось при сжимающих напряжениях, равных в среднем 8,69 ГПа. Таким образом, предел проч­ности синтетических алмазов правильной формы при сд-ноосном статическом сжатии, как и для кристаллов не­правильной формы, в значительной мере зависит от ш размера.

Для определения предела прочности октаэдра исполь зовали правильно образованные прозрачные кристаллы i размером ребра от 60 до 500 мкм и с минимальным коли чеством включений [206]. В связи с тем что для кристал лов октаэдрического габитуса трудно установить истин ное значение предела прочности, последний вычисляла как отношение нагрузки, разрушающей кристалл, максимальной площади поперечного сечения октаэдр по формуле

°min = -P/Smax = 8Р/За2р УЗ (III. 1

и по эмпирической формуле [16]

а, = P(VV*. (III.!

60

Рис. 14. Зависимость предела проч­ности синтетических алмазов при сжатии от размеров кристаллов

к контактной площади

(Ш.З)

к площади поперечного сечения, вписанной в октаэдр правильной шестигранной призмы,

amax = P/Smln = 6Р/Ор УТ, (III. 4)

где Р — разрушающаяся нагрузка; Smax — площадь по­перечного сечения октаэдра на середине между парал­лельными гранями;_ар — размер ребра октаэдра; V — объем октаэдра; SK — площадь грани октаэдра. Величина т, учиты­вающая неоднородность материала кристаллов, имеющих различные объемы, определялась по 1158] из уравнения

lga1 — lgan = (Ш.5)

где ax и а„ — пределы прочности,определенные при испытании образцов с объемами V1 и Vn.

Результаты определе­ния предела прочности при сжатии по формулам (III.1) — (III.4) в зави­симости от размеров кри­сталлов приведены на рис. 14. Из приведенных данных видно, что предел прочности при сжатии синтетиче­ских алмазов в значительной мере зависит от разме­ров кристаллов. Тот факт, что точки ложатся на пря­мую линию в логарифмических координатах, свидетель­ствует о том, что зависимость между пределом прочности и объемом кристаллов соответствует статистической тео­рии хрупкости Вейбулла.

Подставляя значения а1 и ап, Vx и Vn в уравнение (II 1.5), определяем величину т, учитывающую неодно­родность алмаза между Vx и Va, Vj и Vi2 ... Vx и Уг, и получаем соответственно следующие результаты: 4,8; 4,5; 4,7; 4,7; 3,8; 4,4; 4,1; 4,4; 4,8; 6,2; 4,2; 6,0.

Для карбида кремния величина т равна 4,0; для мо­дифицированного корунда — 6,0; для твердого спла­ва — 10,0; для графита — от 2 до 9; для чугуна — от 5,6 до 18,0. Исходя из этого можно заключить, что ве­личина т для синтетических алмазов примерно такая же, как и для карбида кремния и модифицированного корунда.

Для сопоставления результатов по пределу прочнос­ти кристаллов октаэдрического габитуса с кубическим были испытаны на сжатие десять правильно образован­ных с минимальным количеством включений кристаллов кубического габитуса, имеющих объем 36 • 10~4 мм3. Средний предел прочности этих кристаллов составлял 18,8 ГПа. Подставляя значения предельной нагрузки в формулы (III.1) — (III.4), находим последовательно Ощщ, оэ, ак, атах; для кристаллов с объемом 36 • 10~4 мм3 получаем соответственно 12,4, 13,3, 18,3, 27,4 ГПа. Срав­нивая значения пределов прочности кристаллов кубиче­ского габитуса, имеющих объем 36 • 10~4 мм3, видим, что предел прочности кристаллов октаэдрического га­битуса при вычислении его через площадь контакта при­мерно такой же, как и для кристаллов кубического га­битуса, где площадь поперечного сечения кристалла равна площади контакта кристалла с опорой.

Если сравнить пределы прочности этих кристаллов, определенных по эмпирической формуле (III.2), то пре­дел прочности кристаллов октаэдрического габитуса, имеющих объем 36 • 10~4, на 30 % меньше, чем у крис­таллов кубического габитуса. Ясно, что 0min представ­ляет собой наиболее низкий предел прочности, а отах — наиболее высокий. Следовательно, предел прочности кристалла октаэдрического габитуса будет больше, чем omin, и меньше отах, т. е. amin < осж < отах.

Описанным способом определяются прочность и пре­дел прочности алмазного шлифпорошка под действием постепенно увеличивающейся нагрузки. Что же касает­ся определения прочности алмазных микропорошков, то здесь, по-видимому, наиболее целесообразно применение метода, при котором постоянная нагрузка прилагается к массе зерен. Однако до сих пор их прочность таким об­разом не определялась, так как при небольших давлени­ях (т. е. давлениях, при которых испытывают шлифпо-рошки крупных зернистостей) микропорошки и шлифпо-рошки мелких зернистостей не разрушались, а толькс уплотнялись. В то же время многие исследователи ука зывали на возможность разрушения алмазных порошко! в условиях высоких давлений. Практически это было об

3/2 7/5 Ю/7 П/tQ 2Q№ 5/3

JOLJt

28/20 №8

Зернистость

Рис. 15. Зависимость количества разру­шенных зерен микропорошков от их ис­ходной зернистости

наружено при сжатии микропорошков природного ал­маза [84].

Для установления прочности микропорошков син­тетических алмазов АСМК и АСМ использовался [2051 АВД, созданный в ИСМ [128]. Давление составляла 7,7 ГПа. Навеску алмазного порошка массой 150 мг по­мещали на твердосплавную подложку и закрывали ме­таллическим экраном, на который помеща­лась заглушка, напри­мер из хлористого нат­рия.

Известно, что мик­ропорошки всех зер-нистостей состоят из И крупной фракции (не | более 5 %), основной | (не менее 65 %) и мел­кой (не более 30 %). В связи с этим перед приложением давле­ния зерновой состав микропорошков опре­делялся на микроско­пе МБР-3 при увели­чении 800. После испытаний порошков повторно прове­рялся зерновой состав. Следует отметить, что в резуль­тате разрушения частиц алмаза при воздействии высо­кого давления средний размер зерен уменьшался в 7— 10 раз. Алмазы крупной фракции в порошках всех зер-нистостей были полностью разрушены. Содержание частиц основной фракции практически для всех зернис-тостей уменьшилось в 2—6 раз.

Определение прочности зерен (по количеству разру­шенных) показывает, что прочность микропорошков АСМК в диапазоне зернистостей от 3/2 до 20/14 выше, чем АСМ (рис. 15). Прочность указанных порошков зерни­стостью 20/14 — 40/28 практически одинакова, что полностью коррелирует с данными об их абразивной способности.