2. Прочность порошков синтетического алмаза при сжатии

В литературных источниках отмечается различная тем­пература начала снижения прочности синтетических алмазов в зависимости от их качества. Так, исследова

.* терние 30 МИН. При

/ — 250/200; 2 — 315/250; 3 — 400/315; г>

4 - 800/630= 5 - 1000/800 НОСТИ.

ния [28, 61] порошков природных и синтетических ал­мазов САМ (АС50) после нагрева в среде оксида углеро­да показали, что прочность природных алмазов при 1620 К и выдержке 5 мин не изменилась, а синтетиче­ских алмазов понизилась на 30 %. Синтетические алма­зы марки АСВ после нагрева при 1420 К имели прочность на 50 % ниже исходной. Опыты [78] по термообработке синтетических алмазов, проведенные в среде водорода, установили, что при 1070—1170 К прочность уменьша­лась на 50—60 %, а после 1470 К — в 4—5 раз.

В работе [34] сообща­ются результаты нагрева синтетических алмазов АСО (АС2) и природных зернистостью 100— 125 мкм при 1070— 1420 К в вакууме (5—8) х X 10~5 мм. рт. ст. с изо­термической выдержкой

Рис. 16. Зависимость величины разрушающей нагрузки синтетических1U/UJ\ ДЛЯ алмазов AvAJ алмазов марки АС50 различных (АС2) наблюдалось зернистостей от температуры нагрева увеличение периода решетки и снижение их прочности

В ПрИрОДНЫХ ЭЛмазах изменений не об­наружено. Предлагается с целью сохранения прочности зерен и повышения качества изготовления из них ин­струмента производить металлизацию при температуре порядка 1070 К-

Исследование [80] термостойкости нового вида син­тетического алмаза марки АСБ (АРВ1) показало, что при нагревании в воздушной среде алмаз при 1020 К. по­темнел, сохраняя первоначальную форму. Однако при малейшей нагрузке он разрушался, превращаясь в по­рошок буровато-зеленого цвета. В водородной среде ал­мазы марки АСБ (АРВ1) при 1220 К. превращаются в графит.

В работе [43] приведены результаты исследований изменений, возникающих в зернах синтетических алма­зов при их нагреве до различных температур, и дана ко­личественная оценка снижения прочности алмазных зе­рен. Термообработка алмазов велась в диапазоне темпе­ратур 1070—1670 К в среде водорода с изотермической выдержкой 20 мин на специальной установке [47].

Как видно из зависимостей, представленных на рис. 16, значительное снижение прочности зерен алмаз­ных порошков марки АС 50 наблюдается уже при их на­греве до 1225 К- Нагрев до более высоких температур вы­зывает дальнейшее снижение прочности зерен. После нагрева до 1470 К прочность снижается в 3—4 раза. Установленные экспериментальные зависимости распро­страняются качественно на все зернистости испытуе­мой марки алмазов и несколько отличаются количест­венно. Для уяснения причин снижения прочности син­тетических алмазов в результате нагрева изучалось из­менение состояния отдельных зерен.

Исследования показали, что после нагрева зерен до 1220 К на их поверхности образуются отдельные трещи­ны, проходящие через всю грань. Возле трещин про­сматриваются мельчайшие (5—10 мкм) включения метал­ла-растворителя. Поверхность граней кристаллов в сво­ем большинстве сохраняет алмазный блеск. Нагрев до 1270 К вызывает заметное потемнение включений. Число алмазов с трещинами уже составляет 70—80 % общей массы зерен. При этом трещин на поверхности зерен становится больше. На гранях появляются застывшие кап­ли расплавленного металла-растворителя, размер кото­рых 20—30 мкм. При температуре нагрева 1470 К. боль­шинство кристаллов темнеет. На их поверхности воз-никает сеть трещин. Капли металла-растворителя укрупняются до 50—70 мкм. В отдельных случаях в мес­тах контакта капель металла-растворителя с поверхнос­тью алмаза образуются сферические углубления (ка­верны).

После нагрева до 1670 К происходит существенное потемнение всей массы зерен, причем около 10 % из них имеют бурую окраску, отдельные — черную. Капли, вышедшие на поверхность зерен, отделяются. В местах выхода капель остаются бурые пятна и значительные по размерам раковины.

Исследования показали, что образование трещин связано с резким увеличением объема включений метал­ла-растворителя при его плавлении [14]. Выход метал­ла-растворителя на поверхность зерен и образование ка­пель связаны с особенностями протекания процессов вза­имодействия металла-растворителя с алмазом, характе­ризующихся существенным изменением краевого угла смачивания во времени [15].

Изучение шлифов [49] под микроскопом показало, что в трещинах алмазной матрицы находится некоторое количество сплава-растворителя, который исчезает из них с повышением температуры до 1670 К. Трещины при этом слегка увеличены, на их поверхности имеется гра­фит. Ориентация трещин несколько нарушается. Отно­сительно большие раковины в местах расположения ка­пель сплава-растворителя и наличие графита в трещинах и раковинах позволяют предположить, что при данной температуре протекает процесс химического взаимодей­ствия алмазной матрицы с включениями. В результате

30 60 90 120 150

а

0 30 60 90 120 т,мий

If

Рис. 17. Зависимость разрушающей нагрузки алмазов АС50 зернис­тостью 250/200 (/); 315/250 (2); 400/315 (3)\ 800/680 (4)\ 1000/800 (5) от продолжительности нагрева при температуре 1270 (а) и 1670 (б)

наблюдается растворение алмаза в расплаве и выделение из него графита. Аналогичное явление отмечалось при переработке несовершенного углеродного материала в графит в случае взаимодействия сплава Ni—Мп [76] и расплава Ni—С [119, 160] с разными по термодинамиче­ской активности формами углерода. Температура фазо­вого превращения алмаз — графит зависит от со­держания примесей в алмазных порошках [351, поэтому на процесс трещинообразования в зернах может влиять графитизация алмазной матрицы. Так как в синтетиче­ских алмазах имеются различные дефекты и содержатся включения сплава-растворителя, то графитизация бу­дет происходить именно в этих местах.

С увеличением изотермической выдержки до 160 мин при 1670 К на отдельных зернах образуются ориенти­рованные углубления, которые, по-видимому, распола­гаются по линиям слоев роста [184, 247, 251]. Следует от­метить, что углубления не обладают четко выраженной спиральной формой, как это наблюдалось в работе [247], а представляют собой овальные незамкнутые фигуры. Расстояние между цепочками углублений составляет (3—5) • 10-5 м.

На изменение прочности синтетических алмазов су­щественно влияет и продолжительность нагрева при дан­ной температуре [44]. Данные, приведенные на рис. 17, свидетельствуют, что прочность резко снижается уже при принятой нами минимальной изотермической выдержке и в дальнейшем существенно не меняется. Так, при 1270 К, т. е. при температуре, близкой к температуре на­чала снижения прочности, время нагрева значительно влияет на прочность алмазов. Например, прочность ал-

Таблица 4. Зависимость разрушающей нагрузки от скорости нагрева алмазов АС50 (400/315) и содержания в них примесей

Скорость нагрева, град/мин

Разрушающая нагрузка (Н) при содержании примесей (%)

0,16

0,70 2,60

6	96±9	40±4	22±2
12	104±11	48±4	25±2
25	110±Ю	52±4	27±3
50	113±Ю	52±4	32±2
100	116±Ю	58±4	30±2
400	П6±10	56±6	33±3

мазов АС 50 800/630 при нагреве в течение 10 мин пони­зилась на 50 %, 20 мин — еще на 20 %. При высоких температурах (порядка 1570—1670 К) снижение проч­ности происходит при прогреве алмаза до заданной тем­пературы в течение 2—3 мин, после чего прочность крис­таллов практически не снижается. Зависимости изме­нения прочности синтетических алмазов различных зернистостей от продолжительности нагрева качественно идентичны, а количественно несколько отличаются. Особенно чувствительны к нагреву крупнозернистые алмазы, у которых при 1270 К имело место наибольшее снижение прочности. Поскольку совершенство кристал­лов зависит от их размера и наличия в них примесей, становится понятным факт более резкого снижения прочности крупных кристаллов при нагреве.

Учитывая влияние продолжительности нагрева на снижение прочности синтетических алмазов, дополни­тельно определяли оптимальную скорость их нагрева. Эксперименты проводили на алмазах АС 50 400/315 с со­держанием примесей 0,16; 0,70 и 2,60 % (табл. 4). На­грев до 1370 К осуществлялся со скоростью 6, 12, 25, 50, 100 и 400 град/мин. Данные таблицы свидетельствуют, что методически более целесообразно нагревать алмазы о 5 ю 15 т,с

Рис. 18. Зависимость раз рушающей нагрузки для алмазов АС50 400/315 (со-

ео скоростью более 50 град/мин, так как изменение раз­рушающей нагрузки при этом минимально. Следует от­метить, что скорость нагрева в большей степени влияет на изменение прочности алмазов, содержащих 2,60 % примесей, что по-видимому, связано с процессами, про­исходящими в примесях при нагреве.

В описанных опытах изотермическая выдержка при каждой температуре практически соответствовала промежутку времени, необходимому для изготовления инструмента. Однако важно устанить выдержку, в течение которой не наблюдалось бы термического разрушения синтетических алмазов. С этой целью для уменьшения времени прогрева алмазных порошков до заданной температуры лодочка, в которой проводилась их термообработка, изготавливалась из молибденовойфольги (толщина 0,04 мм). По- ^"лГе^с2™6:!! Р°шки синтетических алмазов, грева в среде водорода содержащих 2,6 % примесей, при 1670 К засыпали в лодочку и помещали

в печь, нагретую до 1670 К- Вы­держка в среде водорода для отдельных навесок алмазов составляла 20, 10, 5 и 2 с. Во всех случаях на гранях алма­зов наблюдались микротрещины и застывшие капли спла­ва-растворителя. При этом прочность алмазных зерен су­щественно снижалась (рис. 18). Величина разрушающей нагрузки для алмазов в исходном состоянии равнялась 80 Н. Следует отметить, что при выдержке 2 с — минималь­ном времени, за которое успевала прогреться лодочка,— прочность зерен в два раза выше, чем при выдепжке 10 с. Вторая часть данных экспериментов заключалась в том, что алмазы выдерживались в течение 2 с при 1270, 1370, 1470 и 1670 К- При относительно низких темпера­турах (Г = 1270 -f- 1370 К) в течение 2 с алмазные по­рошки не успевают прогреваться и их прочность падает незначительно. При 1470 и 1670 К двухсекундной вы­держки достаточно, чтобы прочность существенно сни­зилась. Следовательно, прочность синтетических алма­зов при нагреве до Т > 1370 К снижается исключитель­но быстро — в момент прогрева зерен до заданной тем­пературы.

Рядом исследователей [157, 162, 193] отмечено, что в зависимости от природы и состава газовой среды уже при 970—1070 К возможно разрушение поверхности ал­мазных зерен. По-видимому, газовая среда способна вли­ять на прочность алмазов. Для изучения [45] данного явления были отобраны три партии синтетических алма­зов с содержанием примесей 0,16, 0,70 и 2,60 %. Их на­гревали в среде аргона, азота, водорода, СО/СО2, а также на воздухе до 670—1670 К с выдержкой 20 мин. Сниже­ние прочности алмазов при нагреве в различных газо­вых средах качественно одинаково и совпадает с ранее установленным. При 1070 К некоторое снижение проч­ности алмазов наблюдается только в воздушной среде и СО/СО2. При дальнейшем повышении температуры проч­ность алмазов, содержащих как 2,60, так и 0,16 и 0,70 % примесей, снижается в любой из названных газовых сред. Указанное различие объясняется тем, что в воздушной среде и СО/СО2 происходит частичное окисление зерен, а следовательно, образование на их поверхности микро­дефектов, которые, в свою очередь, обусловливают не­значительное падение прочности.

Таким образом, исследование свидетельствует, что в процессе изготовления инструмента из синтетических алмазов важно исключить возможность их поверхност­ного разрушения. Рекомендуемыми газовыми средами являются аргон, азот или водород, прошедший очистку. В частности, фирма «Де Бирс» для испытания алмазов на термостойкость использует защитную среду, вклю­чающую 95 % азота и 5 % водорода.