Предисловие

Первые сообщения о получении при высоких давлениях и температу­рах поликристаллических материалов на основе алмаза (ПМА) появи­лись на рубеже 60—70 гг. Созданные в лабораториях, они в самый короткий срок стали выпускаться промышленностью и применяться в качестве рабочих элементов в лезвийном, волочильном, буровом инструментах.

Характерной особенностью, отличающей такие материалы от композитов, содержащих отдельные алмазные кристаллы в металли­ческой или керамической матрице, является наличие жесткого кар­каса из сросшихся алмазных зерен. Первые успешные попытки по созданию алмазного материала с такой структурой, осуществленные в Институте физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Л. Ф. Верещагина, основаны на превращении гексаго­нальных модификаций углерода (графита) в присутствии металлов-растворителей под действием высоких давления и температуры. О. И. Лейпунский в работе «Об искусственных алмазах» (1939 г.), обсуждая проблему синтеза алмаза, указал на возможность получе­ния больших кристаллов из малых путем спекания алмазной пудры. Теоретически предсказанное спекание алмазных порошков при вы­соких давлениях в настоящее время получило широкое распростране­ние на практике при создании алмазного инструмента.

Составляющие каркас ПМА зерна — это, в сущности, монокрис­таллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле (или, точнее, в ПМА), зависит от порядка в располо­жении алмазных зерен и степени их взаимосвязи. Управление про­цессом формирования структуры ПМА открывает возможности созда­вать в зависимости от области применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопро­тивления и т. д. Если при синтезе ПМА из неалмазных форм углерода возможности управления структурой и свойствами связаны с опре­делением и реализацией оптимальных параметров процесса (темпе­ратуры, давления, продолжительности синтеза), совершенствова­нием аппаратуры высокого давления, выбором схем снаряжения реакционного объема и исходных материалов, то при спекании, осуществляемом в две стадии, такие возможности расширяются, по­скольку в дополнение к перечисленным мерам можно осуществить классификацию, очистку и подбор используемых для спекания ал­мазных порошков, вводить различные активирующие спекание дзбавки, а также проводить спекание порошков алмаза на подложке или в обойме из твердого сплава и т. д.

В настоящее время проблемой создания ПМА занято большое число исследователей, вопросы, связанные с ней, освещены в много­численных публикациях, среди которых много патентов и сообщений рекламного характера. Анализ литературы и опыт создания ПМА в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) АН УССР показали перспективность спекания порошков алмаза при высоких давлениях в качестве основы получения таких материалов.

Качество ПМА во многом зависит от надежности аппаратов вы­сокого давления, которая связана как с правильным выбором кон­струкций самого аппарата и ячейки высокого давления, так и с конт­ролем температурных и барических полей и возможностью управлять ими. Важной задачей является также изучение изменений физико-механических свойств монокристаллов алмаза под воздействием высоких температур в вакууме и газовой среде, в твердой фазе при атмосферном и высоком давлениях, которое необходимо для выяс­нения их роли при спекании порошков, выборе исходного сырья. При создании высокого давления наряду с перегруппировкой ал­мазных частиц происходит их дробление, что приводит еще до начала спекания к увеличению плотности образцов. Частицы сжатого алмазного порошка пребывают в сложном напряженном состоянии, для отдельного зерна характерен значительный градиент внутрен­них напряжений, в силу которого часть сжатого алмазного зерна может находиться в области термодинамической стабильности алма­за, часть — в области термодинамической стабильности графита. Последующий нагрев ведет к дальнейшему уплотнению алмазного порошка, образованию и росту перешейков между зернами. Введе­ние металлической фазы, смачивающей алмазные частицы и раство­ряющей графит, образовавшийся в процессе спекания, активирует этот процесс, позволяет снизить термобарические параметры.

Фактором, ограничивающим продолжительность спекания и ухуд­шающим физико-механические свойства полученных ПМА, явля­ется графитизация спекаемых алмазных частиц. Графитизация ал­маза в вакууме и в газовой среде при атмосферном давлении иссле­дована достаточно полно. Показано, что активное взаимодействие алмаза с газами, в частности с кислородом, не только ведет к травле­нию поверхности и ухудшению физико-механических свойств алмаз­ных порошков, но и ускоряет процесс графитизации, который начи­нается при температурах, вызывающих активное взаимодействие алмазного порошка с кислородом (800—1100 К). Но при высоких давлениях и температурах эти процессы исследованы недостаточно.

В настоящей монографии приведены результаты исследования процессов графитизации, миграции жидкой фазы в пористых алмаз­ных заготовках, взаимодействия кристаллов алмаза с газами в усло- виях высоких давлений, влияния свойств исходных порошков, состоя­ния их поверхности на формирование структуры и субструктуры, ПМА, ее связь с физико-механическими и эксплуатационными свой­ствами инструментов на основе ПМА.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам ИСМ АН УССР, принявшим участие в обсуждении рукописи, за ценные рекомендации и помощь в оформлении рукописи.