2. Материалы, спеченные из микропорошков алмаза

Для получения менее хрупких сверхтвердых материалов с повышенной термостойкостью разработан ряд способов, основой которых является спекание алмазных порошков при высоких давлениях и температурах. Впервые подоб­ный материал был изготовлен в США под торговой мар­кой мегадаймонд, выпускаемый фирмой, имеющей такое же название [232, 239, 242]. Мегадаймонд спекают из микропорошков (10—20 мкм) природного или синтети­ческого алмаза при давлении около 7 ГПа и температуре 2400 К [239]. Плотность его составляет 3,10—3,48 г/см3, так как в порах между алмазными зернами находится графит. Иногда в качестве наполнителя используют кар­бид бора или карбид кремния [232]. Материал имеет твер­дость, равную твердости карбонадо, предел прочности на сжатие 3,3—5,8 и на сдвиг 0,43 ГПа [239]. Теплопровод­ность мегадаймонда составляет 8—9 Вт/(см • К), цвет — черный или серый. Мегадаймонд может выдерживать нагрев в вакууме при 1473 К в течение не менее 1 ч не теряя своих свойств. На воздухе, однако, материал быст­ро окисляется при 1073 К. Величина электросопротивле­ния зависит от содержания графита и изменяется от 1 Ом • см до 1 МОм • см. Различные образцы имеют свой­ства полупроводников п- или р-типа [242]. Материал по­лучают в виде цилиндров, клиньев, кубов, изделий кони­ческой формы, дисков и пластин треугольной и четырех­угольной форм, имеющих от 6 до 20 режущих кромок. Тол­щина стандартных пластин дисков составляет 1,78 мм, треугольников и квадратов — 1,52 мм.

Мегадаймонд применяется в правящем и режущем инструменте, для изготовления фильер, доводочных кали­бров. При обработке высокоабразивного заэвтектического кремний-алюминиевого сплава, применяемого для изго­товления цилиндров двигателей внутреннего сгорания, эксплуатационная стойкость пластин мегадаймонда оказа­лась в 140 раз выше, чем твердосплавных [232, 239]. Впо­следствии была разработана целая гамма таких материа­лов: геосет, формсет, ное компакс, синпакс, карбонит, СВ, АЛВ, балосет.

В ИСМ АН УССР совместно с Институтом физичес­кой химии АН СССР был разработан новый сверхтвердый материал карбонит [115, 130], который получают путем спекания порошков синтетического алмаза с эпитаксиальным покрытием при давлении выше 5 ГПа и температуре выше 1700 К. Материал изготавливают в виде компактных изделий цилиндрической формы диаметром 3—7 мм и высотой 3,0—5,5 мм. Плотность карбонита составляет 3,2—3,4 г/см3, микротвердость — 39,2—44,2 ГПа, пре­дел прочности на сжатие — 4,42—5,88 ГПа. После наг­рева при 1473 К в среде водорода указанный предел прочности снижается не более чем в 1,5 раза, что упрощает технологический процесс изготовления инструмента из карбонита. Как инструментальный материал карбонит лучше всего проявил себя при точении алюминиевых и медных сплавов. Так, при точении сплава АК-6 износ резцов из карбонита в 1,5—2,0 раза меньше, чем резцов из природного алмаза [115].

Таблица 2. Термобарические условия получения поликристаллических материалов

Материал	Давление, ГПа	Темпера­тура, К	Прочность на сжатие, ГПа	Нагрузка на индентор, Н
Баллас (АСБ)	6,0	1600	0,2-0,4	2,0
Карбонадо (АСПК)	8,0—10,0	1700	0,4—0,8	2,0
Мегадаймонд	7,0	2400	3,2—5,8	2,0
Карбонит	8,0—9,0	1600	4,5—6,0	9,8
СВС-П	9,0—10,0	2500	5,0—8,0	-
СВ-15Б	12,0—14,0	3000	8,0—10,0	2,0

В табл. 2 представлены некоторые марки поликристал­лических алмазов, условия их получения и их физико-ме­ханические свойства. Все эти материалы, за исключением АСБ и АСПК, характеризуются высокой термостой­костью (или термической устойчивостью),т. е. способ­ностью хрупких материалов сохранять свои исходные физико-механические свойства после термической обработ­ки. Термостойкость материалов, приведенных в табл. 2, обеспечивается тем, что поликристаллы практически не содержат металлических добавок, растворяющих ал­маз, например кобальта, никеля или железа.

Термодинамические параметры спекания могут быть существенно снижены путем активации спекания алмаз­ных порошков. Активирующими добавками чаще всего бывают металлы переходных групп периодической си­стемы, тугоплавкие металлы и соединения, некоторые неметаллы.

Активация спекания алмазных поликристаллических материалов осуществляется в результате протекания про­цессов физико-химического взаимодействия между алма­зом и активирующими добавками, которые способствуют образованию непосредственных контактов между зернами алмаза, а в некоторых случаях и росту алмазных зерен [148]. Чаще всего такой эффект наблюдается в области жидкофазного взаимодействия алмаза с расплавом ме­таллов, например при эвтектическом плавлении. Поэто­му большинство патентов предлагает в числе активирующих добавок такие металлы как кобальт, никель, железо марганец, хром, которые имеют сравнительно невысокие температуры эвтектического плавления с углеродом и достаточно широкую область его растворимости [1, 68 70, 131, 139, 144, 145]. В качестве активирующих спекание добавок запатентованы и другие металлы и сплавы, при­меняемые при синтезе алмаза как катализаторы-раствори­тели. Это тугоплавкие метал­лы: титан, ванадий, рубидий, родий, палладий, осмий, ири­дий, платина, молибден, тан­тал, вольфрам [242]; карбиды, нитриды, некоторые бориды и оксиды этих металлов, фосфид бора и др. [132].

ческих алмазов и их свойства

Твердость, ГПа	Термо­стой- кость, к	Источник информа- ции
60 - 80	970 29]	[28,
80-100	970	11,28]
78	1470	240, 243]
40—45	1470	115, 130]
—	1370	170, 194]
65—80	1470	168, 170]

Существует целый ряд композиционных алмазных ма­териалов, содержащих, кроме алмаза, наполнители с твердостью выше 4 ГПа. Среди них заслуживают внима­ния материалы, содержащие алмаз и кубический нитрид бора [1, 71, 132, 134]. В работе [1] смесь порошков куби­ческого нитрида бора, графита и металлов из группы железо, кольбат, никель, марганец, хром, тантал (в соот­ношении кубический BN : графит : металл = 10 : 2 : 5) спекают в области стабильности алмаза в течение 5 мин. Полученный компактный продукт с зернами алмаза разме­ром 20 мкм по твердости и прочности приближается к природному поликристаллическому алмазу, а по кислото­упорности и теплостойкости превосходит его. Заготовки для фильер получают путем спекания одного или более монокристаллов алмаза размером менее 1 мм в матрице, представляющей смесь зерен алмаза и кубического нит­рида бора с кремнием [71].

Кремний является перспективным материалом для активации процесса спекания алмаза прежде всего пото­му, что это один из немногих материалов, температура плавления которых понижается при повышении давления [185]. Поэтому процесс пропитки при жидкофазном спе­кании алмаза с кремнием облегчается с повышением дав­ления, а не тормозится, как это было обнаружено, напри­мер, при пропитке медью и ее сплавами алмазного компакта [83]. Для повышения жидкотекучести расплава металла в данном случае можно повышать давление, а не только температуру, управляя таким образом процес­сами спекания и карбидообразования.

В работе [148] предложен способ получения поликри­сталлического алмазного материала со связкой из карбида кремния и чистого кремния. Материал содержит до 95 % алмаза, остальное — карбид кремния. Оптимальное дав­ление при спекании — 3,5—5,5 ГПа. Давление выбира­ется в зависимости от требуемой плотности материала и крупности исходных алмазных зерен. Нижний предел давления, при котором еще образуются контакты между алмазными зернами,— 2,5 ГПа. Оптимальная температу­ра пропитки 1573—1673 К, время — 2—10 мин. Следует отметить, что в процессе спекания происходит рекристал­лизация алмаза, если размер его исходных зерен был 1—60 мкм, то в поликристаллическом спеченном мате­риале он составляет 1—1000 мкм.

Спекание алмаза с активирующими добавками предъ­являет особые требования к геометрии реакционного объ­ема АВД, к их герметизации и применению различных защитных экранов. Например [148], предусматривается защитная оболочка из материала, который не смачивает­ся кремнием и гидростатически передает давление.

Зернистость алмазных порошков может варьировать­ся в зависимости от назначения поликристаллического материала. Некоторые алмазные материалы спекаются с добавлением титана и циркония, а также титановых спла­вов с железом, никелем, кобальтом, алюминием. При этом применяют две стадии спекания — при низкой и высокой температуре [2]. Одной из активирующих доба­вок является бор (С = 15 - 17 %) [153]. Для изготовле­ния режущего инструмента, оснащенного поликристал­лами алмаза, применяют такие добавки, С, %: никель — 74—81; хром—14—15; железо — 5—6; титан — 0,1— 3,0; алюминий — 0,1—2,0 [4]. В качестве составной час­ти добавки часто используется вольфрам (С 5 %) [3].

Несмотря на большое разнообразие выпускаемых ма­рок поликристаллических алмазов, работы по созданию новых материалов инструментального назначения про­должают интенсивно развиваться в связи с ростом требо­ваний различных отраслей промышленности. Современ­ные технологии изготовления поликристаллических СТМ предназначены для получения новых марок и моди­фикаций, специализированных по конкретным областям применения. Представителем новой группы термостойких поликристаллических алмазов является синдакс-3. Его особенностью является то, что связующая фаза ос­тается составной частью готового продукта, а не удаляется при химической обработке. Благодаря этому синдакс-3 обладает гораздо большей стойкостью к ударным и импульсным нагрузкам, чем другие композиционные мате­риалы на основе поликристаллического алмаза. Этот очень плотный беспористый материал с прочным сраще­нием зерен обладает высокой термостойкостью (до 1473 К), выпускается в виде вставок кубической и треугольной формы. Высокая плотность материала препятствует его окислению при высокой температуре на воздухе, обеспечивает минимум графитизации. Благодаря своей стойкости к механическим и термическим переменным нагрузкам синдакс-3 эффективен в инструменте, работа­ющем при тяжелых режимах, например при глубинном сверлении, правке, протягивании проволоки и бурении различных пород — от относительно мягких песчани­ков до твердого гранита [114].

Фирмой «Де Бирс» выпускается новый сверхтвердый поликристаллический материал для волок — синдай ТСН. Он представляет собой спек из порошков природ­ных алмазов в форме шестигранника толщиной 1,0— 3,5 мм и диаметром вписанной окружности 2,5—5,2 мм. Его высокая износостойкость и термостойкость позволяют увеличить скорость протягивания проволоки при высокой стойкости фильер (на два порядка выше стойкости филь­ер из твердого сплава). Фильеры и материал синдай ТСН превосходят по стойкости фильеры из монокристаллов природных алмазов, что связано с изотропией свойств поликристаллического материала, обеспечивающей рав­номерный износ по всей периферии отверстия фильеры. Выпускается разновидность материала синдай из синтети­ческих алмазов.

Фирмой «Дженерал электрик» выпускаются материалы на основе синтетических алмазов — геосет, формсет, новый компакс. Геосет характеризуется высокой термической стойкостью и не теряет режущих и прочностных свойств после нагрева до 1473 К. Каждое зерно поликристалличе­ского материала состоит из большого числа кристаллов, соединенных без связующего компонента по типу алмаз — алмаз. Их острые кромки самозатачиваются в процессе эксплуатации инструмента из геосета, который выпуска­ется в виде плоских треугольников толщиной 2,5—3,7 мм и длиной грани 2,8—6,2 мм. Геосет применяется при буре­нии мягких и твердых песчаников, известняка и гранита.

Для правки и профилирования абразивных кругов применяется материал формсет, который спечен из хао­тично ориентированных монокристаллов синтетического алмаза. Формсет имеет очень высокую износостойкость и выпускается в виде цилиндров, призм, тетраэдров мас­сой от 0,15 до 0,90 карата.

Термостойкий сверхтвердый материал новый компакс применяется для изготовления волок. Он спекается из микропорошков синтетических алмазов с узким диапазо­ном размеров микрочастиц, что обеспечивает тонкозер­нистую однородную структуру материала. Обладает высокой твердостью и износостойкостью при протяги­вании стальной, вольфрамовой, медной, молибденовой, алюминиевой проволоки малого диаметра с высоким ка­чеством поверхности. Высокая износостойкость материа­ла обеспечивает размерную точность волок в течение дли­тельного времени эксплуатации.

Фирма «Сумитомо электрик» (Япония) в последние годы выпустила на международный рынок поликристал­лические алмазы марок Суми DIA WD и Суми DIA DA. Суми DIA WD-100 получают спеканием субмикронных зерен синтетических алмазов. Поликристаллы обладают износостойкостью на уровне природных алмазов. Суми DIA WD-200 спекают из микронных зерен алмаза с добав­кой высокопрочных керметов. Это позволяет использо­вать материал для изготовления волок, в том числе уве­личенных диаметров.