3. Многослойные поликристаллические материалы

С целью экономии алмазных порошков и обеспечения тех­нологичной пайки или механического крепления алмаз­ных режущих пластин в инструменте разработаны компо­зиционные сверхтвердые материалы, состоящие из метал­лической или металлокерамической подложки и поликри­сталлического режущего слоя. Этот слой может быть связан с подложкой с помощью припоя, либо непосред­ственно в процессе совместного спекания в условиях сверхвысоких давлений.

Такие сверхтвердые поликристаллические материалы по классификации [168] следует отнести к III группе. Большинство двухслойных алмазных изделий с поликри­сталлическим алмазным режущим слоем изготавливают на подложке, представляющей собой твердый сплав на ос­нове карбида вольфрама, цементированного кобальтовой связкой [134, 149, 150]. Такой состав подложки сводит к минимуму напряжения, возникающие между слоями при спекании из-за различия коэффициентов термическо­го расширения алмаза и материала подложки. Фирмой «Дженерал электрик» (США) выпускаются многослойные пластины на основе алмаза марок компакс, синпакс, стра-топакс, мегапакс.

Материал компакс состоит из поликристаллического алмазного слоя, спеченного при высоких давлениях и температурах на твердосплавной подложке. Твердость, по Кнупу алмазного слоя составляет 65—85 ГПа [240]. Вставки из материала компакс выпускаются в виде плас­тин круглой, трехгранной и четырехгранной форм, а также круговых сегментов с углами 45, 60, 90 и 180Q толщиной 1,5—3,2 мм [231]. Инструмент со вставками ком­пакс нашел широкое применение при обработке алюми­ниевых и медных сплавов, керамических, металлокерамических, пластмассовых и полимерных изделий. В моторо­строении при обработке силуминовых (кремний-алюмини­евых с 18 % Si) сплавов эксплуатационная стойкость вставки компакс в 300 раз превосходит стойкость твердо­сплавного инструмента и в 10 раз — стойкость алмазного однокристального инструмента [231]. Компакс выпуска­ется также в виде волок для протягивания проволоки, представляющих собой поликристаллический алмазный сердечник диаметром 6,35 мм и высотой 6,35 мм, закреплен- ный в твердосплавном кольце. Волоки из компакса обла­дают высокой износостойкостью и ударной вязкостью. Срок их службы по сравнению с волоками из природных алмазов увеличивается при протягивании медной прово­локи в 5 раз, стальной проволоки с латунным покры­тием — в 2 раза, вольфрамовой — в 2—4 раза [223].

В работе [240] приведены результаты определения эрозионной стойкости материала компакс под воздейст­вием ударных нагрузок абразивными частицами. По сра­внению с монокристаллами природного алмаза компакс имеет более высокую стойкость к удару даже при высоких температурах. Существенное снижение эрозиннной стой­кости к ударным нагрузкам происходит только при 1700 К.

Следует отметить, что при спекании слоистых сверх­твердых материалов происходит пропитка алмазного слоя металлом-связкой подложки. При этом осуществляется активация спекания поликристаллического алмазного слоя, а в некоторых случаях происходит рост алмазных зерен из раствора углерода в металле-связке. С целью устранения аномального роста зерен в состав алмазного слоя обычно вводят очень мелкие частицы наполнителя, которым часто служат соединения тугоплавких металлов: карбиды, бориды, нитриды. Например, в работе [5] сообща­ется, что для предотвращения роста зерен алмаза в про­цессе спекания в состав алмазного слоя вводится карбид титана.

Фирма «Де Бирс» выпускает материал синдит в виде двухслойных пластин, состоящих из поликристалличе­ского алмазного слоя толщиной 1,0—1,5 мм и твердосплав­ной подложки. Исходным сырьем служат порошки синтетических алмазов, представляющие собой зерна, тща­тельно сортированные по размерам, правильно огранен­ные и характеризующиеся высокой чистотой. Зерна ал­мазов спекаются при температуре выше 1673 К и давлении выше 6 ГПа. Процесс спекания управляемый, длитель­ностью более 10 мин. В спеченной пластине между под­ложкой и алмазным слоем расположен промежуточный ме­таллический слой, характеризующийся высокой пластич­ностью, который способствует релаксации напряжений, возникающих в зоне соединения алмаза и твердого спла­ва [216]. Полученные заготовки обрабатываются по задан­ному размеру или разрезаются на сегменты необходимой формы с помощью лазера. Выпускаются заготовки синдита трех форм: круглые — в виде дисков (90 типоразме­ров); прямоугольные — в виде пластин (11 типоразмеров); в виде круговых сегментов (60 типоразмеров); круглые — для фильер. По зернистости различают 5 марок синдита: 010, 025, 050, 075, 100. Маркировке соответствует сред­ний размер алмазных частиц в поликристаллическом слое синдита от 10 до 100 мкм [217]. Твердость по Кнупу син­дита 025 при нагрузке 9,8 Н составляет 49,8 ГПа, предел прочности на растяжение — 1,29 ГПа, прочность при по­перечном изгибе— 1,10 ГПа. Упругие модули синдита 025 : Ею = 841 ГПа, Gc= 345 ГПа, К1с = 5,01 МПа X м1/2, = 0,22 [244]. Ударную прочность синдита определяли при прерывистом резании чрезвычайно твер­дого абразивного гранита. Установлено, что с увеличени­ем размера алмазных зерен ударная прочность синдита снижается [217].

В работе инструмента важную роль играет отвод теп­лоты в процессе резания. Теплопроводность поликристал­лического алмазного слоя синдита измерялась в интер­вале 320—480 К. С увеличением зернистости теплопро­водность материала возрастает: 5,5 — 6,4 Вт/(см • К) — для синдита марок 100, 075, 050; 4,2—4,8 Вт/(см . К) — для синдита 0,10. Теплопроводность не коррелирует с плотностью, т. с. содержащийся в алмазном слое металл (С₁ 10%) не влияет на теплопроводность синдита. Теплопроводность материала подложки на порядок мень­ше. Автор работы [221] считает, что при температуре вы­ше 450К, которая развивается на вершине инструмента при резании, разницей в теплопроводности различных марок синдита можно пренебречь.

Синдит применяется в лезвийном инструменте для об­работки изделий из сплавов алюминия с кремнием: М28 (для кремния С = 18 %) и М13 (для кремния С = 12 %). По сравнению с твердосплавным режущим инструментом скорость резания при оснащении инструмента синдитом может быть увеличена в 1,5—2,5 раза, при этом стойкость резца возрастает в 60—400 раз [218]. При обработке спла­ва титана, содержащего 6 % алюминия и 4 % ванадия, стойкость резцов, оснащенных синдитом, возросла в 30 раз. Синдит применяется также в породоразрушающем инструменте при обработке гранита [215], а также в ка­честве материала фильер [225].

Пайка синдита на державку режущего инструмента осуществляется путем кратковременного (индукционно­го или газопламенного) нагрева без защитной атмосфе­ры. Предложена шкала, ограничивающая температуру и время при пайке синдита [218]. Максимально допусти­мая температура 993 К (не более 1,5 мин), при 973 К — не более 3,5 мин и при 953 К — 6 мин; ниже 923 К время пайки не ограничивается.

В последнее время фирма разработала следующие двухслойные материалы с поликристаллическим алмаз­ным слоем.

Синдит-002 — мелкозернистый поликристаллический алмаз, состоящий из произвольно ориентированных зе­рен с изотропными характеристиками, отличается высо­кой стойкостью режущих кромок. Применяется при обработке цветных металлов, сплавов на их основе и неме­таллических материалов, позволяет получать качество поверхности такое же, как при использовании инструмен­та из природных алмазов. Эффективен в тех случаях, когда высокая точность обработки деталей и качество поверхности должны достигаться при минимальных силах резания во избежание деформации обрабатываемого изде­лия. Синдит-002 дополняет уже имеющиеся марки этого материала.

Синдит-плюс — поликристаллический алмазный ма­териал на твердосплавной подложке. Его особенность в том, что алмазный слой не только находится на подложке, но и окружен твердосплавным кольцом. В результа­те поверхность припоя, прочно соединяющего вставку с корпусом, увеличивается, вследствие чего стойкость и надежность инструмента возрастают. Вставки выпуска­ются в виде сегментов, нарезанных из круглых заготовок. Диаметр поликристаллического алмазного слоя — 14 мм, а диаметр всей вставки 15,88 мм. Синдит-плюс обеспечи­вает эффективный теплоотвод из зоны резания. Применя­ется при изготовлении лезвийного инструмента для обра­ботки металлов и сплавов.

Синдрилл — материал, представляющий собой двух­слойные пластины с рабочим слоем из поликристалла алмаза. По структуре и размеру зерен он подобен синдиту-025. Его отличие от прочих поликристаллических мате­риалов заключается в отсутствии поверхности раздела между твердосплавной подложкой и поликристалличе­ским алмазным слоем, что исключает возможность разру­шения пластин под воздействием нагрева при обработке труднообрабатываемых материалов. Мелкозернистая по­ликристаллическая структура способствует медленному износу и высокому сопротивлению синдрила ударным нагрузкам, вследствие чего из него изготавливают вставки для оснащения камнеобрабатывающего инструмента, долот для глубинного бурения и буровых коронок.

Синдит-макро — трехслойный материал, поликрис- таллический алмазный слой которого заключен с двух сторон между двумя тонкими металлическими слоями в виде сандвича. Выпускается в виде пентаэдрических или шевронных пластин с углом при вершине 118° и толщиной алмазного слоя 1 мм.

Синдит-микро — двухслойный поликристаллический материал, выпускается в виде цилиндрических заготовок с твердосплавной частью длиной 8 или 17, 5 мм и поликри- сталлическим алмазным слоем толщиной 1,0—1,5 мм. Применяется при изготовлении сверл для сверления элек- тротехнических материалов.

Фирмой «Сумитомо электрик» в последнее время разра- ботана новая марка поликристаллических алмазов на подложке — Суми DIADA. Эта марка имеет три разно- видности: DA-200, DA-150 и DA-100. DA-200 — основная марка этой серии. Пластины хорошо поддаются пе- реточке, благодаря чему можно получать сложные фор- мы режущей кромки инструмента. Данный материал применяется в широком диапазоне режимов резания - от черновой и до чистовой, тонкой обработки как при не- прерывном, так и прерывистом точении цветных металлов и сплавов: алюминия, высококремнистых алюмини­евых сплавов, меди, цинка, марганца, а также неметал­лов — пластиков, армированных пластмасс, каучука, резины, дерева и древесных плит. Пластины эффективно заменяют резцы из монокристаллов алмаза при обработ­ке деталей и корпусов часов, деталей фотоаппаратуры и пр. DA-150 обладает высоким сопротивлением механи­ческому абразивному износу. Из него изготавливают неперетачиваемые пластины треугольной, квадратной и ромбической форм, диаметры заготовок составляют 3—16 мм, толщина — 1,5—5,0 мм. Пластины пригодны для обработки весьма твердых материалов — вольфра­мовых твердых сплавов, керамики, а также резины и ар­мированных пластиков.

DA-100— наиболее крупнозернистый материал этой марки — применяется для обработки легких спла­вов, пластиков, резины. Этой же фирмой получен еще один новый материал — Суми DIA TR-100/1330. Он представляет собой поликристаллический синтетический материал на твердосплавной подложке и применяется для изготовления волок.

В СССР разработано несколько марок поликристал­лических алмазов на подложке: ДАП, СВБН, БПА, АТП, АЛВ. ДАП — двухслойная алмазная пластина диаметром 4,5—11,0 мм, толщиной 3—4 мм. Поликри­сталлический алмазный слой имеет толщину 0,5—1,5 мм, подложка состоит из твердого сплава или специальной стали. Работоспособность резцов из ДАП исследовалась при точении титановых и высококремнистых алюмини­евых сплавов [159]. Стойкость резцов колебалась от не­скольких минут до нескольких часов. Неоднородность свойств ДАП наблюдается как в радиальном направле­нии, так и по высоте. Перепад температуры и давле­ния, имеющий место при спекании ДАП, приводит к образованию в пластине кольцевых зон. В центре пласти­ны находиться зона диаметром около 2 мм с пониженной износостойкостью, такая же износостойкость — в зоне на расстоянии 1,0—1,5 мм от края пластины. Между ними — зона повышенной износостойкости. При реза­нии титанового сплава ВТ-6 со скоростью 100 м/мин ре­зец работал до износа по задней поверхности 0,2 мм в те­чение 300 мин. Исследования работоспособности резцов из ДАП с различным содержанием металлической фазы в поликристаллическом алмазном слое показали, что про­центное содержание металла влияет на эксплуатацион­ные характеристики материала. Шероховатость поверхности деталей из титановых сплавов, обработанных рез­цами из ДАП, соответствует 7 классу, алюминиевых и медных деталей — 8 классу.

ВНИИТС Минцветмета СССР разработал технологию производства двухслойных пластин с алмазным режу­щим слоем — СВБН [118]. Термостойкость таких пла­стин выше 1073 К, что позволяет осуществлять их пай­ку в инструменте не дефицитными припоями из серебра, а медно-никелевыми. Материал СВБН изготавливают в виде цилиндров диаметром 4 и высотой 3 мм и приме­няют для армирования бурового инструмента.

В ИСМ АН УССР выпускаются поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза марок БПА и АТП. Материал АТП разработан совместно с ВНИИАлмазом Минстанкопрома СССР. Материалы БПА и АТП представляют собой двухслойные пласти­ны с твердосплавной подложкой и поликристаллическим алмазным слоем. БПА используется в лезвийном инструменте для обработки цветных металлов и спла­вов, наиболее эффективен при обработке высококрем­нистых алюминиевых сплавов. АТП применяется в основном для оснащения породоразрушающего и буро­вого инструмента. Поликристаллический алмазный ма­териал АЛВ выпускается как в твердосплавной обойме, так и без нее и используется при изготовлении волок для протягивания проволоки. Наиболее эффективен при волочении тонкой проволоки из высокопрочной стали. (Подробнее эти материалы будут рассмотрены в главе V).