4. Материалы на металлической или металлокерамической связках

К IV группе можно отнести сверхтвердые поликристал-лические и композиционные материалы, которые полу- чают путем спекания алмазных зерен в присутствии ме- таллической или металлокерамической связки в усло- виях высоких давлений. В Институте физики высоких давлений АН СССР создан сверхтвердый материал ал- мет с содержанием алмаза 65—95 % по массе [7]. В ка-честве связующего применены титаносодержащие ин- терметаллидные соединения. Эти соединения (Ti — Си) плавятся при температуре менее 1370 К. В связи с этим процесс спекания осуществляется при давлении 1-2 ГПа. Особенностью структуры алмета является наличие пленок карбида титана, которые образуются при спекании в результате химического взаимодействия

между алмазными зернами и расплавом связки. Кар­бидные пленки, покрывающие кристаллы алмаза, обра­зуют в материале непрерывный пространственный кар­кас. Предел прочности на сжатие алмета 4—5 ГПа, мо­дуль упругости 500—600 ГПа.

В буровом алмазном инструменте широко исполь­зуется для оснащения долот композиционный материал славутич, разработанный в ИСМ АН УССР. Одна из мо­дификаций славутича, спекаемая при давлении ниже 0,1 ГПа, содержит изометричные алмазные зерна разме­ром 0,5 мм с коэффициентом формы 1,0—1,2 при объем­ной концентрации в материале 25 %, упорядоченно расположенные в матричном твердом сплаве ВК-6. Зо­на контактного взаимодействия алмазных зерен с мат­рицей не превышает 5 мкм. В твердосплавной матрице можно выделить следующую за ней переходную зону толщиной 4—5 мкм, содержащую кобальт. Затем сле­дует область обычного по составу твердого сплава ВК-6, не содержащего -фазы. Основной размер карбидной фа­зы твердого сплава находится в пределах 0,5—1,0 мкм, в кобальте растворен карбид вольфрама (С = 6,0 - 6,2 %), концентрация свободного углерода по массе не превышает 0,3 %, плотность композиционного мате­риала составляет 15,1 г/см3, твердость — HRA = 90 - 91, ударная вязкость — 1,67 • 104 Дж/м2, прочность при поперечном изгибе—1,5 ГПа, предел прочности при одноосном сжатии — 3,9 ГПа [85].

Механические свойства композита существенно за­висят от концентрации алмазов. Так, определение пре­дела прочности при одноосном сжатии показало, что при увеличении концентрации алмазов размером 0,5 мм от 0,22 до 1,76 г/см3 снижается в 3,4 раза. Подобный характер имеет зависимость эффективных значений тре-щиностойкости композитов К1с. Хотя увеличение кон­центрации алмазов снижает трещиностойкость компо­зита, тем не менее она выше трещиностойкости матрич­ного материала, не содержащего алмазов. Трещиностой­кость К1с алмазосодержащего композита (концентрация алмазов от 0,2 до 1,76 г/см3) составляет 7—11 МПа • м1/2. Испытания проводили на механической машине со ско­ростью 0,5 мм/мин при комнатной температуре.

Анализ полученных результатов показал, что рас­сматриваемые композиты обладают наилучшим комплек­сом физико-механических свойств при концентрации алмазов, не превышающей 1,1 г/см3. При большем их со­держании прочностные свойства материала резко снижаются. Оптимальную концентрацию алмазов (в пределах 0,22—1,1 г/см3) можно точно определить по результатам испытаний на износостойкость.

В ИСМ АН УССР разработана целая гамма сверх­твердых материалов, в качестве связки которых приме­няется металлокерамика. К ним относятся, например, твесалы (твердый сплав + алмазы), используемые в буровом инструменте; актинит, применяемый для прав­ки абразивных кругов, и др. Твесалы обладают высоки­ми значениями трещиностойкости и износостойкости. Им можно при спекании придать различную, необходи­мую для крепления в буровых долотах, форму и разме­ры. Твесалы успешно работают при больших динамиче­ских нагрузках в условиях интенсивного абразивного и гидроабразивного износа. В этих материалах использу­ются порошки термостойких синтетических алмазов с высокой прочностью на сжатие.

В настоящее время широко применяются компози­ционные материалы на основе алмаза, содержащие кремний и его соединения. Такие мaтepиaлы спекаются при давлениях 2,0—4,0 ГПа и температурах, при кото­рых начинает плавиться эвтектический сплав, содержа­щий углерод и кремний. Этот сплав покрывает поверх­ность спекаемых кристаллов и вступает в реакцию с алмазом с образованием карбида кремния.

Зарубежные фирмы также разрабатывают сверх­твердые материалы, относящиеся к IV группе. Так, в работе [67] предлагается вставка для режущего инстру­мента, содержащая алмазный порошок (С = 80 - 90 %), остальное — связка Ni — Si.