zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-6-62-71zldm-1226Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSПрименение высокоразрешающих методов исследования при конструировании интерфейса алмаз – матрица для повышения стойкости алмазного инструментаThe use of high-resolution methods of research in the design of the diamond-matrix interface to increase the durability of the diamond toolШаринП. П.SharinP. P.

Петр Петрович Шарин

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Petr P. Sharin

ul. Oktyabrskaya 1, Yakutsk, 677980

psharin1960@mail.ruЯковлеваС. П.YakovlevaS. P.

Софья Петровна Яковлева

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Sofia P. Yakovleva

ul. Oktyabrskaya 1, Yakutsk, 677980

АкимоваМ. П.AkimovaM. P.

Мария Панфиловна Акимова

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Mariya P. Akimova

ul. Oktyabrskaya 1, Yakutsk, 677980

ПоповВ. И.PopovV. I.

Василий Иванович Попов

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Vasily I. Popov

ul. Belinskogo 58, Yakutsk, 677000

Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАНРоссияV. P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationСеверо-Восточный федеральный Университет, Физико-технический институтРоссияAmmosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation2020220620208666271Copyright © Шарин П.П., Яковлева С.П., Акимова М.П., Попов В.И., 20202020Шарин П.П., Яковлева С.П., Акимова М.П., Попов В.И.Sharin P.P., Yakovleva S.P., Akimova M.P., Popov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1226

Представлены результаты исследований в области проблем направленного формирования пограничных слоев алмаз – твердосплавная матрица в целях создания высокостойкого алмазного инструмента. Предложены новые подходы к синтезу алмазно-твердосплавных материалов, объединяющие металлизацию алмаза и спекание в одноэтапной технологии. Технология исключает повторный нагрев металлизированного покрытия, при котором происходит его деструкция и усиливается графитизация алмаза (эти явления ограничивают применение метода металлизации для улучшения алмазоудержания и получения высокофункциональных композитов инструментального назначения). Цель работы — анализ структурно-фазового состояния интерфейса алмаз – матрица в алмазно-твердосплавном инструменте, полученном по новой технологии, и основных факторов, определяющих уровень алмазоудержания в присутствии металлизированного покрытия. В работе использованы уникальные высокоразрешающие методы исследования. Методами растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рамановской спектроскопии исследованы элементный состав и морфологические особенности интерфейса алмаз – матрица, проведена идентификация продуктов реакции, в том числе неалмазного углерода. Показано, что введение порошка-металлизатора существенно модифицировало границы контакта и создало условия для улучшения химической и механической адгезии системы алмаз – матрица. Выявлено формирование развитой наносубмикронной шероховатости поверхности алмаза и плотное заполнение имеющихся промежутков нанотолщинными прослойками металла-инфильтрата. Многоуровневая организация высокоструктурированных элементов переходной зоны при минимальной графитизации обеспечила монолитность и прочность соединения алмаз – матрица. Изготовлены опытные и контрольные образцы алмазных карандашей, результаты испытаний которых подтвердили эффективность разработанной гибридной технологии; удельная производительность алмазного инструмента повысилась на 39 – 45 %. Получены новые фундаментально-прикладные результаты в области изучения интерфейсных зон в кристаллических многофазных системах, которые могут быть использованы для регулирования адгезионного взаимодействия на межфазных границах и разработки высокоэффективных композиционных материалов.

The results of studying fundamental and applied problems regarding the formation of boundary layers between diamond and carbide matrix are presented with the goal to develop a highly resistant diamond tool. The new approaches to the synthesis of diamond-carbide materials combining diamond metallization and sintering in a single-stage technology are presented. The developed technology eliminates the re-heating of a metallized coatings which results in their destruction and enhanced graphitization of diamond (these phenomena restrict using metallization procedure to improve diamond retention and synthesis of high-functional composites for diamond tools). The goal of the study is analysis the structural and phase state of the «diamond – carbide matrix» interface in a diamond tool obtained by the new technology and the main factors determining the level of diamond retention in the presence of a metallized coating. Unique opportunities provided by modern high-resolution methods of research were used in the study. The elemental composition and morphological features of the diamond-matrix interface were studied using the methods of scanning electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray microanalysis and Raman spectroscopy. Identification of the reaction products, including non-diamond carbon was performed. It is shown that the introduction of the powder-metallizer significantly modified the contact boundaries and provide conditions for improving the chemical and mechanical adhesion of the diamond-matrix system. The formation of the well-developed nano- and sub-microscale roughness of the diamond surface and dense filling of the existing voids with nanoscale layers of metal-infiltrate was revealed. The multilevel organization of highly structured elements of the transition zone with the minimal graphitization ensured the monolithic character and strength of the diamond-matrix bond. Comparative service tests of preproduction and control samples of diamond dressers proved the efficiency of developed hybrid technology (the specific performance of diamond tools increased by 39 – 45%). New fundamental and applied results have been obtained in the field of studying interface zones in crystalline multiphase systems that can be used to regulate adhesion phenomena at the interphase boundaries and develop highly efficient composite materials.

алмазно-твердосплавный композитметаллизацияспеканиепропиткаалмазоудержаниеадгезияалмазный инструментэксплуатационные свойстваdiamond-carbide compositemetallizationsinteringimpregnationdiamond retentionadhesiondiamond toolperformance propertiesРабота выполнена при финансовой поддержке государства в рамках Программ ФНИ государственных академий наук, УНП 0378-2018-0006.ReferencesГусев Б. В., Кондращенко В. И., Маслов Б. П., Файвусович А. С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства. — М.: Научный мир, 2006. — 560 с.Gusev B. V., Kondrashhenko V. I., Maslov B. P., Faivusovich A. S. Formation of composite materials structure and their properties. — Moscow: Nauchnyi mir, 2006. — 560 p. [in Russian].Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. — Florida: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2014. — 598 p.Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. — Florida: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2014. — 598 p.Панин В. Е. Физическая мезомеханика материалов. Т. 1. — Томск: Издательский дом ТГУ, 2015. — 462 с.Panin V. E. Physical mesomechanics of materials. Vol. 1. — Tomsk: Izd. dom TGU, 2015. — 462 p. [in Russian].Инструменты из сверхтвердых материалов. — М.: Машиностроение, 2005. — 555 с.Tools from superhard materials. — Moscow: Mashinostroenie, 2005. — 555 p. [in Russian].Hsieh Y. Z., Lin S. T. Diamond tool bits with iron alloys as the binding matrices / Materials Chemistry and Physics. 2001. Vol. 72. N 2. P. 121 – 125.Hsieh Y. Z., Lin S. T. Diamond tool bits with iron alloys as the binding matrices / Materials Chemistry and Physics. 2001. Vol. 72. N 2. P. 121 – 125.Исонкин А. М., Богданов Р. К. Влияние металлизации алмазов на показатели работоспособности буровых коронок / Научные труды ДонНТУ. Горно-геологическая серия. 2011. № 14(181). С. 158 – 163.Isonkin A. M., Bogdanov R. K. The effect of diamond metallization on the drill bits performance / Nauch. Tr. DonNTU. Gorno-Geol. Ser. 2011. N 14(181). P. 158 – 163 [in Russian].Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds. — UK: University of Nottingham, 2003. — 345 p.Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds. — UK: University of Nottingham, 2003. — 345 p.Schubert T., Trindade B., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications / Materials Science and Engineering. 2008. Vol. 475. N 1 – 2. P. 39 – 44.Schubert T., Trindade B., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications / Materials Science and Engineering. 2008. Vol. 475. N 1 – 2. P. 39 – 44.Яхутлов М. М., Карамурзов Б. С., Беров З. Ж. и др. Направленное формирование межфазной границы алмаз – матрица с использованием нанопокрытий / Изв. Кабард.-Балкар. госуниверситета. 2011. Т. 1. № 4. С. 23 – 25.Yakhutlov M. M., Karamurzov B. S., Berov Z. Zh., et al. Directional formation of the diamond – matrix interface using nanocoatings / Izv. Kabard.-Balkar. Gos. Univ. 2011. Vol. 1. N 4. P. 23 – 25 [in Russian].Shao W. Z., Ivanov V. V., Zhen L., Cui Y. S., Wang Y. A study on graphitization of diamond in copper-diamond composite materials / Mater. Lett. 2004. Vol. 58. N 1 – 2. P. 146 – 149.Shao W. Z., Ivanov V. V., Zhen L., Cui Y. S., Wang Y. A study on graphitization of diamond in copper-diamond composite materials / Mater. Lett. 2004. Vol. 58. N 1 – 2. P. 146 – 149.Пат. 2478455 РФ, МПК B22F7/08, B24D3/10. Способ изготовления алмазных инструментов / Шарин П. П., Лебедев М. П., Гоголев В. Е. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2012104802/02; заявл. 10.02.2012; опубл. 04.10.2013. Бюл. № 10.RF Pat. 2478455, MPK B22F7/08; B24D3/10. The method of diamond tools manufacturing / Sharin P. P., Lebedev M. P., Gogolev V. E. Applicant and owner FGBUN Institut fiziko-tekhnicheskikh problem Severa SO RAN. — N 2012104802/02; appl. 10.02.2012; publ. 10.04.2013. Byull. N 10 [in Russian].Пат. 2580264 РФ, МПК B22F3/16; B22F3/26; B22F3/093; C22C26/00. Способ пропитки алмазосодержащих брикетов легкоплавкими металлами и сплавами / Шарин П. П., Лебедев М. П., Яковлева С. П. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2014138079/02; заявл. 19.09.2014; опубл. 04.10.2016. Бюл. № 10.RF Pat. 2580264, MPK B22F3/16; B22F3/26; B22F3/093; C22C26/00. The method of diamond-containing briquettes impregnation with low-melting metals and alloys / Sharin P. P., Lebedev M. P., Yakovleva S. P., et al. Applicant and owner FGBUN Institut fiziko-tekhnicheskikh problem Severa SO RAN. — N 2014138079/02; appl. 19.09.2014; publ. 10.04.2016. Byull. N 10 [in Russian].Пат. 2607393C1 РФ, МПК C22C 26/00; B22F 3/16; B22F 3/26; B24D 3/06. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей / Шарин П. П., Никитин Г. М., Лебедев М. П. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИФТПС СО РАН. — № 2015132568; заявл. 04.08.2015; опубл. 10.01. 2017. Бюл. № 1.RF Pat. RU 2 607 393 C1A, MPK C22C 26/00; B22F 3/16; B22F 3/26; B24D 3/06. The method for producing a composite diamond-containing matrix based on carbide powder mixtures with increased diamond retention / Sharin P. P., Nikitin G. M., Lebedev M. P., et al. Applicant and owner FGBUN Institut fiziko-tekhnicheskikh problem Severa SO RAN. — N 2015132568; appl. 04.08.2015; publ. 10.01.2017. Byull. N 1 [in Russian].Schubert T., Ciupinski L., Zielinski W., Michalski A., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial characterization of Cu/diamond composites prepared by powder metallurgy for heat sink application / Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. Issue 4. P. 263 – 266.Schubert T., Ciupinski L., Zielinski W., Michalski A., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial characterization of Cu/diamond composites prepared by powder metallurgy for heat sink application / Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. Issue 4. P. 263 – 266.Hamid Z. A., Moustafa S. F., Morsy F. A., Khalifa N. A. A., Mouez F. A. Fabrication and characterization copper/diamond composites for heat sink application using powder metallurgy / Natural Science. 2011. Vol. 3. N 11. P. 936 – 947.Hamid Z. A., Moustafa S. F., Morsy F. A., Khalifa N. A. A., Mouez F. A. Fabrication and characterization copper/diamond composites for heat sink application using powder metallurgy / Natural Science. 2011. Vol. 3. N 11. P. 936 – 947.Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N. F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools / Proc. of the International Conf. on Stone and Concrete Machining (ICSCM). Vol. 3. — Bochum, Germany, 2015. P. 21 – 30.Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N. F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools / Proc. of the International Conf. on Stone and Concrete Machining (ICSCM). Vol. 3. — Bochum, Germany, 2015. P. 21 – 30.Анчаров А. И., Аульченко В. М., Баринова А. П. и др. Механокомпозиты — прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. — 424 с.Ancharov A. I., Aulchenko V. M., Barinova A. P., et al. Mechanocomposites — precursors for creating materials with new properties. — Novosibirsk: Izd. SO RAN, 2010. — 424 p. [in Russian].Чичинадзе А. В., Берлинер Э. М., Браун Э. Д. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). — М.: Машиностроение, 2003. — 576 с.Chichinadze A. V., Berliner E. M., Braun E. D. Friction, wear and lubrication (tribology and tribo-engineering). — Moscow: Mashinostroenie, 2003. — 576 p. [in Russian].Ножкина А. В., Костиков В. И., Клюев Ю. А. и др. Структурные превращения в алмазах при термических воздействиях / Изв. вузов. Серия: Химия и химическая технология. 2013. Т. 56. № 5. С. 52 – 56.Nozhkina A. V., Kostikov V. I., Klyuev Yu. A., et al. Structural transformations in diamonds under thermal effects / Izv. Vuzov. Ser. Khimiya Khim. Tekhnol. — 2013. Vol. 56. N 5. P. 52 – 56 [in Russian].Rommel D., Scherm F., Kuttner C., Glatzel U. Direct metal deposition of abrasive tracks — Potentials concerning geometry and materials / Surface and Coat Technology. 2016. Vol. 291. P. 62 – 69.Rommel D., Scherm F., Kuttner C., Glatzel U. Direct metal deposition of abrasive tracks — Potentials concerning geometry and materials / Surface and Coat Technology. 2016. Vol. 291. P. 62 – 69.Handbook of Raman Spectroscopy. Chapter 2. — NY – Basel: Marsel Dekker, 2001. P. 863 – 917.Handbook of Raman Spectroscopy. Chapter 2. — NY – Basel: Marsel Dekker, 2001. P. 863 – 917.Тихомиров С. В., Кимстач Т. Б. Спектроскопия комбинационного рассеяния — перспективный метод исследования углеродных наноматериалов / Аналитика. 2011. № 1. С. 28 – 32.Tikhomirov S. V., Kimstach T. B. Raman spectroscopy — a promising method for the study of carbon nanomaterials / Analitika. 2011. N 1. P. 28 – 32 [in Russian].Шарин П. П., Яковлева С. П., Гоголев В. Е., Васильева М. И. Структурная организация высокоизносостойких алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных порошков, полученных методом спекания с пропиткой медью / Перспективные материалы. 2015. № 6. С. 66 – 77.Sharin P. P., Yakovleva S. P., Gogolev V. E., Vasilyeva M. I. Structural organization of highly wear-resistant diamond-containing composites based on carbide powders obtained by sintering with copper impregnation / Perspekt. Mater. 2015. N 6. P. 66 – 77 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.