Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Применение высокоразрешающих методов исследования при конструировании интерфейса алмаз – матрица для повышения стойкости алмазного инструмента

https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-6-62-71

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

П. П. Шарин
Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН
Россия

Петр Петрович Шарин

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1



С. П. Яковлева
Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН
Россия

Софья Петровна Яковлева

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1



М. П. Акимова
Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН
Россия

Мария Панфиловна Акимова

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1



В. И. Попов
Северо-Восточный федеральный Университет, Физико-технический институт
Россия

Василий Иванович Попов

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58



Список литературы

1. Гусев Б. В., Кондращенко В. И., Маслов Б. П., Файвусович А. С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства. — М.: Научный мир, 2006. — 560 с.

2. Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. — Florida: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2014. — 598 p.

3. Панин В. Е. Физическая мезомеханика материалов. Т. 1. — Томск: Издательский дом ТГУ, 2015. — 462 с.

4. Инструменты из сверхтвердых материалов. — М.: Машиностроение, 2005. — 555 с.

5. 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.

6. 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.

7. Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds. — UK: University of Nottingham, 2003. — 345 p.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Чичинадзе А. В., Берлинер Э. М., Браун Э. Д. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). — М.: Машиностроение, 2003. — 576 с.

19. 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.

20. 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.

21. Handbook of Raman Spectroscopy. Chapter 2. — NY – Basel: Marsel Dekker, 2001. P. 863 – 917.

22. Тихомиров С. В., Кимстач Т. Б. Спектроскопия комбинационного рассеяния — перспективный метод исследования углеродных наноматериалов / Аналитика. 2011. № 1. С. 28 – 32.

23. 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.


Для цитирования:


Шарин П.П., Яковлева С.П., Акимова М.П., Попов В.И. Применение высокоразрешающих методов исследования при конструировании интерфейса алмаз – матрица для повышения стойкости алмазного инструмента. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020;86(6):62-71. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-6-62-71

For citation:


Sharin P.P., Yakovleva S.P., Akimova M.P., Popov V.I. The use of high-resolution methods of research in the design of the diamond-matrix interface to increase the durability of the diamond tool. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2020;86(6):62-71. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-6-62-71

Просмотров: 110


ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)