[go: up one dir, main page]

RU2538551C1 - Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component - Google Patents

Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component Download PDF

Info

Publication number
RU2538551C1
RU2538551C1 RU2013133609/03A RU2013133609A RU2538551C1 RU 2538551 C1 RU2538551 C1 RU 2538551C1 RU 2013133609/03 A RU2013133609/03 A RU 2013133609/03A RU 2013133609 A RU2013133609 A RU 2013133609A RU 2538551 C1 RU2538551 C1 RU 2538551C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamond
cvd
insert
cobalt
dispersion
Prior art date
Application number
RU2013133609/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Евсеевич Ашкинази
Виктор Григорьевич Ральченко
Виталий Иванович Конов
Андрей Петрович Большаков
Станислав Геннадиевич Рыжков
Сергей Сергеевич Соболев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Priority to RU2013133609/03A priority Critical patent/RU2538551C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2538551C1 publication Critical patent/RU2538551C1/en

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to diamond-based composite materials, obtained by sintering diamond grains and metals with dispersion-strengthening additives and reinforcing CVD diamond component in form of insert, modified under conditions of high pressure and temperature, and can be used for production of drilling and dressing tools. Diamond semi-crystalline composite material with dispersion-strengthening additive contains refractory shell, in which powders of diamond, metal and CVD diamond insert are placed. Shell is made of refractory metal, mainly tantalum and niobium. Nickel, cobalt are used as metals, and tungsten carbide nanopowder is used as dispersion-strengthening additive with the following component ratio, wt %: diamond powder and CVD diamond insert 85-90, nickel 7-9, cobalt 2-4, tungsten carbide nanopowder 0.1-3.0.
EFFECT: increase of hardness and wear-resistance of reinforced with CVD diamond sintered composite and reliable fixation of material in drilling instrument.
1 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области получения поликристаллических материалов, а именно к композиционным материалам на основе алмаза, полученным путем спекания алмазных зерен и металлов с дисперсно-упрочняющими добавками и армирующей CVD алмазной компоненты в виде вставки, модифицированной в условиях высоких давления и температуры, и может быть использовано преимущественно для изготовления бурового и правящего инструмента.The invention relates to the field of production of polycrystalline materials, namely to composite materials based on diamond obtained by sintering diamond grains and metals with dispersion-reinforcing additives and CVD reinforcing diamond components in the form of an insert modified under high pressure and temperature, and can be used mainly for the manufacture of drilling and ruling tools.

Известны поликристаллические материалы, алмазный слой которых можно создавать из смеси, содержащей 75-85% прочных зерен (А.с. СССР 1425984, кл. B24D 3/06, B22F 3/10, опубл. 14.01.87); алмазный слой или его часть может содержать отдельные твердые поликристаллические агрегаты, которые распределены в его объеме (US Patent Application 20080073126, Е21В 10/46, B01J 3/06, C01B 31/06, опубл. 27.03.2008) или содержать термостабильные твердые области (US Patent Application 20110056142, Е21В 10/36, опубл. 30.11.2006). В техническом решении (US Patent Application 20060266558, B24D 11/00, опубл. 10.03.2011) в алмазный слой вводят предварительно спеченные алмазно-твердосплавные гранулы. Такая гранула состоит из монокристалла алмаза размером ≈ 800 мкм, расположенного в центральной ее части, вокруг которого расположено 20-30 зерен размером 300-400 мкм.Polycrystalline materials are known, the diamond layer of which can be created from a mixture containing 75-85% of strong grains (A.S. USSR 1425984, class B24D 3/06, B22F 3/10, publ. 14.01.87); the diamond layer or part thereof may contain individual solid polycrystalline aggregates that are distributed in its volume (US Patent Application 20080073126, Е21В 10/46, B01J 3/06, C01B 31/06, published March 27, 2008) or contain heat-stable solid regions ( US Patent Application 20110056142, E21B 10/36, publ. 30.11.2006). In the technical solution (US Patent Application 20060266558, B24D 11/00, published March 10, 2011), pre-sintered diamond carbide granules are introduced into the diamond layer. Such a granule consists of a single crystal of diamond with a size of ≈ 800 μm, located in its central part, around which there are 20-30 grains with a size of 300-400 microns.

Твердость алмазного слоя поликристаллических материалов, созданных в ИСМ и В.Н. Бакуля, составляет 50 ГПа (Гаргин В.Г. Физико-механические свойства алмазно-твердосплавных пластин // Поликристаллические материалы на основе синтетического алмаза и кубических нитрид бора. - К.: ИСМ АН УССР, 1990. - С. 62-67), пластин «Stratapax» производства фирмы General Electric - 50-63 ГПа (Stratapax drill blanks. Open a new world of mining. Specialty material department. General electric company. Worthington. OHJO43085), пластин «Sindrill» производства фирмы De Beers - 50 ГПа (Latest Product Sindrill De-Beers Synthetic Polycrystalline Diamond Drill Blank. - Indiagua, 1983. - P. 43-44).The hardness of the diamond layer of polycrystalline materials created in ISM and V.N. Bakul, is 50 GPa (VG Gargin. Physical and mechanical properties of diamond carbide inserts // Polycrystalline materials based on synthetic diamond and cubic boron nitride. - K .: ISM AN USSR, 1990. - P. 62-67), General Electric Stratapax plates — 50-63 GPa (Stratapax drill blanks. Open a new world of mining. Specialty material department. General electric company. Worthington. OHJO43085), De Beers Sindrill plates — 50 GPa ( Latest Product Sindrill De-Beers Synthetic Polycrystalline Diamond Drill Blank. - Indiagua, 1983. - P. 43-44).

В последнее время активно развивается технология осаждения алмаза из газовой фазы (ХГФО - химическое газофазное осаждение, или CVD - Chemical Vapor Deposition), в котором реакционной средой служат, как правило, смеси метана и водорода.Recently, the technology of diamond deposition from the gas phase (CGFD - chemical gas-phase deposition, or CVD - Chemical Vapor Deposition) has been actively developed, in which, as a rule, mixtures of methane and hydrogen serve as the reaction medium.

Известны фирмы, которые выращивают из газовой фазы различные CVD-алмазы: «светлые» (с небольшим содержанием дефектов), которые используются в основном в электронике, и «черные» (black diamond), с высокой концентрацией дефектов, которые применяются как инструментальный материал. Фирма «Element Six» выпускает «черные» алмазы нескольких марок, например, марки CDD, не содержащей графит. Так называемый «черный алмаз» является поликристаллическим CVD-алмазом с высоким содержанием структурных дефектов, таких как микродвойники, дислокации, нанометровые аморфизованные домены [L. Nistor, J. Van Landuyt, V. Ralchenko and I. Vlasov, "Structural aspects of CVD diamond wafers grown at different hydrogen flow rates", Physica Status Solidi (a), 174 (1999) 5-9]. Эти дефекты вызывают сильное оптическое поглощение в «черном» алмазе, в то время как включения графита в них отсутствуют. Однако при вакуумном отжиге поликристаллического алмаза, даже первоначально прозрачного, до температур выше 1200-1300°C на границах зерен могут формироваться тонкие прослойки кристаллизованного графита толщиной от нескольких межплоскостных расстояний [V. Ralchenko, L. Nistor, Е. Pleuler, A. Khomich, I. Vlasov and R. Khmelnitskii, Structure and properties of high-temperature annealed CVD diamond, Diamond and Related Materials, 12 (2003) 1964-1970.], что также приводит к почернению материала.There are well-known companies that grow various CVD diamonds from the gas phase: “light” (with a small content of defects), which are mainly used in electronics, and “black” (black diamond), with a high concentration of defects, which are used as tool materials. Element Six produces black diamonds of several grades, for example, graphite-free CDD. The so-called “black diamond” is a polycrystalline CVD diamond with a high content of structural defects, such as microtwins, dislocations, and nanometer amorphized domains [L. Nistor, J. Van Landuyt, V. Ralchenko and I. Vlasov, "Structural aspects of CVD diamond wafers grown at different hydrogen flow rates", Physica Status Solidi (a), 174 (1999) 5-9]. These defects cause strong optical absorption in the "black" diamond, while graphite inclusions are absent in them. However, during vacuum annealing of polycrystalline diamond, even initially transparent, to temperatures above 1200–1300 ° C, thin layers of crystallized graphite with a thickness of several interplanar spacings can form at grain boundaries [V. Ralchenko, L. Nistor, E. Pleuler, A. Khomich, I. Vlasov and R. Khmelnitskii, Structure and properties of high temperature annealed CVD diamond, Diamond and Related Materials, 12 (2003) 1964-1970.], Which also leads to blackening of the material.

Согласно данным фирмы ((Diamond Materials Gmbh» (http://www.diamond-materials.com/DE/cvd_diamond/overview.htm) твердость CVD-алмазов составляет от 75 до 110 ГПа. В заявке на выдачу патента США №10/889169 приведены данные по твердости CVD-алмазов, которая составляет 50-90 ГПа, и трещиностойкости 11-20 МПа·м1/2.According to the firm ((Diamond Materials Gmbh »(http://www.diamond-materials.com/DE/cvd_diamond/overview.htm), the hardness of CVD diamonds is between 75 and 110 GPa. In the application for the grant of US patent No. 10 / 889169 shows data on the hardness of CVD diamonds, which is 50-90 GPa, and fracture toughness 11-20 MPa · m 1/2 .

При термообработке при высоком давлении (p=5 ГПа, Т=1800-2500 К) твердость монокристалла CVD-алмаза достигает 160-180 ГПа (Pat. Appl. 20030230232 US. IPC С23С 016/27; с30D 021/02; С30D 028/06; С23С 016/00. Method of making enhanced CVD-diamond / RH Frushou, W. Li; Appl. 18.12.03).When heat treated at high pressure (p = 5 GPa, T = 1800-2500 K), the hardness of a CVD diamond single crystal reaches 160-180 GPa (Pat. Appl. 20030230232 US. IPC С23С 016/27; с30D 021/02; С30D 028 / 06; C23C 016/00. Method of making enhanced CVD-diamond / RH Frushou, W. Li; Appl. 12/18/03).

После баротермической обработки «белого» поликристаллического CVD-алмаза при меньшей температуре (1570 К) и давления 8 ГПа в процессе получения гибридного алмаз-карбид кремниевого композиционного материала его твердость повышалась на 80% (Шульженко А.А., Ашкинази Е.Е., Соколов А.Н. и др. Новый гибридный ультратвердый материал // Сверхтв. материалы. - 2010. - №5. - С. 3-14).After barothermic processing of “white” polycrystalline CVD diamond at a lower temperature (1570 K) and a pressure of 8 GPa in the process of obtaining a hybrid diamond-silicon carbide composite material, its hardness increased by 80% (Shulzhenko A.A., Ashkinazi E.E., Sokolov AN, et al. New hybrid ultrahard material // Superhigh materials. - 2010. - No. 5. - P. 3-14).

Монокристаллы CVD-алмаза (SC-CVD) после отжига при давлениях 5-7 ГПа и температурах 2000-2700°C имеют твердость 100-160 ГПа и трещиностойкость до 40 МПа·м1/2 (патент США 2389833, кл. С30В 25/00. Опубл. 27 октября 2008).Single crystals of CVD diamond (SC-CVD) after annealing at pressures of 5-7 GPa and temperatures of 2000-2700 ° C have a hardness of 100-160 GPa and crack resistance up to 40 MPa · 1/2 (US patent 2389833, class C30B 25 / 00. Published on October 27, 2008).

Износостойкость материала определяется прямыми испытаниями - трудоемкими и дорогими, но ее можно прогнозировать на основе физико-механических характеристик. Сравнение экспериментальных и рассчитанных по формуле S=Hv1/2-K1c3/4 (S - параметр износостойкости; Hv - твердость материала; К1c - трещиностойкость) данных по износостойкости не дает сомнения в их корреляции между собой (Майстренко А.Л., Дуб С.Н. Прогнозирование износостойкости хрупких материалов по твердости и трещиностойкости // Заводская лаборатория. - 1991. - 57. - №2. - С. 52-54).The wear resistance of the material is determined by direct tests - time-consuming and expensive, but it can be predicted on the basis of physical and mechanical characteristics. Comparison of the experimental and calculated by the formula S = Hv 1/2 -K 1c 3/4 (S is the parameter of wear resistance; H v is the hardness of the material; K 1c is the crack resistance) of the data on wear resistance does not give any doubt about their correlation between themselves (Maistrenko A. L., Dub S.N. Prediction of the wear resistance of brittle materials by hardness and crack resistance // Factory Laboratory. - 1991. - 57. - No. 2. - P. 52-54).

Определенные таким образом значения параметра износостойкости по формуле для алмазного слоя (Hv=50 ГПа, К=11,7±1,4 МПа·м1/2) составят 45-51 условных единиц. В то же время поликристаллический CVD-алмаз (Hv=100-160 ГПа, К1c=11-20 МПа·м1/2) имеет параметр износостойкости - 57-96, а монокристаллический (Hv=160 ГПа, К=30-40 МПа·м1/2) - 162-200, т.е. модифицированная CVD алмазная вставка имеет значительно больший (примерно в 4 раза) параметр износостойкости.The values of the wear resistance parameter thus determined by the formula for the diamond layer (H v = 50 GPa, K 1s = 11.7 ± 1.4 MPa · m 1/2 ) will amount to 45-51 conventional units. At the same time, polycrystalline CVD diamond (H v = 100-160 GPa, K 1c = 11-20 MPa · m 1/2 ) has a wear resistance parameter of 57-96, and single-crystal (H v = 160 GPa, K 1s = 30-40 MPa · m 1/2 ) - 162-200, i.e. CVD modified diamond insert has a significantly greater (about 4 times) wear resistance parameter.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДКМ) относятся к классу порошковых композиционных материалов. Структура ДКМ представляет собой матрицу из чистого металла или сплава, в которой распределены на заданном расстоянии одна от другой тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм, искусственно введенные в материал на одной из технологических стадий. Объемная доля этих частиц (включений) составляет 0.1-15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллических соединений.Dispersion hardened composite materials (DKM) belong to the class of powder composite materials. The structure of a DCM is a matrix of pure metal or alloy in which finely dispersed particles of the strengthening phase less than 0.1 μm in size are artificially introduced into the material at one of the technological stages and distributed at a given distance from one another. The volume fraction of these particles (inclusions) is 0.1-15%. As the hardening phase, dispersed particles of oxides, carbides, nitrides, borides and other refractory compounds, as well as intermetallic compounds, are used.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ (см. заявка SU 4122626/26, МПК С01В 31/06, опубл. 27.09.1999) получения поликристаллического материала на основе алмаза под действием давления и температуры на шихту из углеродного материала и металлов-катализаторов (алюминия и ниобия), размещенную в оболочку из графита. В данном случае с целью обеспечения сверхпроводящих свойств углеродный материал берут в стехиометрическом соотношении атомов углерода к атомам алюминия, а ниобия - в количестве 4 атомов на 1 моль образующегося соединения Аl4С3. Недостатком полученного согласно прототипа материала является его недостаточная твердость и износостойкость, так как задачей прототипа было получение сверхпроводящего материала.The closest in technical essence to the proposed method is the method (see application SU 4122626/26, IPC СВВ 31/06, publ. 09/27/1999) for producing a polycrystalline material based on diamond under the influence of pressure and temperature on a charge of carbon material and metals - catalysts (aluminum and niobium) placed in a graphite shell. In this case, in order to ensure superconducting properties, the carbon material is taken in the stoichiometric ratio of carbon atoms to aluminum atoms, and niobium is taken in the amount of 4 atoms per 1 mol of the resulting compound Al 4 C 3 . The disadvantage of the material obtained according to the prototype is its insufficient hardness and wear resistance, since the task of the prototype was to obtain a superconducting material.

В основу изобретения положена задача такого усовершенствования алмазного поликристаллического композиционного материала, при котором, благодаря выбору предлагаемых металлов, добавок, CVD алмазных вставок, и их соотношению обеспечивается такой технический эффект, как повышение твердости и износостойкости армированного CVD алмазом спеченного композита, а за счет выбора тугоплавкой оболочки осуществляется надежное крепление материала в буровом инструменте. Использование в качестве материала оболочки тугоплавких металлов, таких как Та, Nb и др. обусловлено тем, что после спекания оболочка и расположенные в ней алмазы, металлы и добавки, представляют собой одно целое, за счет чего увеличивается прочность полученной вставки, и при закреплении вставок из указанного материала облегчается процесс пайки, так как оболочка смачивается используемыми припоями, при этом исключается процесс металлизации вставок. Кроме этого, при спекании, например вставок бурового инструмента из указанного материала, в графитовых многопозиционных ячейках высокого давления исключается образование алмаза вокруг образца из материала и возникновения дефектов его формы.The basis of the invention is the task of such an improvement in diamond polycrystalline composite material, in which, thanks to the choice of the metals, additives, CVD diamond inserts, and their ratio, such technical effect is provided as increasing the hardness and wear resistance of the sintered composite reinforced with CVD diamond, and by selecting a refractory the shell provides reliable fastening of the material in the drilling tool. The use of refractory metals as a shell material, such as Ta, Nb, etc., is due to the fact that after sintering, the shell and the diamonds, metals and additives located in it are one, thereby increasing the strength of the obtained insert, and when fixing the inserts from the specified material, the soldering process is facilitated, since the shell is wetted with the used solders, while the process of metallization of the inserts is excluded. In addition, during sintering, for example, inserts of a drilling tool from the specified material, in the graphite multiposition high-pressure cells, the formation of diamond around the sample from the material and the occurrence of defects in its shape are excluded.

Введение дисперсно-упрочняющих добавок способствует получению такого композиционного материала, в металлической матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы дополнительного вещества. В таких материалах всю нагрузку при нагружении воспринимает CVD алмазная вставка и матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.The introduction of dispersion-strengthening additives contributes to the production of such a composite material in the metal matrix of which finely dispersed particles of an additional substance are uniformly distributed. In such materials, the CVD diamond insert and matrix take up the entire load during loading, in which, using a multitude of particles of the 2nd phase that are practically insoluble in it, a structure is created that effectively resists plastic deformation.

Кроме того с помощью частиц 2-й фазы обеспечивается подавление процесса формирования микротрещин и, как следствие, повышается прочность матрицы и эффект баротермического воздействия на CVD алмазную вставку полученного поликристаллического композиционного материала.In addition, with the help of particles of the 2nd phase, the process of microcrack formation is suppressed and, as a result, the matrix strength and the effect of barothermal action on the CVD diamond insert of the obtained polycrystalline composite material are increased.

Указанная задача решается тем, что в алмазном поликристаллическом композиционном материале с дисперсно-упрочняющей добавкой, содержащем тугоплавкую оболочку, в которой размещены порошки алмаза, металла и CVD алмазная вставка, согласно изобретения оболочка выполнена из тугоплавкого металла, преимущественно тантала или ниобия, а в качестве металлов используются никель, кобальт и дополнительно в качестве дисперсно-упрочняющей добавки - нанопорошок карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, масс.%This problem is solved in that in a polycrystalline diamond composite material with a dispersion hardening additive containing a refractory shell containing diamond, metal and CVD diamond inserts, according to the invention, the shell is made of refractory metal, mainly tantalum or niobium, and as metals nickel, cobalt are used, and additionally as a dispersion hardening additive — tungsten carbide nanopowder in the following ratio of components, wt.%

порошок алмаза и CVD алмазная вставкаdiamond powder and CVD diamond insert 85-9085-90 никельnickel 7-97-9 кобальтcobalt 2-42-4 нанопорошок карбида вольфрамаtungsten carbide nanopowder 0,1-3,00.1-3.0

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, которые являются и техническими результатами, которые достигаются при реализации изобретения, заключается в том, что высокий уровень физико-механических свойств поликристаллического материала определяется наличием непрерывного каркаса между алмазными частицами и в первую очередь формированием связи алмаз-алмаз, образованием высокодисперсной зеренной структуры, а также кристаллоориентированными кубической и гексагональной (лонсдейлит) решетками в структуре модифицированного CVD алмаза, повышающими его твердость.The causal relationship between the set of features, which are also the technical results that are achieved during the implementation of the invention, is that a high level of physical and mechanical properties of a polycrystalline material is determined by the presence of a continuous framework between diamond particles and, first of all, the formation of a diamond-diamond bond, the formation of a finely divided grain structure, as well as crystal-oriented cubic and hexagonal (lonsdaleite) lattices in the structure is modified CVD diamond, increasing its hardness.

Такие металлы, как никель и кобальт, при спекании в межзеренных промежутках выполняют роль технологической среды, в которой происходит взаимодействие в системе алмаз-металл и проходит процесс перекристаллизации через жидкую фазу, источником которой является никель и кобальт. Это приводит к возникновению связей алмаз-алмаз и повышению прочности материала. Введение кобальта и никеля увеличивает вязкость материала (уменьшает его хрупкость) и, соответственно, прочность, что существенно повышает результирующее баротермическое воздействие на CVD алмазную вставку способствующую трансформации кристаллической решетки. Кроме этого, сплав никеля с добавкой кобальта, в условиях высоких давления и температуры, лучше смачивает алмазные зерна, чем только кобальт, - это четко видно на структуре полученного образца из материала. Введение нанопорошка карбида вольфрама способствует увеличению прочности. Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например, химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.Metals such as nickel and cobalt, when sintering in grain boundaries, play the role of a technological environment in which the diamond-metal system interacts and undergoes a recrystallization process through the liquid phase, the source of which is nickel and cobalt. This leads to diamond-diamond bonds and an increase in the strength of the material. The introduction of cobalt and nickel increases the viscosity of the material (reduces its brittleness) and, accordingly, strength, which significantly increases the resulting barothermic effect on the CVD diamond insert contributing to the transformation of the crystal lattice. In addition, a nickel alloy with the addition of cobalt, under conditions of high pressure and temperature, better wetts diamond grains than only cobalt - this is clearly visible on the structure of the obtained sample from the material. The introduction of tungsten carbide nanopowders increases strength. The hardening of such materials consists in creating a structure in them that impedes the movement of the dislocation. Discrete particles of the second phase, for example, chemical compounds such as carbides, nitrides, borides, and oxides, which are characterized by high strength and melting temperature, create the strongest drag on the movement of dislocations.

В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В таком материале, как и в порошковых композиционных материалах, матрица несет основную нагрузку.In dispersion-hardened materials, the specified strength and reliability are achieved by the formation of a certain structural state in which the effective braking of dislocations is combined with their uniform distribution in the bulk of the material or (which is especially favorable) with a certain mobility of the dislocations accumulating at the barriers to prevent brittle fracture. In such a material, as in powder composite materials, the matrix carries the main load.

Примеры конкретной реализации изобретенияExamples of specific implementation of the invention

Для испытания на твердость были получены образцы диаметром 4 мм и высотой 4 мм, армированные CVD алмазными вставками. Поликристаллический ХГФО-алмаз толщиной 0,5 мм осаждали в смеси метана с водородом в СВЧ плазме на Si подложку диаметром 57 мм на установке УПСА-100 (СВЧ мощность 5 кВт, частота 2,45 ГГц) [Ральченко В.Г., Савельев А.В., Попович А.Ф., Власов И.И., Воронина СВ., Ашкинази Е.Е. Двухслойные теплоотводящие диэлектрические подложки алмаз - нитрид алюминия. Микроэлектроника, 2006, т. 35, № 4, с. 243-248]. Типичные параметры синтеза «непрозрачного» CVD алмаза инструментального качества составляли: давление газа в камере 95-100 Торр, концентрация СН4 в смеси 10%, температура подложки 850-870°C, скорость осаждения ~5,0 мкм/ч. Полученную алмазную пластину отделяли от подложки химическим травлением в смеси кислот, а затем с помощью лазерной резки (YAG:Nd лазер, λ=1,064 мкм) из нее вырезали пластины размером 4,0×1,0×0,5 мм (длина x ширина x толщина). Образцы были спечены в аппарате высокого давления типа «тороид» с диаметром центрального углубления 30 мм. Для изготовления образцов алмазного поликристаллического композиционного материала были отпрессованы многопозиционные ячейки-нагреватели из графита диаметром 18 мм и высотой 5 мм, с цилиндрическими отверстиями диаметром 4,5 мм. В цилиндрических отверстиях размещали оболочку из тугоплавкого металла ниобия толщиной 0,05 мм, порошковую шихту и CVD алмазные вставки. При использовании оболочки толщиной менее 0,02 мм в процессе спекания алмазные зерна могут проникать сквозь нее, в результате чего образуются отдельные участки, которые остаются непропитанными при пайке вставок в корпус инструмента. Оболочку толщиной более чем 0,15 мм нецелесообразно использовать, вследствие уменьшения диаметра вставок из получаемого материала, и большем количестве материала низкой износостойкости. Предварительно делали смесь из металлов никеля, кобальта и нанопорошка карбида вольфрама WC.For hardness tests, samples were obtained with a diameter of 4 mm and a height of 4 mm reinforced with CVD diamond inserts. A 0.5 mm thick polycrystalline CGFO diamond was deposited in a mixture of methane with hydrogen in a microwave plasma on a 57 mm diameter Si substrate on a UPSA-100 installation (microwave power 5 kW, frequency 2.45 GHz) [Ralchenko VG, Savelyev A .V., Popovich A.F., Vlasov I.I., Voronina SV., Ashkinazi E.E. Two-layer heat-conducting dielectric substrates diamond - aluminum nitride. Microelectronics, 2006, v. 35, No. 4, p. 243-248]. Typical synthesis parameters of the “opaque” CVD diamond of tool quality were: gas pressure in the chamber 95-100 Torr, CH4 concentration in the mixture 10%, substrate temperature 850-870 ° C, deposition rate ~ 5.0 μm / h. The resulting diamond plate was separated from the substrate by chemical etching in an acid mixture, and then using a laser cutting machine (YAG: Nd laser, λ = 1.064 μm), 4.0 × 1.0 × 0.5 mm plates were cut from it (length x width x thickness). The samples were sintered in a toroid type high-pressure apparatus with a central recess diameter of 30 mm. To produce samples of a diamond polycrystalline composite material, multi-position graphite heaters with a diameter of 18 mm and a height of 5 mm, with cylindrical holes with a diameter of 4.5 mm, were pressed. A 0.05 mm thick shell of refractory niobium metal, a powder charge, and CVD diamond inserts were placed in cylindrical holes. When using a shell with a thickness of less than 0.02 mm during sintering, diamond grains can penetrate through it, as a result of which separate sections are formed, which remain impregnated when soldering the inserts into the tool body. A shell with a thickness of more than 0.15 mm is impractical to use, due to a decrease in the diameter of the inserts from the resulting material, and a larger amount of material of low wear resistance. A preliminary mixture of nickel, cobalt and nanopowder WC tungsten carbide metals was made.

Как известно, эффективными путями создания плотной, однородной структуры поликристаллов, которая обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств, является использование методов предварительной подготовки исходных материалов в сочетании с проведением процесса спекания (или синтеза) при максимально возможных давлениях.As you know, effective ways to create a dense, homogeneous structure of polycrystals, which provides a high level of physical and mechanical properties, is to use methods of preliminary preparation of the starting materials in combination with the sintering process (or synthesis) at the maximum possible pressures.

Одной из важнейших подготовительных операций является смешивание, под которым понимается приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Только равномерное распределение частиц одного порошка среди частиц другого обеспечит однородные свойства в разных изделиях.One of the most important preparatory operations is mixing, which means the preparation with the help of mixers of a homogeneous mechanical mixture of metal powders of various chemical and granulometric composition or a mixture of metal powders with non-metallic. Only a uniform distribution of particles of one powder among particles of another will ensure uniform properties in different products.

Получение однородной смеси из порошков разного состава - одна из труднейших задач химической технологии, которая еще более усложняется, если необходимо смешивать порошки с различным размером частиц - в процессе смешения более крупные частицы будут собираться в одной части объема смеси, а мелкие - в другой.Obtaining a homogeneous mixture from powders of different compositions is one of the most difficult tasks of chemical technology, which is even more complicated if it is necessary to mix powders with different particle sizes - during the mixing process, larger particles will be collected in one part of the volume of the mixture, and small ones in the other.

Поэтому получение гомогенизированной смеси обеспечивали в результате использования двух методик смешивания.Therefore, obtaining a homogenized mixture was provided as a result of using two mixing techniques.

На первом этапе навески компонентов размещали на молибденовой пластине и тщательно перемешивали вручную металлическим шпателем.At the first stage, weighed components were placed on a molybdenum plate and thoroughly mixed manually with a metal spatula.

Проверка качества смешения массы проводили визуально под микроскопом МБС-6 при увеличении ×100 при надавливании шпателем на пробу шихты, отобранную методом квартования. Шихта, состоящая из смеси одинаковых по цвету ингредиентов, не должны содержать блестящих частиц (не измельченных кристаллов), а порошки, содержащие также и окрашенные вещества, не должны иметь заметных включений окрашенных частиц.The quality of the mass mixing was checked visually under an MBS-6 microscope at a magnification of × 100 when pressing with a spatula on a mixture sample selected by quarting. A mixture consisting of a mixture of the same color ingredients should not contain shiny particles (not crushed crystals), and powders containing also colored substances should not have noticeable inclusions of colored particles.

Второй этап подготовки шихты заключался в использовании устройства для смешивания с перемешивающими валками ЕХАКТ 501 производства фирмы «ЕХАКТ Advanced Technologies GmbH» (Германия), в котором через три керамических валка, вращающихся навстречу, с отдельно регулируемыми зазорами валков равномерно и мелко перерабатывают твердые активные ингредиенты, так что конечный продукт - деаэрирован, а комки порошка сведены к минимуму.The second stage of preparation of the charge was the use of a device for mixing with mixing rolls ЕХАКТ 501 manufactured by ЕХАКТ Advanced Technologies GmbH (Germany), in which solid active ingredients are processed uniformly and finely through three ceramic rolls rotating towards each other with separately adjustable roll gaps. so that the final product is deaerated and lumps of powder are minimized.

Благодаря открытой системе валков можно прямо контролировать процесс гомогенизации и диспергирования. Размер измельчаемых частиц для различных веществ задается величиной отдельно регулируемых зазоров между керамическими валками. Двукратная обработка шихты на трехвалковом станке ЭКЗАКТ 501 приводит к диспергированию никеля, кобальта и гомогенизации шихты (Со, Ni, WC).Thanks to the open roll system, the process of homogenization and dispersion can be directly controlled. The size of the crushed particles for various substances is set by the size of separately adjustable gaps between ceramic rollers. Double processing of the charge on a three-roll machine EXAKT 501 leads to the dispersion of nickel, cobalt and homogenization of the charge (Co, Ni, WC).

Полученную шихту смешивали с алмазным порошком зернистостью 40/28. Целесообразно использовать алмазные порошки зернистостью 20-100 мкм, указанный размер зерен является оптимальным, то есть они обладают необходимой абразивной стойкостью и хорошо спекаются, для получения предлагаемого композиционного материала. Смесь, полученную из алмазов, Ni, Со с WC засыпали в оболочку из Nb, вводили CVD алмазные вставки и размещали в ячейке высокого давления. Спекание осуществляли при давлении 8 ГПа, температуре 1900 К и продолжительности нагрева 90 с.The resulting mixture was mixed with diamond powder with a grain size of 40/28. It is advisable to use diamond powders with a grain size of 20-100 μm, the indicated grain size is optimal, that is, they have the necessary abrasion resistance and are well sintered to obtain the proposed composite material. The mixture obtained from diamonds, Ni, Co with WC was poured into a Nb shell, CVD diamond inserts were introduced and placed in a high pressure cell. Sintering was carried out at a pressure of 8 GPa, a temperature of 1900 K, and a heating duration of 90 s.

Пример 1Example 1

Описанным способом изготовили образцы алмазного поликристаллического композиционного материала, армированного CVD алмазом, содержащего масс.%:By the described method, samples of a diamond polycrystalline composite material reinforced with CVD diamond were prepared, containing wt.%:

порошок алмаза и CVD алмазная вставкаdiamond powder and CVD diamond insert 8787 никельnickel 88 кобальтcobalt 33 нанопорошок карбида вольфрамаtungsten carbide nanopowder 22

Получили образцы поликристаллического композиционного материала на основе порошка алмаза и CVD алмазной вставки в оболочке из тугоплавкого металла Nb диаметром 4,2 мм и высотой 4,2 мм. В дальнейшем была проведена шлифовка образцов из материала по диаметру и по торцам свободным абразивом для получения плоскопараллельных плоскостей для исключения погрешностей при измерении твердости. На твердомере ПМТ индентором Виккерса при усилии 50-100 Н было проведено измерение твердости в центральной части матрицы и в центре CVD алмазной вставки каждого из образцов (10 шт). Доверительный интервал величины твердости при коэффициенте надежности 0,95 не превышал 0,2 ГПа. Результаты испытаний приведены в таблице.Received samples of a polycrystalline composite material based on diamond powder and CVD diamond insert in a shell of refractory metal Nb with a diameter of 4.2 mm and a height of 4.2 mm Subsequently, grinding of samples of the material by diameter and ends with a free abrasive was carried out to obtain plane-parallel planes to eliminate errors in measuring hardness. On a PMT hardness tester, a Vickers indenter with a force of 50-100 N measured hardness in the central part of the matrix and in the center of the CVD diamond insert of each of the samples (10 pcs). The confidence interval for the hardness at a reliability coefficient of 0.95 did not exceed 0.2 GPa. The test results are shown in the table.

Как видно из таблицы, примеры 1-7, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить исходную твердость CVD алмазной вставки с 78 до 125 ГПа за счет модификации состава матрицы АПКМ т.е. на ~65% не изменяя режимы баротермического спекания (см. таблицу). Примеры 8-13 - за пределами заявленных признаков. Содержание добавок металлов никеля и кобальта, согласно верхнему пределу (масс.%), приводит к выплавлению их растворов из оболочки. Содержание добавок WC согласно верхнему пределу, приводит к возникновению дефектов в образцах материала в виде трещин, сколов и т.п. Содержание добавок кобальта, никеля WC согласно нижнему пределу, приводит к уменьшению твердости.As can be seen from the table, examples 1-7, the use of the invention allows to increase the initial hardness CVD of the diamond insert from 78 to 125 GPa by modifying the composition of the APCM matrix i.e. ~ 65% without changing the barothermal sintering modes (see table). Examples 8-13 are outside the scope of the claimed features. The content of metal additives of nickel and cobalt, according to the upper limit (wt.%), Leads to the melting of their solutions from the shell. The content of WC additives according to the upper limit leads to defects in the material samples in the form of cracks, chips, etc. The content of cobalt additives, WC nickel according to the lower limit, leads to a decrease in hardness.

ТаблицаTable Объект
испытаний
An object
test
№ п/пNo. p / p Состав смеси из порошка алмаза и добавок,
% (по массе)
The composition of the mixture of diamond powder and additives,
% (by weight)
Твердость, ГПаHardness, GPa
HPHT и CVD алмазHPHT and CVD diamond NiNi CoCo WCWC АПКМAgribusiness CVD алмазная компонентаCVD diamond component Исх.Ref. После НРНТAfter NRT Материал согласно заявляемому изобретениюThe material according to the claimed invention 1one 8787 88 33 22 7878 7878 122122 22 8686 99 33 22 8080 7878 124124 33 8888 77 33 22 7676 7878 120120 4four 8888 88 22 22 7171 7878 115115 55 8686 88 4four 22 7575 7878 121121 66 8686 88 33 33 8181 7878 125125 77 88,988.9 88 33 0,10.1 6868 7878 112112 88 8484 11eleven 33 22 Выплавление Co-Ni-WCSmelting Co-Ni-WC 7878 105105 99 8585 88 55 22 Выплавление Co-Ni-WCSmelting Co-Ni-WC 7878 100one hundred 1010 8585 88 33 4four Возникновение отдельных сколов и трещинThe occurrence of individual chips and cracks 7878 9494 11eleven 8989 66 33 22 6464 7878 108108 1212 8989 88 1one 22 6666 7878 ПОBY 1313 88,9588.95 88 33 0,050.05 6565 7878 111111 ПрототипPrototype 14fourteen 50fifty

Claims (1)

Алмазный поликристаллический композиционный материал с дисперсно-упрочняющей добавкой, содержащий тугоплавкую оболочку, в которой размещены порошки алмаза, металла и CVD алмазная компонента в виде вставки, согласно изобретению оболочка выполнена из тугоплавкого металла, преимущественно тантала или ниобия, а в качестве металлов используются никель, кобальт и дополнительно в качестве дисперсно-упрочняющей добавки - нанопорошок карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %:
порошок алмаза и CVD алмазная вставка 85-90 никель 7-9 кобальт 2-4 нанопорошок карбида вольфрама 0,1-3,0
Polycrystalline diamond composite material with a dispersion hardening additive containing a refractory shell containing diamond, metal and CVD diamond powders in the form of an insert, according to the invention, the shell is made of refractory metal, mainly tantalum or niobium, and nickel, cobalt are used as metals and additionally, as a dispersion hardening additive, tungsten carbide nanopowder in the following ratio of components, wt. %:
diamond powder and CVD diamond insert 85-90 nickel 7-9 cobalt 2-4 tungsten carbide nanopowder 0.1-3.0
RU2013133609/03A 2013-07-19 2013-07-19 Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component RU2538551C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013133609/03A RU2538551C1 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013133609/03A RU2538551C1 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2538551C1 true RU2538551C1 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013133609/03A RU2538551C1 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2538551C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698885C1 (en) * 2018-12-14 2019-08-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Method of obtaining 3d diamond structures

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5624068A (en) * 1990-10-11 1997-04-29 Sandvik Ab Diamond tools for rock drilling, metal cutting and wear part applications
SU1413874A1 (en) * 1986-06-10 1999-09-27 Институт физики высоких давлений им.Л.Ф.Верещагина METHOD OF OBTAINING POLYCRYSTALLINE MATERIAL BASED ON DIAMOND
RU2303688C2 (en) * 2002-01-30 2007-07-27 Элемент Сикс (Пти) Лтд. Composite material with thick abrasive layer
US7392865B2 (en) * 2003-12-02 2008-07-01 Smith International, Inc. Randomly-oriented composite constructions
RU2413699C2 (en) * 2008-12-30 2011-03-10 Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Superhard material
RU2466200C2 (en) * 2006-10-31 2012-11-10 Элемент Сикс (Продакшн) (Пти) Лтд Abrasive compact from polycrystalline diamond

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1413874A1 (en) * 1986-06-10 1999-09-27 Институт физики высоких давлений им.Л.Ф.Верещагина METHOD OF OBTAINING POLYCRYSTALLINE MATERIAL BASED ON DIAMOND
US5624068A (en) * 1990-10-11 1997-04-29 Sandvik Ab Diamond tools for rock drilling, metal cutting and wear part applications
RU2303688C2 (en) * 2002-01-30 2007-07-27 Элемент Сикс (Пти) Лтд. Composite material with thick abrasive layer
US7392865B2 (en) * 2003-12-02 2008-07-01 Smith International, Inc. Randomly-oriented composite constructions
RU2466200C2 (en) * 2006-10-31 2012-11-10 Элемент Сикс (Продакшн) (Пти) Лтд Abrasive compact from polycrystalline diamond
RU2413699C2 (en) * 2008-12-30 2011-03-10 Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Superhard material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698885C1 (en) * 2018-12-14 2019-08-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Method of obtaining 3d diamond structures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7985470B2 (en) Diamond sintered compact
JP4581998B2 (en) Diamond-coated electrode and manufacturing method thereof
US8226922B2 (en) High-hardness conductive diamond polycrystalline body and method of producing the same
Rong et al. TEM investigation of high-pressure reaction-sintered cBN-Al composites.
Yang et al. Fabrication and mechanical properties of WC-10Co cemented carbides with plate-like WC grains
EP2607307A1 (en) Diamond polycrystal and process for production thereof
JP2004525050A (en) Thermal conductive material
WO2012157293A1 (en) Silicon carbide powder and method for producing silicon carbide powder
US4220677A (en) Polycrystalline superhard material and method of producing thereof
Zheng et al. CVD synthesis of nanometer SiC coating on diamond particles
Chang et al. Characterization of boron carbide nanoparticles prepared by a solid state thermal reaction
Han et al. Formation mechanism of AlN-SiC solid solution with multiple morphologies in Al-Si-SiC composites under flowing nitrogen at 1300° C
EP3712304B1 (en) Diamond polycrystal and method for producing the same
US4148964A (en) Polycrystalline superhard material and method of producing thereof
RU2538551C1 (en) Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component
US5691260A (en) Cubic system boron nitride sintered body for a cutting tool
RU2550394C2 (en) Polycrystalline diamond composite with dispersion-strengthened additive
Zheng et al. Growth mechanism of Mo2C coatings on diamond particles in molten salt
Zhang et al. Reaction thickness between diamond and silicon under 5 GPa
EP1460040B1 (en) Graphite material for synthesizing semiconductor diamond and semiconductor diamond produced by using the same
Shih et al. Microstructure and characterization of diamond film grown on various substrates
Zheng et al. Unveiling the formation of Mo2C coating on diamond particles along with anisotropic etching by Mo powder
Zhu et al. Interfacial microstructure of diamond/SiC composites fabricated by Si infiltration with gas flow guidance
Su et al. A novel non-catalytic synthesis method for zero-and two-dimensional B13C2 nanostructures
Ukhina et al. Surface modification of synthetic diamond with tungsten