CC BY
85
УДК 666.3.015.4
Царевская О.О., Зорин М.Ю., Сетракова Е.С., Вартанян М.А., Анохин А.С. СВЕРХТВЕРДЫЕ КОМПОЗИТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
Царевская Ольга Олеговна, студент 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Зорин Михаил Юрьевич, студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Сетракова Елена Сергеевна, студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Вартанян Мария Александровна, к.т.н., доцент, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047 Москва, Миусская пл., 9
Анохин Александр Сергеевич, к.т.н., главный технолог, e-mail: [email protected] ЗАО «Микробор Нанотех», Москва, Россия 117036 Москва, проспект 60-летия Октября, 10А
В работе приведен обзор современного состояния и перспектив развития технологии сверхтвердых материалов для породообразующего и металлообрабатывающего инструмента. Особое внимание уделено ультратвердым гибридным материалам на основе монокристаллического алмаза, выращиваемого методом осаждения из газовой фазы.
Ключевые слова: CVD алмаз, алмазный композит, ультратвердый гибридный материал.
SUPER-HARD COMPOSITES AND PERSPECTIVES FOR THEIR DEVELOPMENT
Tsarevskaya O.O., Zorin M.Y., Setrakova E.S., Vartanyan M.A., Anokhin A.S. :D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2LLC «Microbor Nanotech», Moscow, Russia
The paper presents the state of the art and perspectives in super-hard materials development for rock- and metal-processing tools, featuring ultra-hard hybrid matrials based on chemical vapour deposited monocrystalline diamond.
Keywords: CVD diamond, diamond composite, ultra-hard hybrid material
превращением из нанографита при давлении 25 ГПа и температуре 2200 К был получен поликристаллический алмаз, твердость которого достигает 140 ГПа [3]. После термообработки при высоком давлении твердость монокристалла природного алмаза типа Am2 составила 130 - 150 [6], а твердость монокристалла алмаза, выращиваемого методом осаждения из газовой фазы (CVD алмаза) -160 - 180 ГПа [5].
Создание алмазного инструмента. Современное применение алмазных инструментов началось примерно 150 лет назад, когда 1862 году швейцарским инженером Ж. Лешо была предложена концепция создания алмазных буровых коронок [7], что дало название данному классу материалов. Первоначально для изготовления алмазного инструмента использовали природный сверхтвердый материал карбонадо (скрытокристаллические массы из микроскопических кристаллов алмаза, графита, аморфного углерода и пр.). Последующий прогресс в технологиях производства и широкое использование методов порошковой металлургии привели к созданию в 1940 году пропитанных алмазной крошкой режущх дисков
[7].
Дальнейшее развитие технологии производства режущего инструмента в основном связано с появлением синтетических алмазов, когда в 1953 году, когда группой исследователей шведской фирмы ASEA
Реализация новых высокоэффективных технологий, обеспечивающих стремительное развитие техносферы XXI века, подразумевает, в частности, существенное увеличение нагрузку на инструмент. Соответственно, инструментальный материал должен обладать высокой износостойкостью, сочетать высокую прочность и твердость, обладать термостабильностью в широком интервале температур [1]. К сверхтвердым материалам предлагается относить таковые с твердостью 20 - 120 ГПа, т.е. твердость которых выше твердости природного корунда и может достигать твердости грани (111) монокристаллов природного алмаза типа 2а. Подобными свойствами обладают такие материалы, как алмаз, кубический нитрид бора (cBN), карбид бора (B4C), карбонитрид бора (BC2N), сплавы AMgBM, AlB40C4, ромбическая фаза бора высокого давления y-B28 и др. Поиск новых сверхтвердых материалов не только представляет большой научный интерес, но и имеет большое практическое значение [2]. В результате активного изучения особенностей формирования материалов с высокими физико-механическими характеристиками, применения новейших технологий - техники сверхвысоких (выше 15 ГПа) давлений [3], использования материалов наноструктурного диапазона [4], специальных методов воздействия на материал [5, 6] - перечень сверхтвердых материалов был существенно пополнен. В частности,
были получены положительные и воспроизводимые результаты [8]. В 1955 году, независимо от них, компания «Дженерал Электрик» объявила о возможности промышленного изготовления синтетических алмазов [9] и подала заявку на патент [10]. Постоянный прогресс в технологии производства синтетических алмазов способствовал повышению коммерческой значимости синтетических шлиф-порошков, которые сейчас составляют почти 99 % всех используемых технических алмазов [11] В новом тысячелетии рынок алмазного инструмента продолжает быстро расти. Данные 2010 года свидетельствуют о том, что мировое производство синтетических алмазов превысило 4,38 млрд карат [11], где лидирующие позиции в сфере их производства и потребления занимает Китай [12]. Действующая в настоящее время классификация материалов для алмазного инструмента показана на рис. 1.
Рис. 1. Классификация сверхтвердых материалов (по [12])
Сверхтвердые материалы на основе алмаза. Композиционные сверхтвердые материалы на основе поликристаллических алмазов (PCD) нашли широкое применение при изготовлении режущего и бурового инструмента (долот, коронок, резцов) [13, 14]. CVD алмаз, приближающийся по своим свойствам к наиболее совершенным монокристаллам алмаза, также находит все большее применение как инструментальный материал, в частности, как покрытие на вставках режущего инструмента. Разнообразный режущий и сверильный инструмент, в частности, буровые головки, развертки, зенковки с CVD алмазными покрытиями, широко применяется для механической обработки цветных металлов, пластмасс и композиционных материалов. Однако существует ряд технологических препятствий на пути получения эффективного инструмента на основе CVD алмаза. Прежде всего, это характерный для алмаза вообще и CVD алмаза, в частности, чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, во-вторых, это анизотропия свойств поликристаллических CVD алмазов, обусловленная колончатым строением кристаллитов. Эти факторы при изготовлении
традиционными способами и эксплуатации инструмента на основе CVD алмаза часто приводят к возникновению опасных термических напряжений в материале, которые ведут к его разрушению.
Список литературы
1. Шульженко А.А., Ашкинази Е.Е., Соколов А.Н. и др. Новый гибридный ультратвердый материал // Сверхтвердые материалы. 2010. № 5. С. 3-14.
2. Jingnan Zhao, Pranav Shrotriya. Ultrahard Polycrystalline Cubic Boron Nitride Composite through Hybrid Laser/Waterjet Heat (LWH) Treatment // Procedia Manufacturing. 2016. Vol. 5. P. 747-760.
3. Hitoshi S., Irifune T. Formation mechanism and some properties of superhard nanopolycrystalline diamond synthesized by direct conversion sintering // J. Jap. Soc. Powder and Powder Metallurgy. 2006. Vol. 53, N 5. P. 452-458.
4. Соколов А.Н., Шульженко А.А., Гаргин В.Г. Сверхтвердый наноалмазный композит инструментального назначения // Рос. хим. журнал. 2006. Т. 50, № 1. С. 50-53.
5. Pat. Appl. 20030230232 US. Method of making enhanced CVD diamond / Frushou R.H., Li W.; Appl. 18.12.03.
6. Pat. 7115241 US. Ultrahard diamonds and method of making thereof / Russell J.H., Ho-Kwang M., Chih-shiue Y. Publ. 03.10.06.
7. Hughes F.H. The early history of diamond tools // Industrial Diamond Review. 1980. Vol. 40. P. 405-407.
8. Lundblad E. Swedish synthetic diamond scooped the world 37 years ago // Indiaqua. 1990. Vol. 55. P. 17-23.
9. Bundy E.P., Hall H.T., Strong H.M., Wentorf R.H. Man-made diamond // Nature. 1955. Vol. 176. P. 5155.
10. Pat. 2947610 US. Method of making diamonds / Hall H.T., Strong H.M., Wentorf R.H. Publ. 02.08.1960.
11. Mineral Commodity Summaries. US Geological Survey. Reston, Virginia, 2011. 51 p.
12. Konstanty J.S. Applications of powder metallurgy to cutting tools. In: Advances in Powder Metallurgy. Woodhead Publishing Ltd, 2013. P. 555-585.
13. Лошак М.Г., Шульженко А.А., Александрова Л.И. и др. Влияние свойств микропорошков алмаза на прочность и долговечность изготовленных на их основе поликристалличсеких сверхтвердых материалов // Породообразующий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Киев, 2008. Вып. 11. С. 173-179.
14. Шульженко А.А., Ножкина А.В., Богданов Р.К. и др. Износостойкость и термостабильность алмазных поликристаллических композиционных материалов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Киев, 2008. Вып. 11. С. 237-242.
