пьяная бочка . Для более равномерного распределения компонентов смесь ультрадисперсных порошков обрабатывали ультразвуком высокой частоты (22 кГц) в гексане в течение одной минуты. Далее смеси прессовали при давлении 800 МПа в стержни определенных геометрических размеров.

Полученные прессовки использовали для синтеза поликристаллического алмаза карбонадо . Однако образования поликристаллов не происходило из-за наличия большого количества газовых примесей в катализаторе, главным образом кислорода, паров воды, водорода, азота, углекислого и угарного газов.

Отжиг прессовок в водороде при температуре 1070 К в течение одного часа приводит к значительному удалению газовых примесей и спеканию ультрадисперсных порошков с увеличением прочности образцов. Реакционная способность прессовок к образованию поликристаллического алмаза полностью восстанавливается и сравнима с реакционной способностью компактного катализатора.

Большей равномерности распределения упрочняющих дисперсных частиц и уменьшения их размера можно достичь, используя для получения дисперсноупрочненных катализаторов метод внутреннего азотирования. Для этого использовали спеченные образцы состава (Ni-15Mo)-Ti, полученные мундштучным прессованием. Азотирование осуществляли в газостате, в атмосфере азота, при давлении 150 МПа и температуре 1250 К в течение одного часа. В процессе азотирования титан, первоначально находившийся в твердом растворе на основе никеля, взаимодействует с азотом, образуя дисперсные частицы TiN. Молибден при этом, из-за невысокой термодинамической устойчивости нитрида молибдена, остается в у-твердом растворе, сохраняя упрочненный легированный твердый раствор на основе никеля.

Пористая структура спеченных образцов (пористость ~ 15 %) позволяет легко распространяться азоту в процессе азотирования по всему их объему, в результате чего образуются равномерно распределенные в матрице у-твердого раствора дисперсные вьщеления TiN. Для определения периода решетки TiN использовали дифрактографическое отражение от плоскости (220). При этом полученное значение периода решетки ((4,243 ±0,003) 10 м) соответствует стехиометрическому составу TiN. Средний размер частиц дисперсного TiN, определенный рентгеновским методом по уширению дифракционной линии (220), составил З0...40нм. Метод определения дисперсности частиц в таких дисперсноупрочненных материалах известен в литературе.

Определение количественного содержания TiN в азотированных образцах осуществляли различными способами.

Метод градуировочной кривой. В качестве эталонов служили смеси порошков никеля и ультрадисперсного TiN, близкого к стехиометрическому составу, с периодом решетки (4,240 ± 0,003) 10~ м и средним размером частиц около 70 нм. Отношение интенсивностей дифракционных линий (220) TiN и никеля анализируемых образцов определяли не менее трех раз для каждого состава.

Результаты количественного рентгенофазового анализа азотированных образцов представлены ниже: Содержание титана в исходной

порошковой смеси, %............................ 2 3 4 6 10

Содержание нитрида титана

в азотированных образцах, %.........1,6+0,5 2,4 ±0,6 2,9 ±0,6 3,9 +0,7 6,1 +0,8

Содержание азота в азотированных образцах определяли методом восстановительного плавления с помощью установки фирмы LECO ТС-136. Точность определения содержания азота составляет 2 %. Количество TiN рассчитывалось, исходя из стехиометричности его состава, а также в предположении отсутствия растворенного азота в твердом растворе на основе никеля. Последнее предположение не вносит существенной ошибки в расчет, поскольку растворимость азота в твердом никеле менее 0,07%.

Результаты количественного анализа азотированных образцов методом восстановительного плавления представлены ниже:

Содержание титана в исходной

порошковой смеси, %...............................0,5 1 2 3 4 6 10

Содержание азота в азотированных

образцах, %................................................0,14 0,25 0,42 0,54 0,68 0,99 1,5

Расчетное количество TiN в

азотированных образцах, % .....................0,62 1,1 1,9 2,4 3,0 4,4 6,6

Сравнение данных по двум методам показывает, что два различных метода дают совпадающие в пределах ошибок значения содержания нитрида титана в азотированных катализаторах.

После синтеза поликристаллических алмазов проводили сравнение их прочностных свойств. Поликристаллы дробили, отсеивали фракцию 400/315 и по методике ГОСТ 9206-80 проводили определение прочности на раздавливание на установке ПА-4Э. Цпя обработки результатов испытаний использовали методы математической статистики. При доверительной вероятности 95 % и числе измерений не менее 100 доверительный ин-

тервал значений прочности не превышал 6Н (относительное доверительное отклонение не более 8 %).

Результаты прочностных испытаний алмазных поликристаллов, полученных с применением дисперсноупрочненных катализаторов, представлены на рис. 6.12 - 6.13. Отметим, что эффект упрочнения алмазных поликристаллов наблюдается, если дисперсная фаза в исходном катализаторе распределена достаточно равномерно. Так, при использовании в качестве катализаторов прессованных порошковых смесей синтезируемые поликристаллы упрочняются лишь в случае дополнительной обработки смеси ультразвуком (см. рис. 6.12, 4). Если используются крупные порошки Ni и Мо, то добавки как ультрадисперсных, так и крупных порошков TiN незначительно влияют на прочность синтезируемых алмазных поликристаллов. Наибольшее упрочнение поликристаллов карбонадо достигается при использовании дисперсноупрочненных катализаторов, полученных методом внутреннего азотирования (рис. 6.13, 2). В таких катализаторах упрочняющая фаза TiN более дисперсна и равномерно распределена.

Приведенные на рис. 6.12 - 6.13 экспериментальные данные объясняются, по-видимому, влиянием дисперсных частиц на прочность неалмазной составляющей поликристаллов. Упрочнение металлической фазы некогерентными частицами описывается механизмом Орована. При этом количество упрочняющей фазы, как правило, не должно превышать нескольких процентов, а расстояние между частицами фазы и их размер должны различаться на порядок и более. Необходимо отметить, что не-

f, н

f, Н

о 2 4 6 8 10 Содержание TiN, %(масс.)

О 2 4 6 8 10 Содержание Ti, % (масс.)

Рис. 6.12. Влияние содержания TiN в катализаторе на прочность АРК4 400/315:

I 2 - катализатор (Ni-15Mo)Kp. - TiNyд.; 3, 4 - катализатор (Ni-15Mo)yд. - TiNyд.

2, 4 - смеси дополнительно обработаны ультразвуком

Рис. 6.13. Влияние содержания Ti в катализаторе на прочность АРК 400/315: / - спеченньш катализатор; 2 - азотированньш катализатор

6.3. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ АЛМАЗНЫЕ ПОЛИКРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА

Инструменты из карбонадо применяются во многих отраслях промышленности: станкостроении, автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении, авиастроении, машиностроении для легкой и пищевой промышленности, для лезвийной обработки цветных металлов, титановых сплавов, выглаживания сырых и закаленных сталей.

равномерность распределения дисперсных частиц существенно снижает степень упрочнения.

Вышеизложенное позволяет объяснить как влияние дисперсности и равномерности распределения упрочняющей фазы в исходном катализаторе на степень упрочнения синтезируемых алмазных поликристаллов, так и экстремальный характер концентрационных прочностных зависимостей. В частности, большое количество дисперсной фазы нарушает оптимальные геометрические параметры для дисперсного упрочнения, а также охрупчивает неалмазную составляющую, что отрицательно сказывается на прочностных свойствах поликристалла.

Результаты этого этапа работы можно обобщить следующим образом: - Установлена закономерность между механическими свойствами сплава-катализатора и механическими свойствами синтезируемых поликристаллов карбонадо , состоящая в том, что повышение прочности сплава-катализатора, а следовательно, и связки алмазного поликристалла приводит к повышению прочности поликристалла в целом.

- Указанная закономерность сохраняется при условии сохранения пластических свойств металлической связки. При образовании в процессе синтеза поликристалла значительного количества карбидов, интерметаллидов, охрупчиваюших связку, происходит снижение прочности поликристалла. Установленная закономерность позволяет управлять механическими свойствами алмазов типа карбонадо через закономерное воздействие на состав поликристаллов.

- Разработан способ получения дисперсноупрочненного катализатора определенной пористости и состава методами порошковой металлургии и внутреннего азотирования для синтеза поликристаллических алмазов.

- Применение катализатора определенной пористости и состава позволяет получать алмазные поликристаллы с повышенными прочностными свойствами за счет дисперсного упрочнения межкристаллитной связки.

Особенности процесса резания лезвийным материалом и выглаживания на основе карбонадо определяются физико-механическими свойствами алмаза: низким коэффициентом трения; высокими значениями тепло- и температуропроводности, обеспечивающими сравнительно низкие температуры в зоне резания и позволяющими производить обработку на высоких скоростях резания, достигающих 1000 м/мин; высокой износостойкостью, обеспечивающей размерную стойкость и длительную работу инструмента без переналадок.

Главное влияние на контактные процессы оказывают низкий коэффициент трения алмаза (табл. 6.4) с большинством обрабатываемых материалов и высокая его теплопроводность. Поэтому при обработке цветных металлов в контактных слоях не возникает высокой температуры при реальных режимах резания. Увеличение скорости до ЮООм/мин не меняет значения коэффициента трения.

В табл. 6.5 приведены геометрические параметры алмазных резцов и режимы резания при алмазном точении из АСПК. Выглаживатели из АСПК изготавливают со сферической поверхностью алмазной поверхности с размерами радиуса сферы от 0,5 до 4 мм через 0,5 мм.

Главными показателями качества алмазных резцов являются прочность и износостойкость режущей кромки. Исследование прочности режущей кромки резцов с определенными геометрическими параметрами (задний угол 10°; передний угол -2°; главный угол в плане 45°; вспомогательный угол в плане 15°; радиус при вершине 1,0 мм), изготовленных из прочных карбонадо , проводили методом ломающей подачи . При точении заготовок алюминиевого сплава САС-1 со скоростью резания 250 м/мин и глубиной 0,2 мм, подачу изменяли от величины, равной 0,07 мм/об,

Таблица 6.4. Коэффициент трения сверхтвердых алмазных материалов

о 2 s О) R

а п 1=

<6

<в 3-

S S X а> а-

1 11

§ Р X

<о

о

<z> <=> с:) <=> <z> о о о о о о

оо т о о о

-

я о cf

Я PJ <N

S - я. S- о я.

о о о о

п.

чо

£ £ d~

о о о ю ii я.

iri iX iX чо г ~

о о о о un

Tj- -ч- о о

S. S- 1

о о о о о о

( m т -

о о о о о -

Ы ri (Ч ri fN о

о о о о о

чо 2 2 2 2

1/ оо 1Л) оо ГЧ I I

о о : I

§.

s a. t=

о s о

=s Я