Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 6, стр. 102-105

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее распространенными методами изготовления алмазно-металлических композиций (АМК) является спекание вольфрамокобальтовых порошков с участием жидкой металлической фазы и дальнейшая пропитка. В этих процессах важное место занимают капиллярные явления, такие как смачивание и растекание металлических расплавов по поверхности твердых частиц, пропитка, адгезия расплавов к алмазу, карбидам, оксидам и т.д. [1].

Управление капиллярными явлениями достигается путем контролируемого введения в расплавы адгезионно-активных добавок, металлов с электронными дефектами в d- или f-слое, а также элементов, образующих с углеродом ковалентные соединения (Al, Si, B и др.). С помощью неметаллических добавок к связкам и к шихте (карбидов, боридов, нитридов, силицидов, оксидов и др.) можно также регулировать физико-химические свойства АМК, в том числе и режим “самозатачивания” инструмента, который существенно зависит от соответствия прочностных свойств обрабатываемого изделия и АМК. В ряде случаев для этих целей в шихту АМК в качестве дополнительного компонента вводятся также порошки материалов, которые предполагается обрабатывать алмазным инструментом.

В настоящей работе путем подбора новых металлических связок предлагается технология создания новых АМК для камнерезного алмазного инструмента. Повышение эффективности предполагается осуществить двумя способами. Первый связан с добавлением материалов, близких по своим прочностным свойствам к камнерезному инструменту. Второй основан на использовании малых добавок вольфрам – кобальтовых нанопорошков.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В первом случае шихта АМК состояла из порошков карбида вольфрама и кобальта, а в качестве добавок использовались измельченные в порошок пробы из “хвостов” Тырныаузского вольфрамомолибденового комбината (ТВМК) – измельченной пробы карбида вольфрама и кобальта − и имеющих примерно такой же состав “черных отвалов” завода завода “Победит”, смешанные в различных соотношениях. Распределение частиц по размерам изучалось в режиме центрифугирования на установке Brookhaven XDC (рис. 1).

Рис. 1.

Распределение по размерам частиц вольфрамокобальтового порошка, полученного в режиме центрифугирования на приборе Brookhaven XDC: 1 – интегральное распределение, 2 – дифференциальное распределение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Из рис. 1 видно, что наибольшее число частиц имеет размер 4.38 мкм. Примерно такого же порядка размер порошков предприятия ТВМК и “Победит”. Для испытаний из шихты прессовались таблетки диаметром 15 мм и толщиной 5–7 мм, давление прессования составляло 200–300 МПа. Таблетки пропитывались в атмосфере водорода медью и сплавом состава: Cu – 80 мас. %, Sn – 20 мас. %. Углы смачивания расплавами материала шихты АМК изучались методом большой капли [2–4], параллельно изучалась микроструктура и твердость металлических связок и безалмазный слой АМК.

Добавки в шихту порошков из “хвостов” ТВМК или смеси с порошками “черных отвалов” завода “Победит” в сочетании с этими связками обеспечивают высокую твердость АМК (40 HPC) и большую мелкопористость, повышая долговечность алмазного инструмента. На процессы жидкофазного спекания и пропитки существенное влияние оказывают явления смачивания и растекания, капиллярное впитывание, которые могут регулироваться добавками нанопорошков, например, WC–Co.

Образцы для исследования изготавливали из порошковых металлов методом прессования. При этом использовалась шихта на железокобальтовой основе. В шихту добавляли железо, медь, никель и нанопорошок WC–Co. Окончательный состав шихты определялся как WC–Co – 31 мас. %, Fe – 30 мас. %, Cu – 30 мас. %, Ni – 8 мас. %, нанопорошок WC–Co – 31 мас. % (размер частиц ≈ 500 нм).

Порошки чистых металлов и смеси, входящие в состав шихты, взвешивали на лабораторных электронных весах ЛВ 210-А с допускаемой погрешностью 0.6 мг. Далее порошки смешивали в специальном контейнере с постепенным добавлением порошков металлов. Сначала смешивали металлы с большей плотностью, а затем добавляли с меньшей плотностью. Далее смесь металлических порошков помещали в обезжиренную пресс-форму высотой 30 мм и внутренним диаметром отверстия для прессования 10 мм. Затем пресс-форма с порошком помещалась в гидравлический пресс Sirio P400 для формирования образцов в виде таблеток.

Спрессованный порошок выдерживался под давлением 10⁷ Па в течение пяти минут, после чего готовые таблетки помещались в вакуумную печь и пропитывались чистой медью. Изучение углов смачивания θ в интервале температур от 1083 до 1200°С показало, что с увеличением температуры угол θ уменьшается. Пропитка осуществлялась также сплавом Cu – 80 мас. % + Sn – 20 мас. %. В этом случае углы смачивания были меньше.

Следует отметить, что в последнее время данные по поверхностному натяжению (ПН) меди уточнены как в твердом, так и в жидком состояниях [5–8]. Измеренные методом нулевой ползучести [9–12] значения ПН меди σ составляют 1520 ± 14 мДж/м² при температуре 1253 К, в жидком состоянии ПН меди – 1290 мДж/м². Эти данные позволяют оценить адгезионные характеристики в композициях. Фотографии образцов спрессованной шихты представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Фотография спрессованной шихты: а – до пропитки медью, б – после пропитки медью.

Для изучения морфологии поверхности образцов и глубины пропитки изготавливался продольный шлиф, часть которого обрабатывалась уксусной кислотой, который помещали в высоковакуумную камеру растрового электронного микроскопа Phenom G2 Pure. При этом выявлялась зернистая структура. Как было показано, с тыльной стороны образца обнаруживаются интерметаллические соединения (рис. 3). Малые добавки нанопорошков позволяют регулировать капиллярное впитывание. Теоретический анализ этой проблемы позволил уточнить зависимость скорости капиллярного впитывания от размера капилляра [13].

Рис. 3.

РЭМ-изображение интерметаллических соединений Co₇W₆ и Fe₇W₆. Увеличение ×6300.

Рентгенофазовый анализ, выполненный на установке D2-PHASER с длиной волны 1.54060 Å, показал (рис. 4) наличие фаз Co₇W₆ и Fe₇W₆ с ромбоэдрической структурой R-3m.

Рис. 4.

Дифрактограмма алмазно-металлической композиции.

Периоды решеток для фазы Co₇W₆ составляют: a = 4.723 Å, c = 25.480 Å и для фазы Fe₇W₆ – a = = 4.757 Å, c = 25.840 Å. Остальные данные рентгенофазового анализа приведены в табл. 1.

Для изготовления алмазного инструмента в шихту добавляли 25% природных металлизированных алмазов, подвергнутых импульсно-плазменной металлизации. Твердость с алмазосодержащей стороны по шкале HRB составила 46 единиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлена новая технология, существенно повышающая эффективность алмазно-металлических композиций. Технология основана на введении малых добавок нанопорошков карбида вольфрама и кобальта в алмазно-металлические композиции, что обеспечивает высокую твердость алмазно-металлических композиций, более высокую мелкопористость, что в свою очередь, позволяют регулировать капиллярное впитывание. Долговечность алмазного инструмента при этом повышается.

Как показал рентгенофазовый анализ, введение добавок нанопорошков приводит к образованию фаз Co₇W₆ и Fe₇W₆ с ромбоэдрической структурой R-3m (1). Периоды решеток для фазы Co₇W₆ составляют: a = 4.723 Å, c = 25.480 Å и для фазы Fe₇W₆: a = 4.757 Å, c = 25.840 Å.