Процессы и технологии синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов на основе разработанных сплавов-катализаторов Ni-X(Mo, Cr, Ti, B)

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах
Подобный материал:
1   2   3   4   5
Основные выводы.


1. Предложен механизм формирования алмазного поликристаллического композиционного материала, основанный на том, что в процессе нагрева при высоком давлении сплав-катализатор переходит в жидкое состояние и формирует фронт кристаллизации алмаза, который перемещается от межфазной поверхности сплава-катализатора и графита к периферии исходного графита. Движущей силой проникновения расплава катализатора в зону кристаллизации алмаза является градиент давления, появляющийся при превращении графита в алмаз из-за объемного эффекта полиморфного превращения. При этом транспорт расплава катализатора в зону полиморфного перехода графит–алмаза в течение всего времени образования алмазного композиционного материала может протекать двумя способами: инфильтрацией по внутренним межкристаллитным каналам и течением по поверхности растущего композита, который реализуется преимущественно при высоких давлениях и повышенных скоростях его роста.

Экспериментально установлена линейная зависимость размера алмазного поликристаллического композиционного материала от времени его синтеза, при этом значение скорости его роста определяется давлением синтеза.

2. Установлено, что при синтезе алмазного поликристаллического композиционного материала в области термодинамической стабильности алмаза полиморфное превращение графит–алмаз происходит через параллельно протекающие твердофазные и жидкофазные процессы. Это проявляется в образовании промежуточных фаз (лонсдейлит), влиянии структурных свойств графита на процесс синтеза и подтверждается влиянием параметров синтеза на физические, механические и структурные свойства поликристаллов.

3. Установлены закономерности изменения структуры в процессе синтеза алмазного поликристаллического композиционного материала, выражающиеся в снижении упорядочения алмазных кристаллитов в направлении роста [110] с увеличением давления синтеза от 6,0 ГПа до 10-12 ГПа, что позволяет управлять свойствами получаемых композитов. Алмазная фаза, образует каркас с внутрикристаллитными изолированными и сквозными межкристаллитными включениями металлов.

4. Установлена связь между механическими свойствами сплавов-катализаторов и синтезируемых композитов, выражающаяся в том, что повышение прочности сплава-катализатора приводит к упрочнению металлической фазы и АПКМ в целом. Эта закономерность имеет место при условии сохранения пластических свойств металлической фазы, играющей роль связки. При образовании в процессе синтеза значительного количества карбидов, интерметаллидов, охрупчивающих связку, происходит снижение прочности алмазного композита.

Определены параметры синтеза АПКМ при использовании различных сплавов-катализаторов. Разработаны методы получения и составы сплавов-катализаторов, применение которых позволяет синтезировать алмазные поликристаллические композиционные материалы с повышенной прочностью и износостойкостью.

5. Изучены закономерности процесса окисления АПКМ. Показано, что процесс имеет сложный характер и определяется последовательно и параллельно протекающими реакциями при газификации алмаза. Выявлена зависимость между стойкостью к окислению алмазного композита и химическим составом его металлической фазы. Установлен механизм повышения термостойкости синтезируемых АПКМ легированием сплавов-катализаторов соединениями, формирующими защитные оксидные слои на поверхности алмазных композитов при их нагреве.

Разработаны составы сплавов-катализаторов, применение которых позволяет повысить температуру начала окисления поликристаллических алмазов с 910 до 1040 К и замедлить скорость их окисления при более высоких температурах за счет образования поверхностных оксидных пленок; увеличить температуру начала разупрочнения АПКМ с 970 до 1220 К за счет снижения термонапряжений, возникающих в них при нагреве.

6. При изучении синтеза алмазных материалов из различных (природных и искусственных) углеродных материалов установлено, что на процесс синтеза существенное влияние оказывают как структурные их характеристики, так и химический состав исходных углеродных материалов. Впервые изучен процесс образования поликристаллических алмазов из пирографита. Установлено, что образованию алмаза предшествует инкубационный период, в течение которого происходит частичное разрушение структуры исходного графита. При этом предпочтительной ориентации алмазных кристаллитов не наблюдается.

7. Установлено, что АПКМ обладают ферромагнитными свойствами из-за наличия в них включений сплава-катализатора, причем применение немагнитного сплава-катализатора (Х20Н80) также приводит к образованию ферромагнитных включений в процессе роста композита. Количество ферромагнитных включений в АПКМ зависит от условий их синтеза и при увеличении давления, уменьшении времени синтеза и размера композитов количество ферромагнитных включений снижается.

Для оценки прочностных свойств синтезируемых алмазных поликристаллических композиционных материалов рекомендован к использованию широкодиапазонный измеритель "Магнит 704", предназначенный для определения количества ферромагнитных включений в абразивных материалах. Данный метод применим для оценки пригодности алмазного композиционного материала как в однокристальном, так многокристальном инструменте.

8. В результате изучения механических свойств модифицированных АПКМ установлено, что их отличает высокая износостойкость в сочетании с удовлетворительной прочностью и термостойкостью. Такое сочетание механических свойств АПКМ делает их перспективным для изготовления алмазных износостойких инструментов.

Разработаны технологии, позволяющие выпускать широкую номенклатуру высокоэффективного алмазного инструмента. Режущий, выглаживающий, конструкционный и сопловой инструменты с использованием модифицированных АПКМ используются в военной области, геологоразведке, машиностроении и стройиндустрии.

9. Разработанные технологии изготовления легированных катализаторов, синтеза АПКМ с их использованием были внедрены на ЭМЗ г. Лермонтов, лаборатории НИЛ ВТМ МИСиС. На ЭМЗ было синтезировано более 8 млн. каратов алмазных поликристаллов с повышенной абразивной способностью, что позволило выпустить более 38 тыс. алмазных буровых коронок типа КСК и 47 тыс. шлифовальных головок типа ШГК, что подтверждено соответствующими актами.

Разработанные технологии изготовления резцов, выглаживателей, контактных опор, наконечников активного контроля, сопел с использованием высокопрочных АПКМ применяются в лаборатории НИЛ ВТМ МИСиС и на Томилинском заводе алмазного инструмента (ТЗАИ). Алмазные шлифпорошки, полученные из разработанных композитов, используются при изготовлении буровых коронок и шлифовального инструмента на опытном производстве ИФВД РАН.

Разработка технологии и освоение опытно-промышленного выпуска АПКМ и инструмента из них в условиях лаборатории ВТМ МИСиС позволило с 2000 года и по настоящее время выполнить хозяйственных договоров по поставке НТП более чем на 10 млн. рублей. Разработка технологии алмазных формообразующих сопел для газо- и жидкостно-абразивной резки различных материалов из опытных АПКМ была отмечена дипломом Министерства науки и технологий РФ.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.С. 235909 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Поляков В.П., Лаптев А.И., Ермолаев А.А., Салтыков В.А., Санников Д.С., Рывкин Ю.М. - № 3118854; 01.04.86; Приоритет 24.06.1985.

2. А.С. 248364 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Поляков В.П., Лаптев А.И., Ермолаев А.А., Рывкин Ю.М. - 3127774; 02.02.87; Приоритет 18.11.1985.

3. А.С. 267672 СССР, МКИ СО1В 31/06. Способ получения поликристаллического алмаза /Поляков В.П., Елютин В.П., Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Колчеманов Н.А., Ножкина А.В., Лоладзе Н.Т. - № 3163355; 04.01.88; Приоритет 16.02.1987.

4. А.С. 283388 СССР, МКИ СО1В 31/06. Способ получения поликристаллического алмаза /Елютин В.П., Поляков В.П., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. - № 3186711; 03.10.88; Приоритет 14.12.1987.

5. А.С. 1427655 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Лаптев А.И., Поляков В.П., Ермолаев А.А., Кривоспицкий В.М., Жир А.Г. - № 4167743; 01.06.88; Приоритет 14.10.1986.

6. А.С. 1427656 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Лаптев А.И., Поляков В.П., Ермолаев А.А., Кривоспицкий В.М., Жир А.Г. - № 4167743; 01.06.88; Приоритет 14.10.1986.

7. А.С. 1427657 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Лаптев А.И., Поляков В.П., Ермолаев А.А., Кривоспицкий В.М., Жир А.Г. - №4167743; 01.06.88; Приоритет 14.10.1986.

8. А.С. 1427768 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Лаптев А.И., Поляков В.П., Ермолаев А.А., Кривоспицкий В.М., Жир А.Г. - №4167743; 01.06.88; Приоритет 14.10.1986.

9. А.С. 1589567 СССР, МКИ СО1В 31/06. Способ получения поликристаллического алмаза /Ермолаев А.А., Поляков В.П., Лаптев А.И. - № 4610121; 01.05.90; Приоритет 30.11.1988.

10. А.С 1594760 СССР, МКИ СО1В 31/06. Катализатор для синтеза поликристаллического алмаза /Ермолаев А.А., Поляков В.П., Ножкина А.В., Лаптев А.И., Золтани О.А. - № 4626141; 22.05.90; Приоритет 26.12.1988.

11. А.С. 1594766 СССР; МКИ СО1В 31/06. Способ получения поликристаллического алмаза /Поляков В.П., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. - № 4610120; Приоритет 30.11.1988.

12. Пат. 2228222 C1 Россия, 7 G01 N 23/06. Способ получения микропорошков сверхтвердых материалов /Л.Л. Корсак, А.А. Ермолаев, А.И. Лаптев; МИСиС (Россия). -№ 2002125644/03; Приоритет 26.09.02.

13. Пат. 221928 C1 Россия, 7 G01 N 23/06. Способ определения гранулометрического состава тонкодисперсного материала /Л.Л. Корсак, А.И. Лаптев, М.И. Сорокин и др. МИСиС (Россия). -№ 2003106158/12; Приоритет 05.03.03.

14. Свойства связок алмазного камнеразрушающего инструмента /Бугаков В.И., Елютин А.В., Караваев К.М., Лаптев А.И., Полушин Н.И. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –1998. –№4. –С. 54-57.

15. Новый тип связок на основе никеля, легированного диборидами титана и хрома, для алмазного камнеразрушающего инструмента /Бугаков В.И., Елютин А.В., Караваев К.М., Лаптев А.И., Полушин Н.И. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –1998. –№ 5. –С. 61-68.

16. Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Поляков В.П. Влияние состава сплава-катализатора на механизм синтеза и состав фаз поликристаллического алмаза карбонадо //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2000. –№ 2. –С. 62-65.

17. Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Санников Д.С. Синтез алмазных поликристаллов карбонадо в системе никель-хром-углерод //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2000. –№ 4. –С. 43-46.

18. Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Влияние кислород- и водородсодержащих примесей на синтез поликристаллических алмазов карбонадо //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2000. –№5. –С. 63-64.

19. Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Зависимость температуры образования поликристаллического алмаза от состава используемого сплава-катализатора //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2000. –№ 6. –С. 44-45.

20. Влияние металлической фазы в поликристалле алмаза на процесс его окисления /Елютин А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Манухин А.В. //Доклады РАН –2000. –Т. 375, № 4. –С. 457-461.

21. Синтез поликристаллических алмазов "карбонадо" из пирографита /Елютин А.В., Лаптев А.И., Манухин А.В., Санников Д.С., Крюкова Л.М. //Доклады РАН. –2001. –Т. 378, № 6. –С. 1-6.

22. The influence of Boron compound particles (TiB2, BNCUB) on the thermostability and the mechanical strength of the synthesized carbonado after heating /Poliakov V.P., Ermolaev A.A., Laptev A.I., Potemkin A.A. //Diamond and Related Materials. –2001. –№ 10. –Р. 2024-2029.

23. Лаптев А.И. Методы испытаний и механические свойства синтетических поликристаллических алмазов "карбонадо" //Материаловедение. –2001. –№ 8 (53). –С. 18-21.

24. Елютин А.В., Лаптев А.И., Манухин А.В. Механизм проникновения металла-катализатора в объем графитовой заготовки в процессе образования поликристаллических алмазов типа "карбонадо" //Материаловедение. –2001. –№ 12.

25. Применение графитов различных марок для синтеза поликристаллических алмазов "карбонадо" / Лаптев А.И., Манухин А.В., Санников Д.С., Ермолаев А.А., Крюкова Л.М. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2002. –№ 1. –С. 41-44.

26. Механические свойства и фазовый состав "карбонадо", синтезированных в различных металлических системах /Лаптев А.И., Манухин А.В., Санников Д.С., Ермолаев А.А. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2002. –№2. –С. 51-54.

27. Влияние дисперсного упрочнения катализатора на свойства поликристаллических алмазов "карбонадо" /Елютин А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Манухин А.В. // Доклады РАН –2002. –Т. 384, № 5. –С. 1-3.

28. Nojkina A.V., Laptev A.I., Ermolaev A.A. Influence of synthesis and composition conditions on strength characteristics of synthetic carbonado-type diamonds //High Pressure Research. –2002. –V. 22. –P. 545-549.

29. Влияние предварительного горячего прессования никель-марганцевого катализатора на синтез алмазных порошков /Овчинников А.А., Санников Д.С., Манухин А.В., Лаптев А.И. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2002. –№3. –С. 61-65.

30. Влияние бора на термостойкость поликристаллических алмазов карбонадо /Елютин А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Манухин А.В. //Доклады РАН. –2002. –Т. 386, № 2. –С. 1-3.

31. Ножкина А.В., Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Влияние условий получения поликристаллических алмазов карбонадо на их прочностные свойства //Сверхтвердые материалы. –2002. –№ 5. –С. 36-40.

32. Application of different brand of graphite for synthesis of carbonado polycrystalline diamond /Laptev A.I., Manukhin A.V., Sannikov D.S., Ermolaev A.A., Kryukova L.M. //Russian Journal of Non-Ferrous Metals. –2002. –V. 43. –№ 1. –Р. 23-26.

33. Mechanical properties and phase composition of carbonado polycrystalline diamonds synthesized in different metallic systems /Laptev A.I., Manukhin A.V., Sannikov D.S., Ermolaev A.A. //Russian Journal of Non-Ferrous Metals. –2002. –V. 43. –№ 3. –Р. 32-35.

34. Influence of preliminary hot extrusion of nickel-manganese catalyst on synthesis of diamond powders /Ovchinnikov A.A., Manukhin A.V., Sannikov D.S., Laptev A.I. //Russian Journal of Non-Ferrous Metals. –2002. –V. 43. –№ 6. –Р. 36-41.

35. Влияние условий получения алмазных поликристаллов карбонадо на их магнитные свойства /Колчеманов Н. А., Ножкина А. В., Лаптев А. И., Колчеманов Д. Н. //Сверхтвердые материалы. –2003. –№ 1. –С. 15-21.

36. Кинетика образования поликристаллического алмаза /Колчеманов Н.А., Ножкина А.В., Лаптев А.И., Колчеманов Д.Н. //Сверхтвердые материалы. –2003. –№ 2. –С. 26-33.

37. Метод определения давления и его распределение в камере высокого давления при изготовлении алмазосодержащих элементов /Бугаков В.И., Лаптев А.И., Поздняков А.А., Устинов И.В. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2004. –№ 2. –С. 73-75.

38. В.И. Бугаков, А.И. Лаптев, А.А. Поздняков. Роль высокого давления при закреплении алмазного зерна в связке при изготовлении камнеразрушающего инструмента горячим прессованием //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. –2005. –№ 6. –С.69-72.

39. Бугаков В.И., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Методика определения термостойкости алмазных порошков под давлением //Материаловедение. –2005. –№9. –С.12-15.

40. Методы определения температурного поля и изменений давлений в объеме камеры высокого давления при изготовлении алмазосодержащих элементов /В.И. Бугаков, С.А. Терентьев, А.И. Лаптев, А.А. Поздняков. //Материаловедение, 2005, № 12. –С 13-16.

41. Лаптев А.И., Ермолаев А.А., Беломытцев М.Ю. Получение и свойства сверхтвердых материалов. Расчет алмазного инструмента для сверления: Учеб. пособие. –М.: МИСиС, 2007. –32с.

42. Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Сверхтвердые материалы. Особенности структуры углеграфитовых материалов и основы термодинамики их превращения в алмаз: Учеб. пособие. –М.: МИСиС, 2007. –54с.

43. А.И. Лаптев, А.А. Ермолаев. Алмазные поликристаллические материалы. Механизм и кинетика синтеза поликристаллического алмаза: Учеб. пособие. –М.: МИСиС, 2008. -64 С.

44. Поляков В.П., Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Зависимость прочности синтетических алмазов карбонадо от состава катализатора //Применение порошковых, композиционных материалов и покрытий в машиностроении: Тезисы докладов Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционных материалам. –Пермь, ППИ, 1985. –С.38.

45. Поляков В.П., Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Влияние состава сплава- катализатора на термостойкость алмазного синтетического поликристалла //Там же. –С. 38-39.

46. Поляков В.П., Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Изменение плотности и фазового состава образцов на хромо-никелевой основе при твердофазном спекании //Порошковая металлургия: Тезисы докладов ХV Всесоюзной научно-технической конференции. Киев: ИПМ АН УССР, 1985. –С. 40.

47. Ермолаев А.А., Поляков В.П., Лаптев А.И. Получение и свойства модифицированных композиционных материалов типа карбонадо //Структура, свойства и технология металлических систем и керамик –М.: МИСиС, 1986.–С. 97-101.

48. Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Изменение периода кристаллической решетки твердого раствора на основе никеля при использовании его для получения поликристаллического алмаза //Сверхтвердые материалы в народном хозяйстве. –Киев, 1989. –С. 10-13.

49. Лаптев А.И., Ермолаев А.А., Поляков В.П. Влияние кислород- и водородсодержащих примесей на процесс образования поликристаллического алмаза //Новые материалы и технологии. –М.: МГАТУ, 1995. –С. 164.

50. Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Поляков В.П. Получение синтетических алмазных поликристаллов с дисперсноупрочненной связкой //Там же. –С.167.

51. Poliakov V.P., Montero S.M., Laptev A.I. Influencia da compocicao da liga metalica catalitica na resistencia mecanica de diamantes sinteticos policristalionos. //Anais do 50 congresso anual da Associacao brasileira de metalurgia e materialis (ABM), Sao Pedro, SP. –1996. –V.3. –P. 77-90.

52. Regularities of growing of artificial polycrystalline diamonds carbonado /Kolchemanov N.A., Nojkina A.V., Laptev A.V., Kolchemanov D.N. //XXXVIII European High Pressure Research Group Meeting 2000. Germany, Kroster Banz, 2000. –P. 73.

53. Dependency of magnetic characteristics of diamond polycrystals carbonado from conditions of their syntheses /Kolchemanov N.A., Nojkina A.V., Laptev A.V., Kolchemanov D.N. //XXXVIII European High Pressure Research Group Meeting 2000. Germany, Kroster Banz, 2000. –P. 74.

54. Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Применение ультрадисперсных частиц для упрочнения алмазных поликристаллов типа карбонадо //Физико-химия ультрадисперсных частиц. Материалы V Всероссийской конференции. –М.: МИФИ, 2000. –С. 330-331.

55. Nojkina A.V., Laptev A.I., Ermolaev A.A. Dependency of strength characteristics of synthetics carbonado diamonds on conditions of their synthesis and composition //Superhard Tool Materials on the Turn of the Centuries: Production, Properties, Applications. International Science and Technology Conference. –Kiev: ISM, 2001. –Р. 51-52.

56. Nojkina A.V., Laptev A.I., Ermolaev A.A. Influence Condition of Synthesis and Composition on Strength Characteristics of Synthetic "Carbonado"–Type Diamonds //Advances on High Pressure Research. "XXXIX European High Pressure Research Group Meeting". –Spain: Santander, 2001. –Р. 72.

57. Синтез алмазных порошков из природных углеродсодержащих материалов /Ермолаев А.А., Лаптев А.И., Полушин Н.И., Сорокин М.Н. //Сверхтвердые материалы. Сборник научных трудов под. рук. А.В. Елютина. -М.: МГИСиС, 2001 –С. 84-89.

58. Лаптев А.И. Роль адгезионных характеристик сплавов-катализаторов в процессе образования поликристаллических алмазов "карбонадо" //Там же. –С. 90-104.

59. Nojkina A.V., Laptev A.I., Ermolaev A.A. Influence of synthesis and composition conditions on strength characteristics of synthetic carbonado-type diamonds//EVRO PM 2002, European Conference on Hard Materials and Diamond Tools. Lausanne, Switzerland, 2002.

60. Ножкина А.В., Лаптев А.И., Салимон А.И. Строение синтетических поликристаллических алмазов баллас и карбонадо //Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: Сборник научных трудов. –Киев.: ИСМ, 2002. –Вып. 5. –С. 25-26.

61. Ножкина А.В., Лаптев А.И. К вопросу о классификации поликристаллических алмазов "баллас" и "карбонадо" //Там же, 2003. –Вып.6. –С. 133-142.

62. Ножкина А.В., Лаптев А.И., Ермолаев А.А. Механические свойства поликристаллических алмазов "карбонадо" //Там же. 2004. –Вып. 7. –С. 111-114.

63. Ножкина А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Влияние алмазоподобных частиц на процесс образования алмазных поликристаллов //Там же, 2005. –Вып. 8. –С. 103-106.

64. Ножкина А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Формирование структуры синтетического алмазного поликристалла //Там же, 2006. –Вып. 9. –С. 175-178.

65. Ножкина А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Синтез алмазных поликристаллов карбонадо в системе никель-кобальт-углерод // Там же. 2007 –Вып. 10. -С. 343-346.

66. Технология изготовления резцовых вставок, опор и выглаживателей из поликристаллических алмазов /Елютин А.В., Полушин Н.И., Лаптев А.И., Сорокин М.Н., Бочаров М.В., Сорокин Е.Н. //"Научно-технологическое обеспечение инновационной деятельности предприятий, институтов и фирм в металлургии". М.: Изд-во "Учеба", МИСиС, 2005. –Т.2.–С. 718-719.

67. Разработка технологии изготовления струеформирующих сопел из синтетических алмазных поликристаллов для пескоструйных установок /Полушин Н.И., Лаптев А.И., Сорокин М.Н., Гвоздев В.И. //Там же. –С. 723-726.