автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Формирование структуры термостойкого поликристаллического материала на основе алмаза и карбида кремния в условиях высоких давлений

НАЦИОНАЛЬНА АКДЦЕМ1Я НАУК УКРА1НЙ 1НСТИТУГ НАДГБЕРДЮС МАТтМТВ 1ы В.й.БАКУЛЯ

? Г 5 О Д

^ О 181? и На правах рукопису

УДК 630.22:669.018.558.38

ОС1ПОВ Олвкпаядр СвргИоввч-

ФОЙЯУВАННЯ СТРУКТУРИ ТЕРМОСТ1ЙКОГО ПСШКРЙСТАЯЧНОГО НАТЕИАЛУ Нй ОСНОВ1 АЛИ АЗУ ТА КАРБШ^КРШИОТ В ШОВАХ НИСОКИХ ТйСИВ

Сййц1алья1стъ 05.03".йГ - "Иат&р1яйпзнавство в машгаобуяуван&1"

АВТОРЕФЕРАТ ДНСтАШ ■на здобуТтя - паукового етупенд гяядадата тагн1чотх туг

ЮПВ-ХЗЭбр.

Роботу вккошша в 1нститут1 надтвардаг матер 1ал1в 1м.В.М.Бакуля HAH Укра!ни (м.Ккхв).

Науков! кар1вншш - доктор твзн1чних наук

Шульхвнвд Олексаядр Оигаксандравач

кандидат тахв1чши ваук Ворон 1н ГеаргХЛ 0лвхс11ов*ч Оф1д1Вн1 опонвнти - член-коресповдант HAH Укра1вк Бондарэнко Воладямир Патравич

кандидат тага1чтшт наук Шевченко Аяатол1й йитрович Пров1дна установа - Вгройнвчв оа'едааная

'Алмаз 1нотрумант" (н.Льв1в).

Вахюзт в!дбудоться "18" с!чая 1996 р. а 13 годавХ

,30

на 8ао1дави1 снац1ал1зовано1 вчено! ряда Д Б0.01.01 в 1нствтут1 ввдгвврцга: иатвр!ал1в 1м.В.И.Бакуля sa адреоою: 354ОТ4, м.Ки1в, вул.Автозаводеьха, 2.

3 дасертахЦею иожва оэнайомитась. в науяява-тагв 1чн1й ölünlo-тац! Ьаатжтуту. ВДдгуки, эасв1дчев1 печаткой, проогмо надовлатж ва адресу Спед1ал1зоваяо1 Вчева! Рада.

г

Автореферат розХславка грудня 1995 р.

ВчавкЖ евкратар спвц1ал1говано1 вчвно1 рада

ЗАГАЛЕНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть ройати. Сучасний разЕЯтак виройництва Суров,огр та р1жучого 1Иструмент1в нев1д'емно зв'язаний з ввкоргстанпям.. цол!-хргстал1ляжс матер 1ал!в на основ! алмазу. Оснащения !нструмвнту взд-твердаш р1жучят вставками дозволяе значно п!дзшмти йсго вфвктяв-н1сть. Широка розповсвджаная одержали алмазно-твердрсплавн!, шас-тини, що сп!кавться в умовах високих чист: За 1 температур. Головним я8дол1ком даних матвр!ал1в являзться !х яиэьяа, тврмостАйп1сть, так як при нагр1Банн1 до температур виде 973-1073- К сшзстврХгаеться значив знгкення осяовних Ц)1зако~мвхая1чютт характеристик внаслХцак -наявност! в структур! алмазного шару мвтал!в-розчянниж1в вуглецп. Тому так! алмазн! пол!кркстзл!чн! катерхали не вкдористовують для оснащения бурового !нструменту, в технолог!! виготовлання котрого первдйачаються температуря- вице 1373 К. Для отркмання композита- -'' кого иатерхалу, маючогя поеднання властивостаА еисоко! твердост! та термост!йкаст1 перспективний метод сп!кання алмазнях м!крспорот-к1в в пргсутност! яарбздрутвориочях. добавок. НаИб!льш близким до алмазу по гврксизгзя1чяшл 1: кргсталпграф1чним характеристикам яеля-еться карб1д хремя1п.жу<51чно1^вдддаф1яад11. До того я в!н мае високу. ст!йк1оть. до окисления. Тому доц!дьно досл!дити законсм!ряост! сп!-яання. система, алмаз-кремн!й, в процес! якого формувться структура алмаз-кара 1д крзмн!х). Одзрханвз такого матерЗдлу дозволить значно розииритп асортжзЕТ ! як!сть бурового та р!гучого !нструменту.

Мвта робота 1, задач! досл!давнь. Розробка ! обгрунтуЕанвя способу фармуванжя структура нздтвердаго материалу на основ! 'алмазу та карб!ду кремн!ю, не зм!вюючого сво!х фХзико-ивхатгпшх та вксилуата-д1Йних властивострй да твкператури 1473 К. В в!дпов1даасТ1 з портаа-лвноп кетсп проведан! науков! досл!даення по розв'язанню сл!душих задал:

- вивчвння ваконса!рноствй спЬсаннЯ алмазних м!дропоршк!в в пра-сутност! крвмн1л в умовах високих тисх!а 1 температур;

- досл!дгеннд законом!рноствИ просочування алмазних н!кропорсш!в кре!ян1ем.в- уксвах нестад!онарнога Еагр1ву ! високих таск1в;

- вивчвння законом1рноствй карб!доутворення при фориугаап! гскпо-зату на основ! аляазу при сп!канв! методом просочування алиазннх м!жрОпорошя!в кремн!зм в умовах високих тисп!в;

- досл!даанкя структура 1 властивостеИ композиту алиаз-кярбЛд крэ-мяЗл.одврзаного при р!зпоман1тних технолог!эних параметрах сп!кан-

ея. Визяачшшя вдтзшальвях режимсписания;

•- виечвнвя законом!рноствй впливу терм!чао1 обраОки в Хнартяоку сарадрвшц! на основа! ф!зшш-шхан!чна1 характеристики композиту алмаз-кара1д кремнЛю;

- вивченая ваконаи!рностай впливу характеристик. вих!даих алмазних ы!кронарошж!в на величину т0рмост!Йкост1 композиту алмаз-карбид кра-мн!ю;

- обгруатувакня раконаадацй по розройц! технолог!! одвржаяня твр-маст!йкого палхкристалхчкого иатвр!алу на основ! алмазу. Дэсл!давн-вя працездатвост! Оуровога 1нструнвнту, сгшрядаэнога пластинами

койпозлиу.

Наукова новизна. В в!даов!дааст1 з задачами дрсл!дкень пра вв-конанн! роботи .одержан! сл!дупч! науков! результата:

- впврша встановлан! та наукого пСгруитовав! термоАаркчн1 умовн сп1кання тераастШлага пал1кргстал1чязго штэр!алу на освов! алаазу та карО!ду крамн1ю з п!дащцэнаю зноссст1йк!стю, щр дасягаеться при просачувенн! алмазних м!нропорашк!в кр8мн!ем та реакцН карй!доуг-ворання.

- Еперше виявлаяо, що при формуваян! структура композиту алыаз-сарбад кремн!ю в умовах еисокого тиску 8,5 ГПа пластична доформац!я алмазних вере". п!сла проссчуваинл алмаз щп: м!лропорошк!в крвмн!зм припиняетьсд. ' ■ '

- встааовл5но, що характерною властив!стю С£юриування композиту з! структурою взаемопроникаючих каркас 1в алмазу ! кар01ду кремнхш при тиску В,5 ГПа, в!др!звяотогосп вксокш шжазником зносост!йя.сст1, являеться р1£нсыхрНЕй розпод!л фази /э-31С в к1яькост! 16-17 мае.Ж в иизерэкному простор! алмазу, катрз досягаатьоя прж спХкааа! м!аро-Пороаж!в зврнистост! 40/28, 60/40.

- ьстановлано, ир п!сля завершзкня етапу карО!доутворання термо-баричний валив на двохфазниЯ композит не призводать до зм!ни йога фIвика-маханхчнЕх властнвсстэй, котр! в значн!й ы!р! еизначавться м!цн!отю м!л!з вранного зв'язку алмаз- (/з-31С).

- виявлэно, ер для п!двшдвння показника терыост!йкост1 композиту вица 1473 К нвойх!дн! алмазн! м1кропорош1ш, щэ нв м!стять вклотвнь мвтал!в-розчинник!в вуглвцю.

Практична ц!нн!сть. На основ! проведаних досл!даень розроОла- ' нда спос!й отримання терыастШшго пол!кристал!чнога матер!алу ал-«аз-карсИд кремам г п1дащвяо» зносост!йх!сью. Вавчено осиовн! ф!зшш-техн1чн! характеристики композиту 1 оОгрунтована перешзктиа-

н1сть його гастосування в буровому 1 р1яучому 1нструмент1. Буров! долота в конструкц!! котрих застооовувались пластика композиту алмаз-кар31д кремн!ю, крайшля випробогуЕзняя в р!зкях розробдюваних вафтоаях родовш^ах 1 прийвят! в виройняцтво на аксперимэнтальному завод! НД1 Бурово1 твхнЬга (Рсс1я, м.Москва), що п!дтвврдауеться в1даоведпгмк документами.

Наумов! результата, разрсблен! особиста автором. Сукупн!сть'' вкспариментальяих даяих по визначенню ввличши високото таску 1 температуря сп1каяня композиту адааз -карб хд крвунгя. Встаяовлвнна дааграмг зм!яя струму нагрХву при сп!канн! композиту. • Визкачення залехн!ст! значения густини 1 показшгка зпосост!йхост1 композиту в!д параметр!в спгааная.

Апробадхя роботи. Магер1алп дисвртац1Йно! роботу-дшоввдэлись 1 обговорювалясь на XII, XIII 1 НУ Рвспублйансынпс \свм!нарзх "Вшив високгх тнск!в на рвчовшг/" (м. Одзса, 1937 р. ;м. Бердяноыс, 1989 р.; и. Бврдапсък, 1ЭЭ1 р.); па конференциях учесах !, спвц!ал!п-т!в 1Ш АН УРСР (м. КиЬз, 1986, 1937» 1988); на1М!жнародасму сви!-нар! Европвйського Економиного-Конгресу ООН-"Нов! ыатер 1 1х заотосуваиня в машнобудуванн! (мЛКи1в, 1932 р.).

ПуаллсацИ. Осеоеннй зм1ст .робота вляладэно в 10 друвдванях робота!, в тому числ! одержано й авторських св!доцтва.,.

Структура' та пйсяг -роботг. Дгсертад1я скяздаеться. 1з вступу,-п'яти розд!л!в, ЕИсаэзкШ*1: сгксжу вяотрзстано!, л!твратури !з 80 Еайшшевань 1 дрдатку.^^оЬота впкладвна на 126 стор!дках машинописного тексту I иадаше'^2"'маяюЕка 1- ЕГ табладь... В, .робота прн-вэдаио' 4 дцдгт;иг на Щ'Ьтор^нках тексту. ,

ВМЮГ- РОБОТй. •

У вехлп: обгрунтоЕаяо -актуальность дасл!давнь по сп!каяню тер-комФйшм пол1крзстал1чЕога ыатер!алу па основ! алмазу, цо в!др!з-нлетьсяп1дваденою зносостШкаотью. Для розь'язакня ц1е! задач! нв-обх!дно доолЗдита закошн!рноот! процес!в, що проходять при сп!яан-ш алмазяих и1кропороик!з в прясутност! крэмн!п методом прассгчувая-пя в умовах ВИС0КЯ2 тисж!в ! температур.

В ПЕГШОМУ РОЗДШ подзео огляд няуковп-тахн!чво1 ХнформацН про законоШрност! сп1кання алмазвкх м1крапорошс!в, про взаеиод!д алмазнях м!кропоша1в з квталаыи-розтанзпшамя вутлеци 1 кярб!дпут-ворпсгпша элементами прн вясоких тасках 1 температурах. Проведана

класиф!кац1я полярно тал 1чних матер!ад1в на основ! алмазу па структурам особливостяы, властивостям i застосуванш. Показано, що для отришяая композиту на основ! алмазу, маючого паедаавня властавос-таа високо! твардрст1 (01льш 50 ГПа) та тармостШдст! (01льша 1473 К), персаективииИ метод сп!кання алмазних м!кропорошк!в в при-сутност! кремн!ю. 0Qгрунтовано виб!р способу спЬсання методом про-сочування алмазних м!кропорошк1в крамн!ем, в результат! котрого мох-лаве фориування композиту 1з структурою взаемопроникаючих каркас1в алмазу I карб!ду кремн-Ьо. На п1дстав! анал!ау особливостей сп!кання в система алмаз-карб!д ярзмн1в в уловах влсоких тискЛв сфорыулъован! аадач1 доал!даень.

В ДОТОМУ ,КЩШ вюслздвы! методики досл!дкекь. Для сп1кання композиту на основ1 алмазу i кирб!ду крамнЬо Оуло вибрано апарат високога твску (АВТ) в форм! "ковадла з заглибленнями" типу тороХд в д taue гром дунет 20 мм, з допомогою котрого иоюшв створвкня тис-ку в раакцШному осГем! до 9 ГПа. Виб!р схемп спорядження реакций -ного ой'ему ¿ВТ проводився з ц!ллю зайазпачення м!н!малыгах град!-ввт!в температуря в ойласт! сп!каная пластин композиту д!аметром 6-9 мм 1 виоотои 2-3 мм. Для цього Аула розроблана матодкка назначения град!ект!в температура па гваметричним характеристикам форма фронту просачування алмазного м!хропорошка кремн!вм. Така мвтодшса визначвння таыпаратурних грзд!ент!в при сп!канн! композиту в АВТ йула застосована вперяю.

Вим!ршвання тиску в раакцШюму od'ea! АВТ при к!мнатн!Я температур! проводили по матодиц!, 0ааован1й на ф!ксуваннх пол!марфншс пвротворань в в 1скут!,! свланШ свинца по р!зким (стрибкопод!бним) змхншанням електричыаго опору ори досягненн! певного тиску. Тиск в решщШнаму оО'ем! АВТ при нагр!ванн1 визначали по к1натичн1й кри-bia нагр1Еашш, ф1ксуючи фазов! пвретворвиня в м!д!. Температуру в зон! сп!кання композиту вим!рсаали по показаниям волъфрам-ран!ево1' термопара ВР Б/20. Будувалн кал10ровочн! граф!ки залеашоот! температуря в!д ыотухност! струму натр 1ву 1 при наступних сп!каяняг виз-шгаали температуру по показаниям потужноот! струму нагр!ву. / Для досл1даеная к!яетики процас!в просочуванкя 1 карб!доутва-раная в систем! алмаз-кремн!й в умовах високих tisckIb i температур була розроблава методика, дозволяша по результатам аапису зм!ни саля струму при рЛаких значениях потужност! нагр!ву (рао. I) побуду-вати валажн!сть часу нагр!ва до моменту плавленая кремв1ю ),

просочування 1м алазного м!кропорошка t^ ! завершения в основному

працесу кар01доутворання 1;3 Дала методика дозволяла визначати тям-часовйй 1ятерЕал Д^др -

М1грац1я р1дко! в пориств сервдовивэ на глибяну Ь за чаВ ^ П1д Д1еп град!ента тиску др вжзначаеться залежн1стю:

1г= г^РМ , (I)

дар - коеф!ц1ент данам 1чш1 в'язксст! р1дини, убугаючий 1з эрое-танаям температура; К - коефЛЦент праштшэст!, залваачиЯ в1д по-ристостА, гштсмо! аоверхя! та звгвистост! пор. Швядк1сть просочу-йаная, як правило, характеризуется Коеф1д1ентом просочуванвя р= 2дЛР, котрий не залэзазть в!д глибяая йроншшваня 5з1дшш Ь. Гоз-роблвна мэтодака вим1ру величина струму нагр±гу ячейка висоеого гае-ку дозволяла з високоп точн!стю -0,1 с. фЬсвувата тимчасовий 1лт'вр-бал М, за котрий проходило просочуваяня 1, знаоти товщу тару алма-

- т2

зйого и1крапсрошяа X, впрахувати коеф1ц1ент просочуванвя р= =-.

л!

Рис.1 Д1аграма ам!на вв-лачини стрёму' нагр1ау роакгЦЗвого.оа'ему пра просочуваян!" алмазного мхкроодроша ярэмн1ем в залвзгаост! в!д потузшос- ' .. т! пзгргву.' •. I- »=¡2,1 кВт;з- »=1,9 кВт;

2 1 Г 5" КВТ.- .

Пра виЕчанп1 структура 1 властгааствй кокпвзкту"алказ-карО1д кремн!п використалй сл1дувч! в1дом1.нвтоди: рвнтгвпдатруктурний 1 рентгено-©азняй анал1з; оптичяу I еявЕтрату'-ы 11грасЕап.1ю; гАдростатичнв зва-яувалня дая ВЕзначенйЯ- густтаи ■ 1- -горгстастГ, визначвння власних частот рвзойалсшйс колияййвдая>-вира$уваашгпружни йодул!в; нвстац£о-нарного' '1мйульсного кагрЬзу для устаййвлен&й Т8Шшпров1даост1; еиэ-натеййА твердеетI по КауйУ;« 1ддентуваяня Для вирахуваяня ввлгпшй грытостШостЦ взюйрювяййя мХцност! при д1амвтральному стиску зразк1в'койпоЗит1а г зхггляд! 'дайку; визйачвння показшюл зпосоЬт!!-кост! пра' стругаш1-""к8арцового п!даяика; вязначвяня потЬазнака зно- . сост^йкост!" при прйв$Ц корувдпвого яруга; встаяовлення показ шка тврйоотИМост! по значении ы1н!ыально1 тампаратури в1доалу в свре-дрвшц! водню, п!сля когро! спостер1гаеться дэградад1я властгзоствЯ

композиту.

В ТНЗТЬОМУ Ю2ДШ приведен! результата досл1дхань зажоно-кХрноствй спХяаяня композиту алмаз-кар<5!д креин1ю методом прасочу-вання в утлавах високих tegrib i температур. ТернодинамiimcCi анал!з реакдИ карб1доутвореная в систем! алмаз-яремнИ! показуе, що is зб1льшвнаям тиску константа р1вновагЕ реаяцП з0!яьшуеться.

При досл!девнн! заявхност! пористост! сгочених алмазвих м!кро-порошк1в в!д тривалост1 сп1кання встановлано, во при досягнеЕ1 твм-ператури плавлвння 1178 К ! тиску в рвакцЛйному оО'ем! АВТ 8,5 ГПа стисну 'ней алиазний мХяропорошок мае порист1сть 17 Ж. Для вивчвная пластично! двформац!! алмазных зерен в процес! сп1кання алмазних ы!кропорошк!в досл!даувалг ступ1нь утирания рентганавських дафрах-ц12них л!н!й алмазу е!д три.>алост! нагр!ву зразк!в формуотого композиту алыаа-карб!д кремн1х 1 алмазних пол1кристал1в, що сп!ка-ються баз будь яких добавок. Анал!з одвржанях залвжвоствй (рис.2) св!дчить про те, щр при сп!канн1 ашазиих Mir.ponopoaaiiB одночаоно проходять працвса. шйсгичео1 дафораадИ заряа 1 в!дпалу дефект1в структура. Ушяранвя дафракц13них л1лШ алмазу на початковоиу етап1 сп1канвя сов'язано в пвраааяанвям процесу пластично! двформацП зерен.

Ира тривалому спЬшвн! спостер1гавться звухвння дифразщЫних л1л1й, що св!дчять про пврввахна проходаення процвсу в!дпалу дефектов структур. 1з зб!льшвнням потухаост! струму Harpißy зб!льшуеть-ся швидк!сть зростанЕЯ температура в рвакц!йвому об'еи! АВТ, що суп-роводкуеться прискоренняы процесДв пластично! деформад!! i вЩпалу дефект1в структура. Рз«

< Рис.2. ЗалвжнЮть шири-

ни дафракцйЬшх л1н1й алмазу в алмззяах шл1крис-талах (1,2) i композит! алмаз-карсЛд кремнХв (3,4) в!д тривалост! сп!кання при р1знжх потужаостях нагр!ву.

_,_1,3 - W=2,6 кВт; "

о'.5 1 S 2 fji 2,4 - i=I,9 кВт.

При спИсанн! зразк!в композиту алиаз-карб!д кренен 1ю методам просочування вставовлено, шр тирана дафракцаних л!н1а алмазу Р^ц

зростае до моменту просочуванвя м1кропордшк 1в кремн!ем. На наступ-них этапах сп!кання система алмаз-крамн1й величина на ем1нюсть-ся. Хмов 1рно, п1сля зачовнвння порового простору редким крншием ал-мазн1 зерна знаходяться в стан! Пдростатичного стеску 1 пластична дв®ормад1я пршпшявться. Пластична деформацХя алмазних зерен в!дйу-ваеться на початксвсму етап! кйшозиту дэ моменту просочування м!к-ропорошк1в кремн!ем.

При досл!даенн! к1веткки просочування- агашзного мйропо^ошка кремн1еи визяачено значения коа$1ц1еяту просочування р=14,4 мм"/с в температурному 1нтервал1 1178-1393 К, котрз на три порядки перевернув аналог!чну валгчину яри атмосферному тгеку, що свДдчить про еи-соку швидк1сть провиетвняя р!даого кремн1п в порову алмазяу струк-<а туру в умовах впеокего тиску 8,5 ГПа. Цв зут4овл»вться тим, до *ру-шийноп силою мхграцН р!дкого крвмнЬо в поровий прост!р мХкропорот-аГв в даному вкладку являеться на лаяласовсышй «алглярний таек, а грзд!ент тиску дР, котрий фактичво р1внжй тиску в реакцАйному оО'е-м! АВТ.

При дрсл1давнн1 к1нетики карЗ 1доутворзння методом рентгенофа-зового анал1зу встановлена залвжн1сть вм!сту елвмэнтараого кремн1х> (мае.Ж) 1 продукту реахцИ Р-31С (маеЛ) в зразках композиту в!д. тривалост! спХкання (ртс.З).

'рШС, ' мз8';5! *

- 12-

■-- 4

РиЬТЗ. Ззлегн1сть вм1сту ~0ЖВмвнтарного кремнЬо 1 продяггу рэакцН (/?-31С) в зразках композиту в!д трд:-валост! спЬсання (Р=3,5 ГПа; 1=1,9 кВт).

О 4 В " 12 г,с Х^гЬтв£арг(ГтаШ1" ШИввт1ршшИ формулз Деяжша визвячена " тёмператУр&а йалёзййсть дафузИ вутлэцп в карЯ1дЛ крекн1я при фер-цуваян! композиту в уиовах високогс таску 8,5 ГПа:

В = 1,15 ехрС-

241400

<2)

Значения коеф1гЦвнту дифузИ атоа1в вугледа алмаза крЬъ утго-

риванга гарбЩай шар щш-тиску 8,5 ГПа ва три порядки пврввершуе аналог1чну величину в умовах вакууму. ИмовХрно, цв зв'язаяо "з вшш-вок дефектной!, структура алмаз них м!крапоротк!в, &отра значно зро-отае п!сля д!1 на них висского тоску.

На рис.4 щжЕаден! д!аграми залвкнаст! вм1сту фаза г.арб1ду креюз!ю в композит! в1д таску сп1ааяая 1 зврнистост! висх!дних алмазних м1хропорошк!в.

23,3

19,0

16,0

8,5 ГПа 5,0 ГПа 2,5 ГПа

• 32,8

22,7

16,0 т?.4

Рис.4. ЗалахнХсть ЕмХсту фазл карйХду крвмн!ю (мае.35) в зразяах композиту е!д ти-ску сп!каная 1 зернистаст! висх!двгх алмаангх м!кра-парошс1в.

60/40 28/30 14/10 5/3

Одержан! законом1рност! кар0!доутворення систвми просочвних алмазних м!храпорошк!в крашЦеи в умовах високих таск!в дозволяють вотановлшвати сштимальн! к!ветичн! парамвтри спХкання тампература-час вагр1ву, даотатн1? для завершения еталу раакцИ гара^доутворан-ня при формуванн! даофазнаго композиту алмаз-карб1д кремнДп. В результат! досл!даань встановлвн! характера! осоОливост! формування композиту в! структурой ез аемсшрошшавчих каркас!в алгшзу i icapöi-ду кремн1ю, що визначаються посл!довнгми процвсалш:

- холодна ущДльнвння алмазних м1кропорошк!а п!д д!вю висакого тис-ку 8,6 ГПа;

- пластична дафармац1я алмазних зерен о! зростам темпвратурш до моменту просочування алмазних м!кропорошк!в крвмв1еа;

- просочування крамн!ем првосовки алмазних м1кропорошк!в;

- ввавмо^Хя алмазу ! кремв!л з утворвииям фззи fl-SiC;

- твердофазна сп!лания систвми алмаз-кар01д крамгаЬз.

В ЧЕТВЕРТОМУ РОЯДШ подан! результата дослздкевь впливу умов

сп!канвя на структуру i ф!зика-ыахав!та! властивост! композиту ал-•

маз-карб 1д кромн!в. Встаиовлвно, то п!оля завершения реавдП карб!-доутЕорення при триваласт! сп!яяння б!лыга 20 с. зразки композиту показупть висок! 1 стаб1лья! $!зико-механ!чн! властивост! в таракану 1атервал! температуря сШкадня 1473-2473 К. 31 зб1льшвщшл ткс-ку сп!лагня в1д 2,5 до 8,5 ГПа споотерХгаеться значив збХльшення модуля пругност! 1 зносостШсост!, Сл1д в!дзначити, ¡цо п!д д!ею ви-сояого таску формуетъся поровиЗ прост1р прассЕки злмазних м!кропо-рошя1в, що характеризуется певнон величиною в!дкрито! пористост! ' (Г7Э5), еисоким ступенем разгалугеаост! x одаор!дност1 по розмХру пор-кап1ляр1в, ар ввобх!дно для дальшого утворвння в ньому структура! карб!ду крвмн!в.

Вптаяовлззо, ар максимальна зезчвнвя мзханПдшс властивостей показують зразки композиту, щр одврхуюгься при сп!канн! мхкропороп-к!в зернистсст! 40/28 , 60/40 1 при максимальному дасл!джуЕаному таску 8,5 ГПа.

Для досягнення еясоких експлуатац1йяет властЕЕОстай композиту аилаз-карб1д кремн!ю 1 з ц!лтю застосуганая його в як.ост! вадтвер-дого матер!алу в буровому 1яструмвнт! визначена оптимальна Р-Т^ область сШкання: Р-на мвнша 7 ГПа, Т= 1673-2073 X, \= 20-30 с. Температурилй Хнтврвал вибрано а ц!лли зб!льшення часу ексолуатацН твердосплавного АВТ, цо вихористовувться при сп!канн! композяцШно-го материалу.

Для яя!сного ВЕЗначэаня и!дност! м1а$азЕох меа! алмаз-((З-ЗгС), зформовано! в прсцес! реакцШного сп!кання аистами алмаз-31, пра одааковах умовах спхканЕЯ (В= 8,5 ГПа; Т= 1973 К; t= 30 а.) йуш одержан! зразки композиту алмаз-м!дь. В процао! нагр!ву м!дъ просо-чуе алмазний м!кропорошок 1, на в!да!яу в!д креш!», практична нэ взавмод!в !з алмазом. Показано, що васок1 механ1чн! властивост! композиту виз начаться висохсю м!дз!стю мизоранного зв'язку взаено-проникаючих каркас!в алмазу ! карбхду креш!в.

Тармост!ах!сть пол!кристал!чшгх матер!ал!в основ! алмазу визначаеться властив!стю матар1алу збвр!гати сво! ф!зико-махан!чн! властивост! п!сля нагр!ву до за данях температур. Еизааченяя темпв-ратури тврнаойрабки, при котр!й починаютьея зм1аи структура ! влао-тивостей зразкХв композиту, дав характеристику тврмост!Дкиот! материалу. Оскгльки багато як! еидя бурового 1 ргжучого 1нструмвнту, оснаиуэн! пол!кристал!чннмн вставками на основ! алмазу. еиготсвляють шшхом спхкзннл.е Хтзртному сэрэдовищ!, то при дзсл1дваян1 термос; тИЗкост! композиту алдаз-каргид краин!н угори гермпойробхи була

вибран! аналог1чяими. Зразки в1дпалювала в серед чвищ! воднв на про-тяз! 30 ТЕ.

В результат! досл!д£энь встановлвна ■ (рлс. 5), що властивост! композиту алмаз-карбид крамн!ю залишаються незм!яшша п!сля нагр!-ву до 1473 К.

Наявн1сть метал!в-р0зчйнник1в Еуглвцю в структур! достатньо широкого класу пол!кристал!чних матер!ал!в на опнов! алмазу, прадс-тавниками котрих являться Синдрил, Страт опаке, ДТП, призводить до внЕианЕЯ величии! показника зносостЫкаст! п!сля нагр!ву вищв 973 К.

Висока ст!йА!сть зразх!в композиту алмаз-карб!д кремн!г пояс-вювться к!лькома причинами. Основна причина заключлеться В тому, що композит мае структуру взаеаопроникаших каркас!в алмазу ! карсЯду щжмн!ю 0-51С) г закритою пориот!ств манте 1%. ТермомеланЗлна оу-м!стн!сть фаз 1 висока ст!йк!сть до окиелвння кар01ду крамн!я призводить до зеування в область б1льш високих температур граф!тизац!ю алказних зерен.

-О—О—О—О-

ч

-Г"

-1-г

1073 1273 1473 1673 I, К

-о—о—о—о—о-

Рис.5. Эалехн!сть модуля Юнга (Е) 1 таказника зно-сост1акост! (д) композиту алмаз-карб!д крзмн1п в!д температура в!дпалу в сарадовищ! водЬо.

□

л—I-1-1-1—

1073 1273 1473 1673 Т, К

3 матов везначашя махан1зму даградацН матер!ллу досл!дау-аали м!кроатрухтуру зразк!в п!сля тармообробки 1 характер 1х вносу з допомогов аптечного 1 елоктронного м!кроскап!в. Досл1д-хвнкя не виявили Ютотних вм!и структури 1 характеру зносу зразк1в. Прота на б1чн!И повархаост! б1лыаост! пластин, тврмообробланих ви-ща 157.3 X, Оула ваявлвн! крапл! розплаву. (Шроравтгеносиектралышй анал1з крвллзш показав, що вони мають склад (мае.Я): 67-732 N1, 14-2ОХ 51, 7-133 Те, 1-6Ж Ып. В1доыо, що синтатичн! алмазн! м!крапора-шки мзвть включения н!каль-марганцввога складу, котр! утвораоться на отая! 1х скнтззу. В1рсг!дно, при температурах в!дпалу 1473 К в!д-Суваеться роатрЮкувянпя алмаз них зерен в композит!, утворання спла-

ву вказаного складу 1 м!грац!л> його на повергни пластин. Сферична форма краплин св!дчить про насичзння сплаву вуглецвм. Розмхр крад-лгн досягав 100 мкм. М1грац1я розплаву ввдбувавться. очевидно, по м12$азЕИI! межам, сск1яыш трХщяя на поввргн! зразк!в не споствр!га-еться. Взавмод1я розплаву з алмазною фазой приззодать до 11 граф1-тизац!!, ступ!кь котро! повинна зростати !з зб!лыпенням температуря 1 трзЕалост! в1диалу. Виникнення фаза граф!ту в композит! приз-еодить до його знзм!цнення 1 зшкешгя мэхешгчних властивостей.

3 цЬгаз п^вердхэння в!рност! запрсяоновавого мвхан!зму зна-м!цнвяня композиту при термообробц! були проведан! сладуюч! вкспэ-римзнти. Щи аЕалог!чних параметрах була спэчвна ларт!я пластин композиту з Еиксристаяням н!хропорсшал природного алмазу зернистхс-те 60/40, в якому були в!доута! включения иетал!в-розчжнник!в вуг-лецю. П!сач в ?дпялу пластин в сврэдовищ! во,дни була визначвн! значения пояазшас!в Еносаот1йкост! при правд! гсруядового круга.

В результат! випроСугань встановлено (рис.б), що показник зяо-состШшст! композиту, спвченого на основ! м!кронорошка природного алмазу, на змхеюзться при нагр!ваня! до 1673 К.

Таким чином, нав!ть нвзначна присутн!сть в спнтвтичнах алмаз-них м!лропороваах зклшень мвтал!в-розчинник!в вуглвцю ( меншв I мас.Х), ¡цо Еикористовуитьсй при синтез! висх!даах м!нропорошя!в, призводить в к!нцвеому результат! до зниавння властиваствй зраз-к!в композиту на !х основ! п!сля термосбробки. Значения тврмостШ-кост! матерхалу алмаз-карб!д крамн!ю мохна п!двшдити, використовую-чи для еого сп!Еання м!аропорошки природвого алмазу аба синтетичного алмазу з м!н!мальним вм!стсм мвтал!чних вшгачень 1 дрм!шоа.

q, кг/кг .'.•.■•"•• '

Рис.6. Залеан!сть пожазника веосостхЙкост! композиту ал-маз-карб!д крвмн1ю на основ! синтетичного (I) та природного алмазу (3) та аразк!в матер!ал1в Синдрил, Страто-_ паке, ДТП (3) в!д температу-

т ' 1 ' ,

О 673 1 073 1473 1873 I, К Р1 ВЗДИЛу.

На основ! проввдвних досл!даень визначено комплекс ф1знко-мвхан!чних властивостей композиту, одоржаного при оптимальних уловах сп!каяня (таблщя).

Основе! характеристики композиту алмаз-каре1д кремн1ю. Гуотина, г/см3 3,46

Тведд!сть по Каупу, ГПа 52

М1дн1оть при рад!яльному стисненню, ГПа 0,49

Тр!щпост1ак1сть, МН 8

* ®

Модуль Юнга. ГПа Йв9

Модуль зсуЕу. ГПа 448

Об'еааий модуль, ГПз 391

Козф1п1ент Пуассона 0,086

Тбплопров1дЕ1сть, Вт/м К 260

Нняспст1йк1сть при правЩ корундового круга, мг/кг 3,2 Зносост!йк!оть при струганн1 п1вдшша, мм 0,3

Теряост!2к!сть. К 1473

В П'ЯТОМУ Р03Д1Л1 приведэн1 результата випробувань в виробнич-вжх умовах .Сурового та р!жучого !нструмвнту, оснащаного пластинами композиту алмаз-карб!д.крвмн1ю.

Встановлено, що пластина композацШного матвр!алу алмаз-карбЩ крвмнЬо нають високу зносоот!Ян!сть при точ!нн! титанового сплаву ВТЗ-1 1 мозеуть бути рекомендован 1 для оснащения рЛасучого 1нструмвя-ту. (

В НД1 Бурово! Твхн!ки (Рос1я, м.Москва) проввдвн! випробувая-ея на зносост!йк!сть зразк!в кошгазиц!йнога матер!алу алмаз-карб1д крамн!п, пластин композиту СеозеЪ марка 2103 1 пластин композиту ЗушЗаг 3 марки. 143-60. Показник зносоот1йкост! визначали по величин! л!я1йного вносу зразк!в п!оля точ!ння айразивного круга. В результат! випробувань встановлено, щр еврвдня !нтенсивн!сть л!н!й-ного зносу зразк!в о держаного композита в 1,3 раза нзгача аналогично! величина дал зразк!в карб!доалмазного иатвр1алу БугаЗах 3. Таким чином, одоржанай композит алмаз-карб!д крвмн!ю мае нвобх!дн! вксплу-атац!йн! властивост! ! входить в клас тврмост!йких пол!кристал1ч-них матер1ал!в, що вфвктивно вакористовуються дая оснащения р!зних вид1в Сурового 1Еструменту.

При випробуваннях роторяям способом бур!ння парт!! долот, ос-навдяих пластанама композиту, в нафтовах родовищах, що розробляють-ся виробничнимн об'зднаннямн "ПриласпМбурнафта", "Грознафга", та "Орвнбургнафта" визначено, що проходхення при вихористанн1 вкспери-мватальних долот в еврвдньому в 9,5 раз!в пвревищуе проходявння в пор!внянн1 1 шарошвчшшя долотами. Розробланий буровий шетрумеат, оснавдний композитом алмаз-карб!д крвкнЬо, прийнятий до промислово-

го вгробкицтва.

ЗАГАЛШ ВИСНОВКИ

I. В результат! провадвннх дошйдаваь розроблаао териаст1йкяй полХлрастал 1таиа иатврхал на основ! алмазу i карй!ду кремнЬо з п1д-вищвноя знасост!8к1стп, щр мае ноедааная властивоствй васоко! твердое! ! (62 ГПа) та теркостМкаст! (до 1473 К), цр зумовлш пзрспак-тавн!сть floro застосування для осаащэння бурового та рЬкучого !нст-румввту.

'¿. Виязлаао, що при форнувапн! структура композиту алмаз-као-б!д кремнХю в умовах високога таску (0,5 ПХа) пластична дэфораац!я алмазних звран п!сля просочування алмаз них MiEponapoimciB крвмн!вм пришшяеться.

3. Встановлано, щр характерная особлив1стю формування композиту з! структурой взаемопрошшаючих каркас!в алмаза та карбЛду крем-н!я при тиску 8,5 ГШ, щр в!др1зйявться високам показншюм зносоо-тШшст!, являвться р1вшзы!рний разпод!л фази f)-SíC в к!лькост! 1617 та.Х в мгазараансыу простор! алмазу, татра досягавться при сп!-канн! м!кропорошк1в зершктоот! 40/28 та B0/4Q.

4. При бжвчвкн! законо!л!рноствй к!нвтгки просочування 1 saptíi-доутБорення а систем! алмаз-крвмн1й в умовах високих тиск!в встановлано, що таек сп1кання 8,5 ГПа в калька раз ta прискорюв процеса про-сочувавня алмазних м!кропорошк!в крвмн!ем та реакцН карб1доутворен-ея в пор!внянн! з аналог1чш1ш1 процеиами, щр опостар!гапться при атмосфараому таску.

5. Визвачвн! основе! ©!зшш-мвхан1чн! власткваст! композиту алшз-карб!д вракн1й. Валвлено, що п!сля завершения втапу карйгдо-утворваня дч.лъпи твраобарична д!я на двофазнгй композит на приводить до auimt його ф!вкко-мвхан!чшп: влаотивоотей.

6. В результат! досл!дзвнь законсм!рностай вп дву характеристик висх!даах алмазних м1кропороик!в на величину твржзст!йкост! композиту алмаз-карб!д крвмн!», щр сп!кавтьоя, встааовлвно, що дая падвивдння показнака тармостШоот! б!льие 1473 К необх1дно викоржо-товувати мхкршорошкя, що на маютъ в соб! вклшань магал!в-розчнн-ншс!в вуглацю.

7. В результат! випробувань доол!дао! парт i 1 буравах долот, оеншдених риучиыи вставками композиту алмаз-карб!д кремн!ю, показано, що вони мають високу вфактивн1сть при OyplHai евврдловин ь

породах 711-IX категорХй твврдрст! 1 прийяят1 до промыслового ви-робнлцтва Державной Konicie» М1ннафтогазпрома {Акт прийомки в*1д 10.04.91р).

Основа! поло22Нея рзботг Ертиздана в таких

1. Вяранка Г.А., Осипов A.C. ФЕЭТпю-мехвгагезстев свойства ком-пазыцтстшых кгтэрязлов на пенок? алмаза-и карЗвдз кремния // Сверхтвердее кзтеризлы в ускэрззка нэупкс-тохгатасксго прсгртссэ, - Киев: ИСМ АЕ УССР, I9S7. - С. 29-23.

2. Елкязив темгюрзтуры спекания нз структуру И СВПЙСТВЗ композита на основе алгзза / Г.A.Separan:, А.С.Осипов, Е.Б.Столяров, А.В.ЩерсЗакоа // Высоккз давдакия и свойства материалов. - Кизв: ИПМ АН УОСР, IS38. - 0. 18-22.

3. Воронин Г.А., Осиппв A.C., Щербаков A.B. Прочность и упругий свааства композиционных материалов аз основе алмаза // Свэрхтвврдаэ кзтеривлы в народном хозяйстве. - Кизв: ЯСМ АН УССР, 1989. - О. 6568.

4. Воронин Г.А., Осипов А.О., Столяров. Исследование процесса формирования конпознциояных «эториалов на основе алмаза и карбида Крайняя в усложни высоких давлзний // Влияние высоких давлений на свойства матаркалпв. - Кгаэв: ШМ АН УСОР, Г990. - С. 96-99.

Б. Воронин Г.А., Осипов А.О. Исследование кинетики процессов пропитки алмазного горошка и карйидосяЗрззованйя при высоких давлениях // Получение, свойства СЕерхтшрдшс материалов и горспвкггивныэ технология их применения. - Ниэв: ИСК АН УСОР, 1930. - о. 33-37.

в. Воронин Г.А., Осипов А.О. Механизм форшроЕйния структуры и физико-метаничэскга свойства композита алмаз-карбид крзмния. // По-«■¡ифистаалитасниэ материалы на основа алмаза и кубического нитрида бора. - Низа: ИСМ АН УССР, 1990. - О. 31-34.

7. Полинристаллическда сверхтгардеэ иатериалы для мотал го обработки / Н.П.Бвженарь, О.А.Божко, Г.А.Воронин, А.И.Игнэтуиа, А.О.Осипов // Аннотации стендовых докладов участников семинара Европввско- . го Экояш1:я8ского Конгресса ООН "Новые материалы и их применение в иашностроэкик". - Ктав: ИПМ HAH Украины, 1992 г. - 0.41-42.

8. Борон1е Г.О., 0с1пов O.G., Шульжвнко 0.0. Композит на основ! агавэу та карб!ду креин1ю, прязначенай дая оздаблвння Сурового 1яс?рум0эту. // М1явралсг1чнлй яураял.- Кг!в, 1995 р (в печати).

9. Патент Украины И IKSÖ. СшсоО подучонкя кокшгищгошого ка-

•

с-

териала из алмаза и карбида крзияия / А.А.Шульжанко, Г.А.Воронин, а.о.осишз. - опубл. го.oa.es..

10. А.с, 1738994 (ССОР). ПЬрадоразрушающйЯ элемент / И.О.Вовча-новскиа, Г.А.Воронин, А.О.Осипов, А.А.Шулыввшш и др. - Опубл. 23.03*90. .

Осипов А.О. <&рйиров?таэ структуры термостойкого поликристал-лкчаского материала на основа алмаза и карбида «срамгагя в условиях высоких давдяниа. Диссзртзпия. из соискание ученой стехгапи кандидата •технических наук по специальности 05.02.01 - матэриаловаданиз в газ-ииностроании (прсммалэпяотгь), в фчраэ Лукопяси, Институт сЕерхтшр-дых материалов НАЯ Украины, Кйэв, 1295.

Защищается 10 пэчатных работ, которые садеркзт результата зкз-пзриментальннх исслэдований по стаканив термостойкого поликристал-литаского материала алмач-нарЗид кремния. Устанавлпны завдномзрнас-ти формирования композита со структурой взаимопроникающих каркасов алмаза и карбида крпмния в условиях емсоккх дзвлэния. Опрэдолзн как-швкс физико-механических свойств композита и их зависимость от условии спякзши. Выработаны рекояевдации по разработке технологии получания термостойкого полигфисталлитаского материала яа основа алмаза и карбида крэмния. Осущэствдзно промыгалекноэ внедрение разработки, приводятся данныэ его эффективности.

Csipov A.S. Stracture formation of the thermostabe polycrys-tolline material on the basis of diamond and silicon carbide at high pressure. The thesis of the degree of candidate of technical science under the speciality 05.02.01 -cateriel science in engineering, Esde in the lorn of manuscript, the Institute for SupeThsrd Materials of the Ukrainian HAS, Kier, 19S5.

IQ printed works containing tins resmlta of experimental studin^ of diamond-silicon carbide thermostable pilycryatalline material sintering are vindicated. The regularities of diamond find ailiciai carbide interlocking network structure composite foraation at high pressure were established. The complex of the phisical and mechanical properties of the composite end their dependence of the sintering conditions «ere found. Ihe reccsiendationa for production technology of the thermostable polycryatalline material on the b&aia of diamond and silicon carbide were worked out. The industrial promotion of the working ваз carried out, the date of it's efficiency

are submitted.

Karaosi слова: висом» таек, сд1кання, влыазв1 ы1кропорошки, твр-MOCTifciOTb, SEaCOQTlSKiOTb.

Л1дп. до дауну 07.12.95. Фошат 60х90Д6. ПапЬ пио. гё I. Друк оро. Ум. друк, арк. 1,0. Ум. ф.-в!дб. 1,0. ОСя.-ввд. арк. 0,9. Тираж 100 ека. Зам. 164.

1нотитут надтвардих матвр1ол1в HAH УкраЬйя 254074 Кихв-74, вул. Автозаводська, 2

Ротапраи^ llJM 1IAH Jxpai'iDi