Способ нанесения металлического покрытия на порошки алмаза

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОРОШКИ АЛМАЗА(71) Заявитель Государственное научно//2009/0492004/083337 1. производственное объединение На 06087682 , 1994. учно-практический центр Националь 11189492 , 1999. ной академии наук Беларуси по 62139865 , 1987. материаловедению 414052, 1974.(72) Авторы Новицкий Николай Никола 2090648 1, 1997. евич Шарко Сергей Александрович 13157 1, 2010. Стогний Александр Иванович Будь 0408265 3, 1991. ко Тамара Олеговна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ нанесения металлического покрытия на порошок алмаза, включающий нанесение кобальта, отличающийся тем, что исходный порошок алмаза подвергают обработке в СВЧ плазме атомарного водорода в течение двух-трех минут, наносят наноразмерную пленку титана толщиной 40-80 нм, а затем пленку кобальта толщиной 1-2 мкм. Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий на абразивные зерна из сверхтвердого материала - природного и искусственного алмаза, который может быть использован в инструментах для обработки различных металлических и неметаллических материалов. Обрабатывающий инструмент находит широкое применение в различных отраслях обрабатывающей промышленности. Это, прежде всего, машиностроение, металлообработка, черная и цветная металлургия, горнодобывающая промышленность, дорожное строительство (буровой инструмент, зубцы строительно-дорожной техники), пищевая промышленность (ножи, дробилки, рабочие органы смесителей), сельское хозяйство (сельскохозяйственный режущий инструмент, рабочие органы сельскохозяйственной техники), медицинская техника (хирургический и зубопротезный инструмент) и т.д. Однако у алмаза имеется существенный недостаток кристаллы алмаза интенсивно растворяются в железе и его сплавах с углеродом при температуре резания 750-800 С(при непрерывном контакте стружки с режущей частью алмазного инструмента). Например, в процессе работы абразивного инструмента алмазные частицы могут нагреваться до температуры 1000 С, при которой алмаз превращается в графит. На воздухе при 620 С и 16316 1 2012.08.30 выше алмаз сгорает, окисляясь до углекислого газа. Данный недостаток можно исключить нанесением на алмаз металлического покрытия. Металлизация алмаза позволяет увеличить срок службы инструмента, поскольку слой металла на поверхности алмаза препятствует окислению последнего при контакте с кислородом воздуха при высоких температурах. Алмазы с покрытием улучшают качество обрабатываемой поверхности по сравнению с обычными алмазами. Известен способ нанесения металлических покрытий на алмазные порошки путем термического разложения карбонильных соединений металлов 1. При термическом разложении паров карбонила металла, осуществляемом в вакуумной камере, происходит осаждение мелкодисперсной пленки металла высокой чистоты на поверхность сложной формы, какую имеют алмазные зерна. К недостаткам данного способа металлизации относятся низкая прочность сцепления покрытия с алмазом, а также токсичность и взрывоопасность используемых компонентов реакционных газовых смесей. Также известен способ 2, с. 11-14 нанесения покрытия на алмазный порошок ионноплазменным распылением материала покрытия, включающий очистку алмазных зерен перед металлизацией за счет бомбардировки их поверхности ионами газоразрядной плазмы. Недостатком данного способа является то, что взаимодействие металла с алмазом в местах взаимного их соприкосновения приводит к графитизации последнего и последующему его отслаиванию от основной массы. Ближайшим к предлагаемому техническому решению является способ 3 металлизации синтетического алмаза, заключающийся в нанесении наноразмерных слоев кобальта на алмазные частицы. Кобальт является растворителем углерода и катализатором превращения графита в алмаз, что способствует спеканию алмаза и формированию жесткого алмазного каркаса (матрицы). Однако указанный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что наличие кобальта в конечном продукте весьма отрицательно сказывается на термостабильности алмаза в процессе изготовления и эксплуатации инструмента. Различие в коэффициентах термического расширения кобальта и алмаза приводит к образованию трещин в алмазе и вследствие этого к быстрому износу или разрушению рабочей части инструмента. Термостабильность материала уменьшается с увеличением общего содержания кобальта и с ростом размера кобальтовых включений. Кроме того, данный способ металлизации не исключает наличия остатков кислорода на поверхности алмаза, что также приводит к графитизации последнего и отслаиванию. Указанные недостатки ограничивают возможности повышения работоспособности металлизированных алмазов в инструменте, что приводит к уменьшению срока службы инструмента. Задачей предлагаемого изобретения является повышение термостабильности и увеличение срока службы алмазного инструмента за счет улучшения качества металлизации алмаза. Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения металлического покрытия на порошки синтетического алмаза, включающем нанесение кобальта на порошок алмаза,алмазный порошок подвергают обработке в сверхвысокочастотной (СВЧ) плазме атомарного водорода в течение двух-трех минут, наносят наноразмерную пленку титана толщиной 40-80 нм, а затем пленку кобальта толщиной 1-2 мкм. Сущность изобретения заключается в том, что обработка алмаза в СВЧ плазме атомарного водорода приводит к удалению адсорбированного кислорода с поверхности алмаза и одновременном ее активации для нанесения слоя металлизации. Нанесенный наноразмерный слой титана не имеет внутренних напряжений, препятствует взаимодействию кислорода и непосредственному контакту кобальта с поверхностью алмаза. Это создает благоприятные условия для последующего нанесения на поверхность алмаза пленки кобальта микронной толщины. 2 16316 1 2012.08.30 Положительный эффект повышения качества металлизации алмаза по сравнению с прототипом достигается за счет следующих факторов 1) алмаз, как природный, так и синтетический, содержит на своей поверхности кислород, который делает невозможным создание сплошного металлического покрытия на поверхности. Обработка в СВЧ плазме атомарного водорода приводит к удалению кислорода и одновременно к химическому восстановлению графитизированного слоя на поверхности алмаза 2) слой титана толщиной 40-80 нм обладает хорошими адгезионными свойствами, и в нем отсутствуют внутренние напряжения. Он не отслаивается со временем и конформно покрывает поверхность алмаза. При толщинах слоя титана менее 40 нм наблюдается ухудшение адгезии титана в местах неровностей поверхности и скопление газообразных примесей - продуктов адсорбции. При большей толщине слоя титана в нем аккумулируются напряжения, обусловленные расхождением параметров пленка-подложка и формированием собственной дефектной структуры, приводящей к ухудшению сцепляемости и сплошности покрытия 3) титан,являясь хорошим геттером, связывает кислород, что исключает его взаимодействие с алмазом и формирование графитовой фазы, на которой идет отслоение материала. Все это приводит к улучшению качества и увеличению срока службы обрабатывающего инструмента (в 1,5-2 раза). Для пояснения предлагаемого изобретения приведем пример. Исходный порошок алмаза обрабатывается в течение 2-3 мин в плазме СВЧ разряда атомарного водорода мощностью 800 Вт при рабочем давлении водорода 40 Па. Скважность СВЧ импульсов составляет 2. Затем методом ионно-лучевого распыления титановой мишени чистотой 99,98 ионами аргона с энергиями 0,4-0,6 кэВ осуществляется нанесение пленки титана толщиной от 40 до 80 нм в течение 15-30 мин. При этом рабочее давление аргона составляет 0,1 Па. Далее также с помощью ионно-лучевого распыления наносится пленка кобальта или никеля толщиной 1-2 мкм в течение 20-40 мин. В данном случае параметры рабочей установки те же, что и в случае напыления титановой пленки(ионы аргона с энергиями 0,4-0,6 кэВ, рабочее давление составляет 0,1 Па). Для иллюстрации предложенного способа нанесения металлического покрытия на алмаз были проведены испытания образцов циклической термообработкой. В качестве алмазного материала был выбран порошок алмаза, серийно выпускаемый промышленностью для нужд медицины в виде монокристаллических зерен правильной огранки со средним размером зерна 0,5 мм. Термоциклирование осуществлялось на воздухе в диапазоне температур от 20 до 150 С. На фиг. 1 показан порошок алмаза в исходном состоянии. На фиг. 2 показан порошок алмаза, покрытый слоем титана без предварительной обработки кристаллитов алмаза в плазме СВЧ разряда атомарного водорода. В данном случае конформность покрытия нарушалась в местах содержания примесей, что проявлялось в виде вспучиваний слоя титана и отслоений. Более того, места с блестящим металлическим покрытием характеризовались невысокой адгезией и низкой термостабильностью. На фиг. 3 показан порошок алмаза, покрытый слоем титана без предварительной обработки в плазме атомарного водорода, после 2 циклов термоциклирования от 20 до 150 С на воздухе. Видно, что подавляющее большинство кристаллитов отделилось от слоя металла, а менее 20 кристаллитов из тех, что сохранили слой металла, имели частично прозрачную поверхность со сплошным металлическим покрытием на площади поверхности менее 20-30 . На фиг. 4 показан порошок алмаза, покрытый слоем титана с предварительной обработкой в плазме атомарного водорода, после 2 циклов термоциклирования от 20 до 150 С на воздухе. Нанесение пленки титана осуществлялось ионно-лучевым распылением титановой мишени чистотой 99,98 ионами кислорода с энергиями от 0,4 до 0,6 кэВ в течение 26 мин при рабочем давлении кислорода менее 0,1 Па. При этом длительность обработки в плазме атомарного водорода СВЧ разряда мощностью 800 Вт составляла 3 16316 1 2012.08.30 2 мин, скважность импульсов СВЧ разряда равнялась 2, рабочее давление водорода 40 Па. Данная операция обеспечивала удаление с поверхности монокристаллов алмаза остатков кислорода, а также инородных органических примесей, в том числе содержащих графит. Видно, что все кристаллиты равномерно и конформно покрыты слоем титана с характерным металлическим блеском синеватого оттенка. Данные образцы с покрытием характеризовались высокой термостабильностью. Образцы сохранили на большей своей поверхности металлическое покрытие. Результаты проведенных испытаний показывают, что металлизированные наноразмерной пленкой титана алмазные порошки, предварительно обработанные в плазме атомарного водорода, являются термостабильными, что позволяет их использовать в микроэлектронике и обрабатывающей промышленности. Источники информации 1. А.с. 414052 СССР, МПК 23 11/02. Способ получения металлизированных алмазов // Б.А.Геневарская, А.А.Уэльский, В.Г.Сыркин // Открытия. Изобретения - 1974. -5. - С. 40. 2. Металлизация алмазов для буровых коронок / С.А.Ашинов, З.Ж.Беров, Н.И.Корнилов и др. - М., 1989. - 27 с. 3. Екимов Е.А., Боровиков Н.Ф., Иванов А. С., Леонов А.Г., Паль А.Ф., Рябинкин А.Н.,Серов А.О., Старостин А.Н. К вопросу о спекании порошка, состоящего из частиц алмаза с нанометрическим кобальтовым покрытием // Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 562 ////2009/049. Национальный центр интеллектуальной собственности. 4