Композиционное плакированное алмазное зерно

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Судник Лариса Владимировна Жук Елена Владимировна Жук Алла Григорьевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Композиционное плакированное алмазное зерно, содержащее абразивную частицу синтетического алмаза с нанесенным на нее покрытием из неметаллических тугоплавких соединений, отличающееся тем, что покрытие нанесено методом химического осаждения с последующим термолизом, при этом толщина покрытия составляет 0,05-0,10 диаметра алмазного зерна, а его твердость ниже твердости алмаза. Изобретение относится к производству алмазных зерен, предназначенных для алмазосодержащих композиционных материалов и используемых в производстве абразивного и режущего инструмента на керамических связках. Известно, что металлизация алмазных зерен повышает их прочность, предохраняет их от дробления при формовании и окислении при спекании, увеличивает зерноудержание в матрице и теплопроводность в рабочем слое, что в итоге приводит к повышению работоспособности инструмента в целом 1. Этот способ неприемлем в ряде случаев, например при использовании неметаллических матричных материалов, из-за несовместимости металла по ряду физико-механических характеристик, например коэффициента термического расширения с матричным материалом и алмазом. Кроме того, нанесение металлических слоев связано с применением вредных для окружающей среды соединений хлора 1. Металлизация требует также сложного аппаратного оснащения. Известен способ, при котором для увеличения адгезии алмазного слоя его покрывают тонким гальваническим слоем меди толщиной до 0,1 мм 2. Этот способ непригоден для алмазных синтетических зерен из-за намазывания меди на обрабатываемые поверхности и образования прижогов и высокой адгезии к стенкам прессформы. 9047 1 2007.04.30 Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления многослойного покрытия алмазных частиц для шлифовального инструмента 3. Многослойное покрытие частиц искусственного абразивного алмаза для спекаемого шлифовального инструмента обладает хорошей удерживающей способностью, увеличенным сроком службы и упрощенной технологией изготовления. Покрытие содержит 2 слоя. Первый слой покрытия наносят способом химического осаждения из газовой фазы . Второй слой покрытия наносят химическим или гальваническим осаждением. Недостатками этого способа является сложное аппаратное оснащение. Кроме того, наличие металлической составляющей исключает применение алмазных частиц, получаемых по известному способу, для инструментов на керамических связках из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения и из-за склонности металлического слоя к окислению. Задача настоящего изобретения - повышение прочности синтетических алмазных зерен и увеличение адгезионной способности поверхности алмазных зерен. Поставленная задача решается путем создания композиционного плакированного алмазного зерна, содержащего абразивные частицы синтетических алмазов с нанесенным на них покрытием из неметаллических тугоплавких соединений методом химического осаждения, покрытие на абразивные частицы нанесено методом термолиза. Толщина покрытия на алмазных зернах составляет 0,05-0,1 диаметра алмазного зерна. Твердость нанесенного покрытия ниже твердости алмазных зерен. При увеличении толщины покрытия свыше 0,1 диаметра алмазного зерна, покрытие будет отшелушиваться, а при изготовлении инструмента на границах соединения алмазного зерна и матричного материала (связки) будут образовываться трещины. При снижении толщины покрытия ниже заявляемой не будут залечиваться поверхностные эффекты,а на микропорошках вообще трудно будет достичь равномерности покрытия по толщине,что не позволит достичь заявляемого результата. При увеличении твердости покрытия до твердости алмаза (алмазоподобная пленка) не обеспечивается самозатачиваемость алмазных зерен, при уменьшении твердости ниже твердости абразивного наполнителя алмазные зерна легко будут выкрашиваться из рабочего слоя. Метод нанесения слоев - термолиз, заключающийся в молекулярном наслаивании требуемых соединений на алмазные зерна из соответствующих химических растворов, которые при высыхании и термической деструкции образуют пленки. Метод не требует дорогостоящего оборудования, является простым и не приводит к удорожанию инструмента, использующего алмазные зерна, т.к. небольшие затраты на нанесения покрытий окупаются увеличением технологических и эксплуатационных характеристик как самих алмазных зерен, так и инструментов, в которых они использованы. Преимущества заявляемого композиционного плакированного алмазного синтетического зерна увеличение прочности за счет залечивания поверхностных несовершенств,повышенная адгезионная способность за счет состава и наноразмерности покрытия, снижение окисляемости, понижение технологических и повышение эксплуатационных температур. Способ изготовления плакируемых алмазных зерен, включает нанесение на зерна из синтетических алмазов покрытия неметаллических соединений химическим осаждением. На алмазные зерна наносят покрытие из раствора солей металла, оксид которого планируется получить. При разработке метода нанесения покрытия была использована способность алкоголятов некоторых металлов и других металлических соединений, содержащих группировку (где- органический радикал,- металл), образовывать при высыхании их растворов, нанесенных на твердую поверхность, прочные тонкие слои. Нагрев 9047 1 2007.04.30 приводит к термической деструкции входящих в их состав алкоксидов, в результате которой на поверхности твердого тела остаются только оксиды металла 4, 5. Сущность изобретения поясняется следующими примерами. Пример 1. Раствор для нанесения покрытий на алмазные зерна содержал смесь, полученную при синтезе органического производственного циркония с добавкой концентрированного раствора (3)3, содержащего аддукт тетрахлорида циркония 254, в котором атом кислорода обладает избытком положительного заряда. Стремясь скомпенсировать этот избыток, такие молекулы проявляют сильную реакционную способность, что приводит к резкому повышению адгезии пленки к подложке. В процессе обработки раствором и последующем отжиге при 500 С (3 с) сформированы покрытия толщиной 6 до 200 нм. Из полученных композиционных плакированных зерен изготавливали абразивный и лезвийный инструмент. Пример 2. Абразивный инструмент изготавливали следующим образом. Шихту на временном связующем, в качестве которого использовали 5 -ный водный раствор поливинилового спирта, помещали в прессформу и прессовали при нагрузке 5300 кГс. Отпрессованные заготовки подвергали сушке при температуре 70 С в течение 2 ч, а затем спекали в вакуумной печи при температуре 760 С. По описанной технологии изготовлен специальный абразивный инструмент в виде чашек диаметром 40 мм и высотой 35 мм для обработки сталей из шарикоподшипниковой стали ШХ 15. Пример 3. Лезвийный инструмент изготавливали на установках высокого давления тороидного типа при температуре 600 С и давлении 5 ГПа. Полученные заготовки дополнительно обрабатывали алмазным инструментом для подготовки требуемого профиля режущих кромок. Изготовленный инструмент в виде неперетачиваемых пластинок использовался для финишной и суперфинишной обработки деталей из вязких сталей и серого чугуна. Пример 4. Плакирующее покрытие карбида кремния реализуется при гидролизе силиката(25)4 путем кристаллизации оборванной связи углерода, всегда имеющейся на алмазных зернах, и ионов кремния при термической деструкции этилсиликата. Температура сушки 500 С, время - 1 ч. Пример 5. Раствор для плакирования алмазных зерен нитридами (например, нитридом титана или кремния) содержит атомы или молекулы азота, которые могут выступать в роли донорного партнера в координационной связи с углеродом (3 2-, 3-, -, -). В частности алмазные зерна обрабатывались в водном растворе аминотриуксусной кислоты при температуре 100 С в течение 40 мин, затем зерна высушивали при температуре 300 С в течение 40 мин. В результате на поверхности алмазных зерен реализовано плакирующее покрытие нитрида титана или нитрида кремния. Состав соединения определяется элементом, осажденным первоначально на алмазное зерно. Ниже приводятся свойства алмазных зерен с нанесенным на них покрытием (таблица). Обрабатываемый материал - высокоплотная алюмооксидная керамика (ВК 96), скорость обработки - 20-30 м/с концентрация алмазных абразивных зерен - 100 . Исходные алмазные абразивные зерна АС 80 125/100, наполнитель - корунд, связка - свинцовоборосиликатное стекло. 3 1. Алмазные зерна с покрытием из оксидов 2. А 12 О 3, 2, 23 3. 4. 5. Алмазные зерна с покрытием алмазоподобной пленки 6. Прототип Отношение Угол смачиваВысота толщины ния на границе Удельный микропокрытия связкарасход 3 неровностей к диаметру абразивное алмазов, мг/см, мкм зерна зерно , град 0,05 Источники информации 1. Получение, свойства и применение порошков алмаза и кубического нитрида бора. Мн. Беларуская навука, 2003. - С. 217-219. 2. Заявка 259448, МПК 724, 1987. 3. Патент США 5250086, МПК 524 3/02 (прототип). 4. Алесковский В.В. Курс химии надмолекулярных соединений. - Ленинград ЛГУ,1990. - С. 282. 5. Штанский Д.В., Машев Е.А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки проблемы и решения // Цветная металлургия. 2001. -3. - С. 52-61. 6. Коттон Ф., Уилкинсон Д. Современная неорганическая химия. - М. Мир, 1969. С. 200-215. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4