Powder Metallurgy Diamond Tools

«Powder Metallurgy Diamond Tools» — первая в своём роде книга, рассматривающая роль порошковой металлургии в производстве компонентов алмазно-импрегнированного инструмента. Предоставляя важнейшую информацию о моделировании, проектировании, составе, изготовлении, рабочих характеристиках, износе и применении, эта книга идеально подходит производителям, конструкторам инструмента, конечным пользователям, металловедам, отделам исследований и разработок, специалистам по техническим требованиям и консультантам.

Алмазно-импрегнированный инструмент всё шире применяется в отраслях, где требуются износостойкие свёрла или режущие инструменты. Кобальтовую матрицу, в которую внедрён алмаз, изготавливают прессованием и спеканием — методами, обычно применяемыми в порошковой металлургии, однако сам процесс сложен и многогранен. Эта книга всесторонне излагает всё, что необходимо знать о роли порошковой металлургии в производстве алмазно-импрегнированного инструмента, помогая производителям металлических порошков лучше понимать требования производителей и конечных пользователей алмазного инструмента и тем самым разрабатывать более совершенные продукты.

Эта книга поможет: 1. Прояснить научные основы и свойства, связанные с порошковой металлургией и производством алмазного инструмента. 2. Объяснить процесс изготовления. 3. Улучшить методы механической и финишной обработки и тем самым результаты. 4. Оптимизировать применение и износ инструмента, помогая экономить время и деньги. 5. Рассматривать новые области применения, оптимизируя оборудование и ресурсы.

Введение

Алмаз, аллотропная форма углерода, — самый твёрдый минерал, известный человеку. Безупречные или практически безупречные куски алмаза после огранки и полировки всегда ценились как самые драгоценные камни. Помимо редкости ювелирных камней и их декоративных достоинств, существует также множество других свойств, делающих алмаз уникальным материалом [1]. Он обладает наивысшей теплопроводностью при комнатной температуре, наибольшим объёмным модулем и наибольшим критическим растягивающим напряжением скола, чрезвычайно высокой теплопроводностью, очень низкими коэффициентами трения и теплового расширения и сравнительно инертен к химическому воздействию обычных кислот и оснований.

До настоящего времени лишь немногие из этих свойств были в полной мере использованы в передовых промышленных применениях из-за ограниченного размера и высокой цены алмаза. Однако последние достижения в синтезе алмаза начинают устранять существующие препятствия, открывая новые возможности для алмаза как передового инженерного материала.

1.1 Историческое развитие алмазного инструмента

Современному применению алмазного инструмента около столетия, хотя раннее использование алмаза как гравировального инструмента восходит к 350 году до н. э. [2]. Во времена Христа осколки разбитых алмазов впервые стали закреплять в железных держателях, то есть применять как алмазный инструмент на металлической связке [2,3].

Следующая веха в истории алмазного инструмента пришлась на 1819 год, когда в Англии Брокендону был выдан первый патент на алмазную волоку. Однако в то время внедрить это изобретение в практику оказалось невозможно, и прошло около 40 лет, прежде чем Милан и Баллоффе во Франции успешно изготовили и применили первую алмазную волоку [2].

Тем временем в 1824 году Притчард начал применять профилированные алмазные круги для шлифования и полирования линз микроскопов [2–4]. Эти круги изготавливали, вбивая алмазные зёрна подходящей крупности в поверхность чугунного корпуса [3].

В 1854 году французский инженер Герман подал патентную заявку на монокристаллический алмазный инструмент для резания, точения и придания формы твёрдым камням; после усовершенствований, внесённых годом позже, он был превращён в инструмент с несколькими алмазами [2]. Несколько лет спустя, в 1862 году, Лешо из Женевы получил патент на комплектную буровую установку, которая нашла широкое практическое применение более чем через столетие после того, как в «Энциклопедии» Дидро появилось первое описание примитивного алмазного бура для горных пород [2,4].

Первые алмазные дисковые пилы для резки камня были разработаны Фромхольтом во Франции в 1885 году. Тринадцать лет спустя диск большого диаметра впервые был применён на практике в каменоломнях Эвиля. В первых дисках по периферии закрепляли бразильские алмазы карбонадо. В то время карбонадо был ценным материалом [4], поскольку, будучи скрытокристаллической массой мелких кристаллов, сцепленных в случайных направлениях, он был прочен и устойчив к сколу. Такие диски с карбонадо применялись для резки известняка и мрамора при строительстве крупных зданий в Париже в 1900-е годы [2].

Дальнейший прогресс способов производства инструмента произошёл в период с 1927 по 1931 год, когда в США и Великобритании были выданы самые ранние патенты, описывавшие изготовление абразивного инструмента с металлической матрицей из порошков. Согласно Готье (1927) [5], порошковую смесь следовало уплотнять только холодным прессованием, тогда как Невен (1931), вероятно, первым предложил горячее прессование [6]. Первым применённым металлическим порошком было электролитическое железо.

Идея связывать алмаз с помощью металлических порошков восходит к 1883 году, когда Гэй описал изготовление абразивных материалов путём введения традиционных абразивов, таких как кварц или наждак, в металлическую матрицу [6]. Он упоминал применение порошков латуни, железа или стали и предлагал эффективно использовать для формирования матрицы методы порошковой металлургии, такие как горячее прессование или инфильтрация [6]. Однако потребовалось несколько десятилетий, прежде чем изобретения 1920-х и 1930-х годов усовершенствовали идеи Гэя и, по-видимому, ускорили разработку инструмента, импрегнированного алмазным зерном, который около 1940 года наконец был введён в промышленное применение [2].

В этот период разрабатывались и связки, отличные от металлических. В 1925 году Bakelite Corporation получила патент на первую фенолоформальдегидную связку [7]. В начале 1930-х годов круги на полимерной связке, содержавшие «раздробленное» природное алмазное зерно, были запатентованы Wickman Ltd. в Англии (1933) [2], Voegeli & Wirz в Швейцарии (1934) [2] и Norton Co. в США (1934) [8].

До начала 1950-х годов развитие алмазного инструмента шло сравнительно медленно. В тот период были доступны только добытые природные кристаллы алмаза. Они сформировались миллионы лет назад в условиях воздействия на углерод чрезвычайно высокой температуры и давления, а позднее были выброшены к поверхности вулканическими извержениями.

Гораздо более быстрое развитие технологии изготовления инструмента, наблюдавшееся в течение последних примерно 50 лет, можно главным образом связать с «изобретением» синтетического алмаза. Попытки изготовить синтетические кристаллы алмаза предпринимались по меньшей мере несколько сотен лет. Они оставались безрезультатными до 1953 года, когда группа исследователей ASEA получила положительные и полностью воспроизводимые результаты [9]. Совершенно независимо и ничего не зная о работах ASEA, General Electric в 1955 году объявила о способности производить синтетические алмазы в промышленном масштабе [10]. ASEA держала опыты с алмазами в секрете, тогда как GE первой описала процесс в научной литературе [11] и запатентовала его [12].

Постоянный прогресс производственных технологий способствовал росту коммерческого значения синтетических алмазов, на долю которых теперь приходится более 95% всех потребляемых промышленных алмазов [13]. Стоит отметить, что за последние пять десятилетий суммарное потребление промышленного алмаза выросло впечатляюще — примерно в 50 раз. За это время современные производственные методы, основанные на алмазном инструменте, были внедрены в развивающиеся области промышленной деятельности, позволяя выполнять работу быстрее, точнее и с меньшими затратами. Они революционно изменили машины и технологии обработки в каменной и строительной промышленности, ремонте дорог, нефтеразведке, деревообработке, резке замороженных пищевых продуктов, производстве различных деталей и компонентов из стекла, керамики, металлов, пластмассы и резины и т. д.

Важнейшие этапы прогресса и разработки, последовавшие за широкомасштабной коммерциализацией синтетического алмаза, можно перечислить в хронологическом порядке следующим образом:

1960-е годы: был разработан алмаз с металлическим покрытием для применения в полимерных связках, что совпало с внедрением полиимидов компанией Du Point [14]. В 1969 году в Италии были изготовлены канатные пилы для распиловки камня [15]. Они содержали алмазное зерно, внедрённое в электроосаждённую металлическую матрицу. В 1969 году в промышленность был введён кубический нитрид бора (CBN), дополнивший алмаз при обработке железных сплавов [16].

1970-е годы: был разработан синтез высококачественного «пильного» алмаза для сложных операций обработки камня, таких как распиловка гранита [17]. Поликристаллический алмаз (PCD) стал широко доступен и существенно проник в области применения, прежде принадлежавшие твёрдым сплавам [17,18].

1980-е годы: «пильные» зёрна с покрытием получили более широкое применение [19]. Для алмазных и CBN-шлифовальных кругов на полимерной связке был разработан новый класс термореактивных фенол-аралкильных смол, обеспечивавших улучшенные рабочие характеристики инструмента [14].

1990-е годы: были достигнуты крупные прорывы в области низкого давления при синтезе поликристаллического алмаза химическим осаждением из паровой фазы (CVD). Это привело к коммерциализации режущих вставок с CVD-алмазным покрытием [20], спиральных свёрл и «свободно стоящих» толстых CVD-алмазных плёнок [18], пригодных для пайки к опоре инструмента.

В новом тысячелетии рынок алмазного инструмента продолжает быстро расти. Самые последние данные [19] показывают, что спрос на алмазные абразивы достиг в 2000 году впечатляющего объёма в 1 миллиард карат по сравнению примерно с 380 миллионами карат в 1990 году и 100 миллионами карат в 1980 году. Современная тенденция состоит в распространении на области, где всё ещё господствуют традиционные абразивы, с особым интересом к разработке линейных полотен для распиловки гранита, а также к более широкому применению алмазных зёрен в операциях финишной обработки поверхности [21]. В настоящее время быстрое снижение цены алмаза [22] превращает промышленный алмаз в массовый товар, способный по соотношению цены и эффективности конкурировать с обычными абразивами, такими как карбид кремния и оксид алюминия.

1.2 Классификация алмазного инструмента

Термин «алмазный инструмент» имеет очень широкое значение. Существующие классификации алмазного инструмента основаны на различных критериях, таких как количество и происхождение используемого алмаза, внешний вид и внутренняя структура инструмента, его применение и т. д.

Для целей этой книги удобно распределить типы инструмента по категориям, различающимся применяемыми методами изготовления. Такая классификация показана на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 Классификация алмазного инструмента.

1.2.1 Свободные алмазные абразивы

Свободный алмазный микропорошок представляет собой простейший алмазный инструмент (рис. 1.2). Существующие стандарты размерной классификации алмазов определяют микропорошки как номинально мельче приблизительно 84 мкм, хотя применяются различные критерии и методы классификации по размеру [23]. Как природные, так и синтетические микроабразивы, главным образом в форме пасты или жидкой суспензии, применяются в самых разных операциях тонкого шлифования и полирования. Наиболее типичны подготовка металлографических, керамических и минералогических образцов [24], доводка алмазного режущего инструмента [25], профилирование и калибровка алмазных волок [26], полирование драгоценных камней, размерная и финишная обработка деталей инструмента из закалённой стали и карбида вольфрама [27] и т. д.

Рисунок 1.2 Продукты из свободного алмазного микропорошка.

1.2.2 Монокристаллический алмаз

Монокристаллический алмазный инструмент, как природный, так и синтетический, применяется как режущий инструмент, правящие инструменты и волоки. Однако низкая доступность крупных природных камней, различия в их качестве, а также трудоёмкие процедуры отбора алмазов и подготовки вершины инструмента заметно ограничили потребление природных камней за последнее примерно десятилетие. Недавние достижения технологии алмаза при высоких давлении и температуре позволяют производить синтетические монокристаллические алмазы достаточного размера и с такой стабильностью формы, кристаллографической ориентации и рабочих характеристик, которая недостижима у природных продуктов [18,28,29].

1.2.2.1 Режущие/правящие инструменты

Алмазные режущие заготовки и бруски для правящих инструментов производят лазерной резкой необработанных монокристаллов [30]. Синтетические алмазы имеют более правильную форму, чем природные камни, а кристаллографическую ориентацию каждого кристалла легко определить. Поэтому крупные синтетические кристаллы можно без труда раскалывать на пластины и разрезать лазером [28], получая подходящие формы в широком диапазоне размеров — стандартно приблизительно до 8 мм [18,30] — с кристаллографически ориентированными сторонами и режущими кромками, как схематически показано на рис. 1.3.

Поскольку алмаз является анизотропным материалом, скорость его износа изменяется в зависимости от кристаллографической ориентации. Например, для плоскостей формы {100} направлениями с наибольшей и наименьшей устойчивостью к износу являются соответственно ⟨110⟩ и ⟨100⟩ [31]. Это приобретает практическое значение в случае брусков синтетического алмаза для правящих инструментов, где на износостойкость инструмента легко повлиять поворотом заготовки вокруг её продольной оси, чтобы наиболее износостойкие кристаллографические направления стали рабочими.

Заготовки монокристаллического алмазного инструмента давно применяются для высокоточной обработки цветных металлов [28,30,32], неспечённых твердосплавных заготовок [32], пластмасс и стекла [28,30], древесины и ламинатов [25], правки профильных шлифовальных кругов [28–30] и т. д. В настоящее время синтетический алмазный инструмент применяется значительно шире благодаря простоте изготовления, улучшенной паяемости к державке, увеличенному сроку службы инструмента и сокращённому простою станка при операциях повторного полирования/перезаточки [30]. Он также завоёвывает позиции в областях, где традиционно применялись природные алмазы, таких как инденторы для измерения твёрдости, иглы для процарапывания и разметки, малые гравировальные инструменты, а также измерительные приборы [30].

Рисунок 1.3 Кристаллическая структура алмаза (слева) и идеализированные формы заготовок монокристаллического алмазного инструмента (справа).

1.2.2.2 Волоки

По рабочим характеристикам природный алмаз давно ценится как идеальный материал для волок. Главный недостаток природных камней — их высокая стоимость, поскольку для процесса изготовления волоки, включающего трудоёмкие операции осмотра и стачивания плоскостей, полностью подходят лишь кристаллы высокого качества [33]. Преимущество заготовок из синтетического монокристаллического алмаза состоит в том, что противоположные поверхности каждой заготовки легко получают раскалыванием подходящим образом выращенного кристалла по октаэдрической плоскости {111} [28]. С этого момента процесс изготовления волоки практически идентичен изготовлению волок из природного алмаза. Сначала заготовку волоки устанавливают в корпус подходящей формы с тщательно подобранными порошкообразными присадочными металлами [28,34] посредством высокочастотного индукционного нагрева при умеренном давлении. После лазерной прошивки отверстие волоки профилируют и полируют ультразвуком с помощью профилированных стальных игл и суспензии алмазного абразива. Заключительная операция состоит в калибровке калибрующей зоны волоки колеблющейся проволокой, которая протягивает алмазную суспензию через эту зону.

В настоящее время высококачественные заготовки синтетических монокристаллических волок применяются во всё больших количествах, вытесняя волоки из природного алмаза. Синтетические камни имеют низкий и контролируемый уровень металлических включений, что обеспечивает более высокую стойкость к разрушению [28], и способны выдерживать температуры свыше 1000°C в неокислительной среде. Синтезируя камни, пригодные для изготовления заготовок волок с заранее заданной кристаллографической ориентацией, можно устранить проблему неравномерного износа волок, часто возникающую у волок из природного алмаза [33].

Монокристаллические алмазные волоки находят всё более широкое применение при волочении железных сплавов, цветных металлов и сплавов, драгоценных металлов и высокотемпературном волочении тугоплавких металлов, обеспечивая непревзойдённую производительность и качество проволоки самых малых размеров [33].

1.2.3 Связанные алмазные зёрна и порошки

Это, безусловно, крупнейшая группа алмазного инструмента, применяемая в разнообразных операциях обработки заготовок. Такой инструмент состоит из алмазных частиц, монокристаллических или поликристаллических, внедрённых в различные металлические или неметаллические матрицы посредством различных способов изготовления.

1.2.3.1 Гальванический инструмент

Одной из самых ранних областей применения алмазного инструмента на металлической связке, изготовленного электроосаждением рабочего слоя на металлический корпус инструмента, была стоматология [35,36]. В настоящее время алмазный гальванический инструмент широко применяется для пиления, шлифования, растачивания, профилирования, браширования и финишной обработки поверхности стекла, фарфора, твёрдых сплавов, огнеупоров, пластмасс и других материалов.

Формирование алмазно-импрегнированного слоя начинается с приведения алмазного зерна или порошка в контакт с рабочей поверхностью жёсткого или гибкого металлического корпуса, тогда как остальную часть инструмента маскируют лаком [37] или воском [38]. Затем всю сборку погружают в электролит, где покрытие из подходящей металлической матрицы электроосаждают до тех пор, пока его толщина не станет достаточной для надёжного удержания одного, а иногда и более чем одного, слоя алмазных частиц. Чаще всего применяется никель [37], однако никелевые сплавы, такие как Ni–Co [39,40], Ni–Mn или Ni–Co–Mn, также могут применяться [39] посредством одновременного осаждения необходимых металлов преимущественно из их сульфатных растворов с различными добавками в строго контролируемых условиях. Для лучшего сцепления с подложкой корпус инструмента часто предварительно покрывают без присутствия алмаза [40] (рис. 1.4).

Для гальванического нанесения применяются как природные, так и синтетические алмазные зёрна и порошки. Синтетические кристаллы часто требуют очистки перед электроосаждением, поскольку металлические включения, происходящие из металлических растворителей, использованных при синтезе алмаза, могут способствовать вредному избыточному осаждению покрытия на абразивные частицы [41]. Природные алмазы, по своей природе свободные от металлических включений, не требуют никакой химической или термохимической предварительной обработки и прекрасно подходят для изготовления инструмента гальваническим способом.

Рисунок 1.4 Гальванический инструмент. (Предоставлено EHWA Diamond Ind. Co., Ltd.)

1.2.3.2 Инструмент на керамической связке

Характерная особенность алмазного инструмента на керамической связке — высокая пористость, достигающая 55 об.% алмазно-импрегнированного слоя [37,42]. Поры играют важную роль, поскольку образуют полости для накопления и удаления продуктов разрушения, возникающих при шлифовании. Другое преимущество высокой пористости — хорошее распределение охлаждающей жидкости по всей зоне контакта инструмента с заготовкой.

По сравнению с другими типами алмазно-импрегнированного инструмента алмазный инструмент на керамической связке нашёл лишь ограниченное применение [43]. Однако уникальные свойства керамических матриц, такие как сравнительно большой срок службы инструмента и точность размеров, лёгкость правки и способность работать при повышенных температурах, в сочетании с хрупким алмазным зерном обеспечивают сохранение остроты инструмента во время применения при минимальной повторной правке [44]. Это делает его полезным при шлифовании монокристаллического и PCD-алмазного инструмента [42], твёрдых сплавов и керамики [45], а также некоторых композиционных материалов [37].

Основные соединения, применяемые для производства керамических связок, — SiO2, Na2O и CaO, составляющие базовое стекло [42]. Некоторые другие компоненты, такие как SiC, Al2O3, B2O3, ZnO, K2O, а также полевой шпат, глины и другие природные минералы, также добавляются в различных пропорциях для изменения характеристик материала [37,42]. Порошковую смесь связки и алмазного абразива, обычно с концентрацией алмаза от 75 до 150 (18,75–37,5 об.%) [46], либо холодно прессуют и обжигают в печи при 900–950°C [47] в инертной атмосфере, либо, предпочтительно, горячо прессуют приблизительно при 730°C [42]. Преимущество последнего способа — заметно меньшее время обработки при более низкой температуре. Такая процедура даёт инструмент с меньшей пористостью и меньше ухудшает вязкость алмаза, если выбран синтетический абразив (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 Подборка инструмента на керамической связке. (Предоставлено EHWA Diamond Ind. Co., Ltd.)

1.2.3.3 Инструмент на полимерной связке

В подавляющем большинстве случаев полимерные связки основаны либо на фенолоформальдегидных смолах, либо на более термостойких фенол-аралкильных смолах [14]. Их применяют в виде очень мелкого порошка, который составляет соответственно примерно от 30 до 40 мас.% связки в кругах для сухого и мокрого шлифования. Для придания связке прочности смолы смешивают с наполнителем SiC [37]. Различные осушающие добавки на основе оксидов, смазочные материалы из графита или политетрафторэтилена, а также порошки алюминия, меди или серебра также добавляют в малых количествах, чтобы уменьшить и рассеять теплоту трения, возникающую при шлифовании [14,37]. Компоненты связки тщательно смешивают с подходящим количеством природного или хрупкого синтетического алмазного зерна. Смесь засыпают в пресс-форму и горячо прессуют, формируя абразивный обод, который затем прикрепляют к корпусу инструмента подходящим клеем [14]. В качестве варианта смесь можно горячо прессовать непосредственно на ступицу инструмента, по окружности которой имеются поднутрения для содействия механическому закреплению. Для безупречного соединения обычно наносят тонкую плёнку термостойкого клея [14].

В зависимости от применения круга концентрация алмаза может изменяться примерно от 50 до 125 (12,5–31,25 об.%) [48]. В большинстве алмазных инструментов на полимерной связке (рис. 1.6) используются преимущества абразивов с металлическим покрытием, которые обладают улучшенными характеристиками удержания и теплоотвода по сравнению с алмазом без покрытия [45]. Варианты металлического покрытия — сплавы на основе никеля, медь или серебро. Алмазы с никелевым покрытием, содержащим 30–60 мас.% никелевого сплава, могут иметь грубую, «шиповатую» поверхность, способствующую удержанию алмаза в связке при тяжёлых условиях шлифования [48,49]. Алмаз с медным покрытием, содержащим 50 мас.% меди, главным образом предназначен для сухого шлифования. Алмаз с серебряным покрытием, содержащим 50 мас.% серебра, недавно был разработан для шлифования твёрдых сплавов с охлаждением чистым маслом [50,51]. Как и у некоторых марок с никелевым покрытием, образование шиповатого серебряного покрытия повышает удержание в связке. Также было установлено, что оно уменьшает трение между инструментом и заготовкой [51]. Повышая теплопроводность рабочего обода шлифовального круга, и серебро, и медь эффективно улучшают теплоотвод, тем самым уменьшая тяжесть теплового импульса для в целом чувствительных к температуре полимерных связок [45,51].

Алмазный инструмент на полимерной связке обеспечивает экономичное шлифование там, где критичны узкие допуски размеров и хорошее качество поверхности. По этой причине он нашёл применение при шлифовании твёрдых сплавов [37,52], оксидной и неоксидной керамики [53,54], стекла [54], а также при тонком шлифовании и полировании природного камня [55].

Рисунок 1.6 Инструмент на полимерной связке. (Предоставлено EHWA Diamond Ind. Co., Ltd.)

1.2.3.4 Инструмент на металлической связке

По объёму производства инструмент на металлической связке составляет приблизительно две трети всего рынка алмазного инструмента со связанным зерном [43]. В металлургическом смысле термин «металлическая связка» следует применять к гальваническим продуктам, а не к алмазным композитам с металлической матрицей, которые, в конце концов, чаще всего фигурируют в разговорном техническом языке как инструмент «на металлической связке» или «спечённый». Как показывает последний синоним, отличительная особенность того, что для целей этой книги классифицировано как «алмазный инструмент на металлической связке» (рис. 1.7), состоит в применении различных методов порошковой металлургии (PM) при изготовлении алмазно-импрегнированного рабочего слоя.

Различные порошково-металлургические способы изготовления, а также наиболее важные вопросы применения алмазного инструмента на металлической связке подробно рассматриваются в следующих главах этой книги.

Рисунок 1.7 Инструмент на металлической связке и алмазно-импрегнированные компоненты инструмента.

1.2.4 Поликристаллический алмаз (PCD)

С начала 1970-х годов PCD утвердился как высокопроизводительная и экономически эффективная альтернатива обычному инструменту в самых сложных промышленных применениях, таких как высокотемпературное волочение проволоки [34], обработка композитов с металлической матрицей [56], армированных волокнами пластмасс, сплавов с высоким содержанием SiAl [18] и абразивных древесных композитов [57], бурение различных горных пород [58] и т. д.

PCD производят совместным уплотнением точно классифицированного по размеру высококачественного алмазного порошка в присутствии металлической или неметаллической связующей фазы при температурах от 1200 до 1600°C и высоких давлениях порядка 6 ГПа [59]. Когда кобальт применяется как металл-растворитель/катализатор, он способствует превращению графита, образовавшегося на открытых поверхностях зёрен, в алмаз посредством процесса растворения–переосаждения в условиях термодинамической стабильности алмаза. Это приводит к значительной степени взаимного срастания случайно ориентированных алмазных зёрен [59]. Конечный размер зерна зависит от среднего размера зёрен исходного алмазного порошка, который у коммерчески доступных марок изменяется от 2 до 50 мкм [59,60]. Как и следовало ожидать, мелкозернистые марки PCD более вязкие и позволяют получить лучшее качество поверхности, тогда как крупнозернистые марки более износостойки.

Присутствие приблизительно 8 об.% кобальта в коммерческих марках PCD ухудшает механические свойства материала после продолжительного воздействия температуры свыше 700°C. Этому есть две причины. Во-первых, присутствие кобальта способствует графитизации алмаза, а во-вторых, большая разница коэффициентов теплового расширения алмаза и кобальта приводит к высоким внутренним напряжениям при повышенной температуре [34,61].

Чтобы придать материалу лучшую термостабильность, необходимо либо вытравить остаточный кобальт из PCD-композита, либо заменить металлическую фазу подходящим неметаллическим связующим [62,63]. Когда вместо кобальта применяется кремний, реакцией между кремнием и алмазом создаётся каталитически неактивная связка SiC. Поскольку коэффициент теплового расширения SiC очень близок к коэффициенту алмаза, марки PCD, содержащие SiC, обычно приблизительно 19 об.% [59], могут выдерживать обработку при температурах до 1200°C в инертной или восстановительной атмосфере [59,62].

1.2.4.1 Волоки

Меньшие заготовки PCD-волок производят как свободно стоящие цилиндры или шестигранники, тогда как более крупные цилиндрические заготовки соединяют с опорным кольцом из карбида вольфрама [34,60]. Изготовление волоки по существу такое же, как для монокристаллических волок, с дополнительной возможностью прошивать заготовку волоки электроэрозионной обработкой (EDM), если масса PCD содержит достаточное количество кобальта, чтобы стать электропроводной [26,64].

В настоящее время PCD-волоки изготавливают либо в марках, содержащих кобальт, либо в термостабильных марках [60,64]. Оба продукта идеально подходят для экономичного производства проволоки на многониточных машинах, где решающее значение имеют высокая скорость волочения, срок службы волоки и качество продукта. В отличие от монокристаллов PCD-волоки доступны в полном диапазоне размеров, поэтому их можно применять для волочения проволоки от диаметра 20 мм до микронных размеров [64] (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 PCD-волоки. (Предоставлено Sanxin Wire Die, Inc.)

1.2.4.2 Заготовки на твердосплавной подложке

PCD-инструмент для точения, развёртывания, растачивания, пиления и фрезерования производится исключительно в виде заготовок на твердосплавной подложке [65,66]. Для бурения горных пород заготовки PCD на твердосплавной подложке применяются в дополнение к термостабильному материалу без подложки [67,68]. Слой PCD неразъёмно соединяется с подложкой из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама при сверхвысоком давлении и высокой температуре в присутствии кобальта.

Коммерческие продукты доступны в виде дисков диаметром до 74 мм либо в различных формах и размерах, пригодных для непосредственного оснащения режущего инструмента. Отдельные инструментальные вставки изготавливают из PCD-дисков резкой проволочной EDM [69] или лазером [70] и шлифованием кромки механическим способом либо электроэрозией (вращательной EDM) [69]. Затем эти вставки припаивают индукционным нагревом или механически зажимают на требуемом корпусе инструмента (рис. 1.9).

Рисунок 1.9 Подборка режущего PCD-инструмента и полуфабрикатов.

1.2.4.3 Термостабильные PCD-долотья (TSP)

С появлением термостабильного PCD в начале 1980-х годов [62] стало возможно производить TSP-долотья и гибридные TSP-долотья (рис. 1.10) методами порошковой металлургии. Эти продукты широко применяются в горнодобывающем и геологоразведочном бурении как дополнение к другим типам бурового инструмента, таким как импрегнированные алмазные коронки, коронки с поверхностно закреплёнными алмазами, PCD-коронки на твердосплавной подложке, а также обычные коронки со вставками из твёрдого сплава [71].

Рисунок 1.10 Гибридные колонковые коронки. (Предоставлено Asahi Diamond.)

Подробное описание порошково-металлургического изготовления TSP-долотьев методом инфильтрации приведено в главе 4.

1.2.5 CVD-алмаз

Альтернативный путь синтеза алмаза основан на различных методах химического осаждения из паровой фазы (CVD), состоящих в осаждении метастабильной поликристаллической алмазной плёнки из газовой фазы на подходящую подложку, поддерживаемую при температуре от 700 до 1000°C [17,18,72]. В общем случае смесь газа-носителя углерода, обычно 1% метана, и водорода вводят в CVD-реактор, где газы разлагаются при давлении ниже атмосферного с использованием различных источников энергии, таких как электрическая дуга, горячая нить, микроволны, пламя горения и т. д. Применение водорода облегчает удаление неалмазных отложений, тогда как алмазной плёнке позволяют зарождаться на подложке и расти. Поскольку при синтезе не применяются металлические катализаторы, CVD-алмаз свободен от металлических включений и потому термостабилен.

1.2.5.1 Свободно стоящие пластины

Недавние достижения методов CVD-осаждения алмаза сделали возможными изготовление и коммерциализацию свободно стоящих алмазных пластин толщиной приблизительно до 1,2 мм. Эти пластины вырезают лазером или EDM по размеру и форме, требуемым конкретным применением. Однако последний метод может применяться исключительно для марок CVD-алмаза, легированных бором и обладающих электропроводностью [73]. До настоящего времени толстоплёночный CVD-алмаз применялся главным образом как дополнение к некоторым PCD-продуктам, таким как бруски для правящих инструментов [74,75], токарные вставки [76] и хирургические лезвия [74].

1.2.5.2 Инструмент с покрытием

До сих пор свёрла и токарные вставки с CVD-алмазным покрытием не достигли значительного прогресса в промышленном применении главным образом из-за проблемной подготовки режущей кромки и лёгкости отслаивания алмазного слоя [18]. Для преодоления последнего ограничения в качестве наиболее подходящих материалов подложки применялись специальные марки SiC [20], Si3N4 и твёрдый сплав с предварительным покрытием TiC/TiN [77]. Алмазное покрытие обычно имеет толщину 20–30 мкм и покрывает лишь небольшую рабочую часть инструмента [20].

Инструмент с CVD-алмазным покрытием, по-видимому, имеет большой потенциал для промышленного использования, особенно при обработке графита, композитов с металлической матрицей и сплавов SiAl [17]. Однако необходимы дальнейшие технологические улучшения для повышения его качества и снижения стоимости изготовления, которая всё ещё слишком высока, особенно по сравнению с PCD [18].