CZ2000613A3 - Způsob výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku a kompozit vyrobený tímto způsobem - Google Patents

Description

(72) Původce:

Gordeev Sergey Konstantinovitch, St. Petersburg, RU; Zhukov Sergey Germanovitch, St. Petersburg, RU; Danchukova Lija Vladimirovna, St. Petersburg, RU; Ekstrom Tommy, Stockholm, SE;

(74) Zástupce:

PATENTSERVIS PRAHA a.s., Jivenská 1, Praha 4, 14000;_ (54) Název přihlášky vynálezu:

Způsob výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku a kompozit vyrobený tímto způsobem (57) Anotace:

CZ 2000 -613 A3

Způsob výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku s diamantových částic, zahrnuje kroky vytvoření tvarovky, dále se tvarovka ohřeje a teplota ohřevu a doby ohřevu se řídí tak, aby se grafitizací diamantových částic vytvořilo určité žádoucí množství grafitu, čímž se vytvoří polotovar a dojde k infiltrování křemíku do polotovaru, přičemž je znám rovněž kompozit z diamantu, karbid křemíku a křemík vyrobený tímto způsobem.

σ -473 • « · • · ·

9 9

Způsob výroby kompozitu z diamantu, a kompozit vyrobený tímto způsobem karbidu křemíku a křemíku

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku a kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku vyrobeného tímto způsobem.

Dosavadní stav techniky

Existuje obecná potřeba extrémně tvrdých (supertvrdých, >40 GPa) materiálů pro řadu aplikačních oblastí. K těmto aplikacím patří nástroje pro operace řezání, soustružení, frézování, vrtání, řezání pilou nebo broušení atd. Tvrdé materiály se dají také použít pro zvýšení jejich odolnosti vůči opotřebení, abrazi a erozi, pokud se používají jako ložiska, ucpávky, trysky nebo v podobných případech. Materiály mohou být ve styku nebo pracovat na litině, oceli, neželezných kovech, dřevě, papíru, polymerech, betonu, kameni, mramoru, zemině, tvrdokovu a brusných kotoučích z oxidu hlinitého, karbidu křemíku, diamantu nebo krychlového nitridu bóru atd. Protože je to nej tvrdší známý materiál, je mono- nebo polykrystalický diamant vhodný pro tyto účely. Jiné běžné materiály, používané kvůli svojí tvrdosti jsou například kubický nitrid bóru (CBN), karbid bóru a jiné keramické materiály a tvrdokovy, ale jenom diamat nebo materiály obsahující CBN se mohou dostat do skupiny supertvrdých technických materiálů.

Polykrystalická tělesa s diamantovými částicemi, vázanými v matrici zahrnující kovové a nebo keramické fáze vyrobené • ······ ·· ·· ··· ·· · ·«·· • · · · · · · · · · • ···· ·· · · · · · · · • · ···· · · · · • ··· · ·· · · ·· ·· spékáním diamantových částic v přítomnosti takovýchto materiálů jsou známa. Kvůli nestabilitě diamantu a jeho tendenci grafitizovat se provádí tepelná úprava v podmínkách stability diamantu při 1300 až 1600 °C ve vysokotlakých komorách s tlaky 30 000 až 60 000 atm (HP/HT).

Nevýhodou tohoto procesu je, že se vyrábějí tělesa, která mají jen relativně malou velikost. Navíc je výrobní technologie poměrně složitá a vyžaduje speciální zařízení.

Několik patentů odhaluje postupy na výrobu materiálů obsahujících diamanty, karbid křemíku a křemík bez použití vysokého tlaku a vysoké teploty. Existuje řada variací tohoto procesu, hlavně co se týče použití různých uhlíkatých materiálů (jak se budou dále nazývat všechny druhy nediamantových uhlíkatých materiálů, jako jsou saze, uhlíková vlákna, koks, grafit, pyrolytický uhlík atd.). V principu se postupuje podle následujících kroků:

A. Diamantové částice pokryté uhlíkem nebo nepokryté diamantové částice a uhlíkaté materiály se používají jako materiály působící jako prekurzory.

Používají se normální diamanty pokryté uhlíkem. V příkladech z patentu USA 4 220 455 se začíná s přidáváním tenké vrstvy (500 až 1000 Angstromů) uhlíku na diamantech pyrolytickou reakcí. Pyrolýza se provádí ve vakuu po dobu několika minut přívodem zemního plynu nebo metanu do pece s diamantovými částicemi při 1200 °C. Někdy se používají diamanty bez pyrolytické uhlíkové vrstvy, jako je tomu v patentu USA 4 381 271, EPO 0 043 541, EPO 0 056 596 a JP 6-199571A. Jak diamanty pokryté vrstvou uhlíku, tak i diamanty touto vrstvou nepokryté, se smíchají s uhlíkatými materiály jako hlavním zdrojem ·· ···· • · · ·· · · · · · ··· ·· · · · · ·

3· ···· · · · ··· · · · — · · ···· · · · · ···· · · · · · ·· ·· uhlíku, např. sazemi, krátkými uhlíkovými vlákny nebo látkou a pojivém atd. před vytvořením nevypálených těles.

B. Vytváření nevypálených těles ze směsi diamantových částic a uhlíkového materiálu se připravuje ve formě, někdy za použití mírného tlaku. Vytvořená nevypálená tělesa obsahují navíc rozpouštědla a dočasná nebo trvalá pojivá organických materiálů k usnadnění tváření a zvyšování pevnosti nevypáleného tělesa.

C. Tvarovky se vyrábějí tepelným zpracováním nevypálených těles. Některá pojivá se odpaří, aniž zanechají zbytek, např. parafin. Jiná pojivá se vytvrdí a zanechají v tvarovce uhlíkatý zbytek, např. různé pryskyřice, jako jsou fenol-formaldehydové a epoxidové pryskyřice.

D. Provádí se infiltrace porézních tvarovek roztaveným křemíkem, aby se vytvořil karbid křemíku reakcí mezi uhlíkem a křemíkem. Vytvořený karbid křemíku vyplní póry spolu s určitým množstvím zbytkového křemíku. Tepelná úprava se provádí takovým způsobem, aby se minimalizovala grafitizace diamantu, která se považuje za škodlivou. V příkladech v patentu USA 4 220 455 se provádí infiltrace křemíku ve vakuu když je těleso ve formě za teploty v rozmezí od 1400 °C do 1550 °C a po dobu 15 minut, přičemž během této doby se reakce mezi křemíkem a uhlíkem dokončí. Patent USA 4 242 106 používá během infiltrace křemíku vakuum v rozmezí 0,01 až 2,0 torrů. Požadovaná doba, závisející z velké části na velikosti tělesa, se stanovuje empiricky a trvá asi 15 až 20 minut při teplotě nad 1400 °C nebo 10 minut při 1500 °C. Patent

USA 4 381 271 používá uhlíková vlákna, která napomáhají infiltraci tekutého křemíku kapilárním účinkem. U většiny

0 0 · · · • •0 00 0 · · · ·

0 0 · 0 0 0 0 0 0·0 · 0 0 — 0 0 · 0 0 · · · · · · 0 · · 00 ·· · · ·0 patentů se tato infiltrace provádí ve formě. U některých dřívějších patentů se infiltrace provádí mimo formu, jako je tomu v patentu EPO 0 043 541.

Způsoby, u kterých jsou diamanty pokryté či nepokryté uhlíkem míšeny s uhlíkatými materiály mohou mít nevýhody, např. obtíže při přípravě homogenních směsí těchto materiálů, obtíže při infiltraci křemíku způsobené velmi malými póry a je třeba speciální zařízení na přípravu homogenních směsí.

V patentu RU 2 064 399 se popisuje přidávání uhlíku pyrolýzou, které se provádí teprve po vytvarování a výrobě tvarovky. Předem vytvarovaná tvarovka z diamantových částic nebo směsi diamantových částic a zrn karbidu jako plniva, například karbidu křemíku a titanu, se vyrábí s vodou nebo etylalkoholem jako dočasným pojivém. Pojivo se vypaří a tvarovka se umístí do reaktoru, kde se na všech zrnech tělesa po dobu 10 h při 950 °C ukládá pyrolytický uhlík pomocí pyrolytické reakce z plynné fáze, např. metanu. Poté následuje infiltrace křemíkem.

Nevýhodami tohoto procesu je použití velkého množství uhlovodíkového plynu a že je doba procesu poměrně dlouhá. Pokud se karbidová zrna používají jako plniva, objevují se stejné problémy s homogenizací, jak to bylo uvedeno výše.

Pokud jsou upravovány teplem na vzduchu, začínají diamanty grafitizovat a oxidovat při teplotách asi 700 °C. Rychlost procesu degradace diamantu ovlivňuje tlak, teplota, zdržná doba, typ diamantových částic, velikost a kvalita, nečistoty v diamantu a vliv ovzduší. Je-li například přítomen kobalt, může katalyzovat reakci tak, že probíhá již při asi 500 °C. Aby se zabránilo této degradaci, lze ohřev provádět ve vakuu nebo v inertním plynu. Za vysokého vakua a ve vysoce kvalitním • 0 · 00 0 • •0 00 · · · · · • 00 00 0 · · · ·

50000000 0 · · · ·· · — 0 0 · · · · 000·

0·0· 0 00 ·0 ·· · · plynném vodíku zůstává diamant stabilní po dlouhou dobu až do asi 1700 °C až 2000 °C. Žádná z výše popsaných metod nepoužívá úmyslně grafitizaci. naopak se grafitizace považuje za škodlivou a nežádoucí.

V patentu RU 2 036 779 se vytvaruje tvarovka z diamantového prášku popřípadě s vodou nebo etylalkoholem. Tvarovka se umístí do pece a impregnuje se kapalným křemíkem při teplotě 1420 °C až 1700 °C v argonu nebo vakuu. Během procesu je povrch diamantových zrn grafitizován jen minimálně, takže větší část diamantu je stále nezměněna. Toto malé množství grafitu reaguje ve styku s infiltrovaným křemíkem a vytváří tenkou vrstvu karbidu křemíku, která během používaného procesu potlačuje každou další změnu diamantu na grafit. Nevýhodou tohoto procesu je špatná kontrola a že neexistuje žádná metoda jak řídit množství vyrobeného SiC, zbytkový křemík nebo zbývající poréznost v kompozitu.

U předchozích patentů neexistuje návod jak dobře řídit přidávání uhlíkatých materiálů a krok záměrné grafitizace při výrobě materiálů s požadovaným množstvím diamantu, karbidu křemíku a křemíku s nízkou porézností a bez grafitu.

Existují určité metody jak zlepšit diamantové kompozitní materiály vyrobené výše uvedenými metodami. Jedna z nich je uspořádat diamantové částice jako postupné struktury co do koncentrace a velikosti v materiálu. Tímto uspořádáním diamantů budou ovlivňovány některé vlastnosti a tudíž také pole aplikací kompozitu.

Jedna z metod výroby materiálu, u které jsou diamanty uspořádány podle velikosti, se popisuje v patentu EPO 0 196 777. Tento materiál se vyrábí sintrováním při vysokém tlaku a vysoké teplotě v oblasti kdy je diamant >9 9 99 9999 99 «9

999 99 9 9999

999 ·· · 9999

9999999 9 999 99 9

9 9999 9999

9999 9 99 99 99 ·9

- 6 stabilní. Velikost zrn a nebo hustota zahuštění se mění ve vrstvách mezi předním povrchem a zadním povrchem tak, aby tyto části měly odlišnou odolnost vůči opotřebení. Tvrdost nebo odolnost vůči opotřebení u různých částí materiálu je určena změnou velikosti částic diamantu nebo změnou v přídavku ostatních méně tvrdých materiálů k diamantovým částicím. Velikosti diamantu jsou menší než 10 pm na předním povrchu a jsou v rozsahu mezi 75 a 500 pm na zadním povrchu.

Nevýhodou této metody je, že protože používá vysoký tlak a vysokou teplotu, výroba materiálu je dražší a vyžaduje speciální zařízení a existují zde omezení velikosti. Existuje také řada patentů používajících různá množství diamantů v různých částech tělesa z kompozitu. Následující patenty, USA 4 242 106, USA 4 247 304, USA 4 453 951, EPO 0 043 541, EPO 0 056 596 a několik dalších popisuje výrobu vrstvených struktur z konečného materiálu s vrstvou z diamantového kompozitu ve styku s podpůrným substrátem z karbidu křemíku nebo karbidu křemíku s křemíkem. Patent USA 4 698 070 popisuje výrobu kompozitu s částí obsahující diamant a částí tvořící jádro, které jsou spolu spojeny matricí karbidu křemíku a silikonu. Mohou se ale vyskytovat i další vrstvy částic mající jinou koncentrací než jsou výše uvedené. Tyto vrstvy jsou umístěny v různých konfiguracích, například v rozích, na vrcholu, v jádru atd.

Obecně je nevýhodou těchto vrstvených materiálů s různou velikostí částic nebo koncentrací, že zde mohou existovat rozdíly ve fyzikálně mechanických vlastnostech ve vrstvách obsahujících diamant a v podpůrných vrstvách. Rozdíly v koeficientu tepelné expanze a v modulu E například mohou způsobit nežádoucí stresové situace na rozhraní a tím oslabit kompozit, který je namáhán. Diamanty mají relativně nízkou pevnost v tahu a nízkou houževnatost a výrazný rozdíl v obsahu ·· · »» · ··· • · · ·· · · · · · _ 7 — · ···· ·· · ··· ·· · • · · ········ • ·· · · ·· · · ·· · · diamantů v různých částech spojených rozhraním může také ovlivňovat odolnost kompozitu vůči lomu. Žádná z metod popsaných dříve nevede k tělesům s výše popsanou distribucí diamantových částic různé velikosti v objemu materiálu s jednotně se měnícími vlastnostmi

U obou patentů, RU 2 036 779 a RU 2 064 399, má vyrobený materiál diamantové částice jenom jedné velikosti, která významně snižuje abrazivní vlastnosti.

Kompozity vyrobené podle patentu USA 4 220 455 se skládají ze směsi diamantových částic různé velikosti. Tato směs se používá v celém kompozitu, tj. kompozit nemá vrstvené struktury. Konkrétní používaná velikost nebo velikosti se volí v závislosti požadovaném balení částic a výsledném tělesu. Pro nejabrazivnější aplikace se upřednostňují částice ne větší než asi 60 pm. K maximalizaci zhutnění částic by částice měly mít s výhodou různou velikost v určitém rozsahu, tj. malé střední a veliké částice. Částice s různou velikostí jsou s výhodou v rozsahu od asi lpm do asi 60pm. Existuje též několik patentů, USA 4 231 195, USA 4 353 953, u kterých se míchají diamanty o různé velikosti, aby se ovlivnila hustota zhutnění.

Základním cílem tohoto vynálezu je super tvrdý kompozit z diamantů, karbidu křemíku a křemíku, které mají vynikající vlastnosti a způsob jeho výroby. Způsob by měl být snadno proveditelný, rychlý a nákladově účinný a nabízet možnosti k ovládání několika vlastností a nákladů na konečný materiál.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu se dosahuje způsobem výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku z diamantových částic, který zahrnuje kroky vytváření tvarovky, ohřevu tvarovky a

4494

4 4

4 4

4 4

4 4 4

44

4*4 4 4

4 4 4 • 4 4 4

4 4 4

4 4 4 regulaci teploty ohřevu a doby ohřevu tak, že se vytvoří určité požadované množství grafitu grafitizací diamantových částic, čímž se vytvoří polotovar tělesa a infiltraci křemíku do tohoto částečně zpracovaného tělesa.

U zvláště výhodného provedení je množství grafitu vytvořeného grafitizací 1 až 50 hm. %, s výhodou 6 až 30 hm. % vztaženo na množství diamantu a teplota ohřevu během grafitizace je nižší než 1700 °C. Teplota ohřevu a doba ohřevu potřebná pro grafitizací se stanoví pokusně pro používané ohřívací zařízení. Tvarovka je vytvořena s porézností 25 až 60 obj. %.

U dalšího provedení se určité množství uhlíku uloží v tvarovce tím, že se tato vystaví plynnému uhlovodíku nebo plynným uhlovodíkům při teplotě překračující teplotu rozkladu pro uhlovodík nebo uhlovodíky a nejméně část grafitizace diamantových krystalů se provádí před vystavením tvarovky plynnému uhlovodíku nebo plynným uhlovodíkům při teplotě překračující teplotu rozkladu pro uhlovodík nebo uhlovodíky. Polotovar tělesa se dá obrobit na požadovaný tvar a velikost konečného tělesa před krokem infiltrace kapalným křemíkem.

U další varianty se polotovar tělesa ohřeje v přítomnosti par křemíku a potom se obrobí do požadovaného tvaru a velikosti konečného tělesa před krokem infiltrace kapalného křemíku.

Tvarovka je vytvarována s nestejnoměrnou distribucí diamantových částic s různými velikostmi a parametry. Diamantové částice v tvarovce mohou být distribuovány s postupně se snižujícími velikostmi od povrchu tvarovky směrem k jeho středu. Tvarovka může být variantně vytvořen z homogenní směsi diamantových krystalů různých velikostí a eventuelně s přídavkem pojivá.

ΦΦ ·

ΦΦΦ « · • · · · · • φφφφ φ · φ • ΦΦΦ φφφφ φ φφ φφ ··*>

φφ φφ • φ · * φ • φφφφ • Φ Φ Φ 9 Φ • ΦΦΦ· • Φ <Φ *Φ

U ještě další varianty jsou dva a nebo více tvarovek vyrobeno odděleně a poté jsou spojovány před tepelnou úpravou a infiltrací.

Vytvoření tvarovky se dá provést ve formě, tepelné zpracování a infiltrace křemíku se provádí poté, co byla tvarovka vyjmuta z formy.

Vynález se také týká tělesa ve kterém jsou diamantové částice vázány k matici karbidu křemíku, přičemž toto těleso zahrnuje nejméně 20 obj. % diamantových částic, nejméně 5 obj. % karbidu křemíku, s výhodou více než 15 obj . % karbidu křemíku a křemík, přičemž Youngův modul pružnosti překračuje 450 GPa.

U jednoho provedení zahrnuje uvedené těleso nejméně 29 obj. % diamantových částic, nejméně 14 obj. % karbidu křemíku a křemík, přičemž Youngův modul pružnosti překračuje 540 GPa.

U upřednostňovaného provedení uvedené těleso zahrnuje nejméně 46 obj. % diamantových částic majících velikosti nejvýše asi 30 pm a Youngův modul pružnosti překračující 560 GPa.

U jiného upřednostňovaného provedení uvedené těleso zahrnuje nejméně 54 obj. % diamantových částic, přičemž nejméně 60 obj. % diamantových částic má velikosti nejméně 50 pm a Youngův modul pružnosti překračující 650 GPa.

U všech těchto provedení si těleso udržuje svůj tvar a svůj Youngův modul pružnosti až do teploty nejméně 1500 °C.

U jedné varianty jsou diamantové částice o velikostech asi 10 pm nebo méně uloženy a obklopeny v matrici, přičemž mikrotvrdost matrice podle Vickerse měřená v oblasti mezi diamantovými částicemi, je větší než 30 GPa pro zatížení • · ·

N, mikrotvrdost podle Knoopa matrice je větší než 36 GPa pro zatížení 20 N.

U jiné varianty mají diamantové částice nejvýše jednu frakci velikosti částic, které jsou větší než 50 pm a druhou frakci velikosti částic nejvýše 50 pm, přičemž poměr hmotností je v rozsahu od 0,25 do 2,5 a střední velikost částic je větší než 10 pm, s výhodou větší než 20 pm.

U ještě další varianty mají diamanty jednu frakci, kterou tvoří veliké diamantové částice a druhou frakci tvoří malé diamantové částice, přičemž hmotnostní poměr spadá do rozsahu 0,25 až 2,5 a střední velikost částic je větší než 10 pm, s výhodou větší než 20 pm.

U dalšího provedení mají diamantové částice jednu velikostní frakci s velkými diamantovými částicemi a jednu velikostní frakci s malými diamantovými částicemi, přičemž rychlost abraze je menší než 26 pm³/m, s výhodou menší než 10 pm³/m.

U dalšího provedení mají diamantové částice jednu velikostní frakci z velkých diamantových částic a jednu velikostní frakci z malých diamantových částic, přičemž rychlost eroze je menší než 0,34 mg/g, s výhodou menší než 0,25 mg/g.

U dalšího provedení mají diamantové než 20 pm, přičemž rychlost abraze s výhodou menší než 10 pm³/m.

částice velikosti menší je menší než 26 pm³/m,

U dalšího provedení mají diamantové částice velikosti menší než 20 pm, přičemž rychlost eroze je menší než 0,34 mg/g, s výhodou menší než 0,25 mg/g.

U varianty provedení je těleso duté.

• · • · ··· ·· · · · · · ··· ·· · · · · · i i · ···· ·· · ··· ·· ·

- li - · · ········ ···· · ·· · · ·· · ·

U dalšího provedení je povrch tělesa pokryt diamantovým filmem.

U ještě dalšího provedení těleso zahrnuje veliké diamantové částice o velikosti větší než 20 pm, přičemž matrice zahrnuje 0-50 obj. % malých diamantových částic majících velikosti menší než 20 pm, 20 až 99 obj. % karbidu křemíku a 1 až 30 obj. % křemíku, přičemž tvrdost matrice je 20 až 63 GPa.

U první varianty je tvrdost matrice 20 až 30 GPa.

U druhé varianty je tvrdost matrice 50 až 63 GPa.

U třetí varianty je tvrdost matrice 30 až 50 GPa.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude nyní blíže osvětlen pomocí přiložených výkresů, na kterých obr. 1 znázorňuje upřednostňované kroky způsobu podle vynálezu formou technologického schématu, obr. 2 znázorňuje stupeň grafitizace oproti době grafitizace při konkrétní teplotě, obr. 3a ukazuje vztah mezi množstvím uhlíku (a a γ) vloženého do tělesa při různé počáteční poréznosti So, která vyhovuje podmínkám <p_Si>0 u konečného tělesa, obr. 3b a 3c ukazují vztah mezi složením konečného tělesa a stupněm grafitizace diamantu v tělesu při počáteční poréznosti tvarovky ε_ο=Ο,3 a ε_ο=Ο,5, obr. 4a až 4c ukazují výsledky rentgenové difrakční analýzy tvarovky, polotovaru a finálního tělesa, obr. 5 ukazuje změnu v poréznosti tvarovky během grafitizace při různé počáteční poréznosti tvarovky a • · • ······ ·· ·· ·· ·· · · · · · ··· · · · · · · ♦ «······ · ··· ·· · • ···· · · · · ·· · · · · * ·· · · obr. 6a a obr. 6b ukazují mikrofotografie abradovaných povrchů dvou různých vzorků, pořízené skanovacím elektronovým mikroskopem.

Příklady provedení vynálezu

Základním cílem tohoto vynálezu kompozity z diamantů, karbidu křemíku a křemíku, mající vynikající vlastnosti a jednoduchý způsob jejich výroby, který je rychlý, úsporný z hlediska nákladů a dá se regulovat. Vynález zahrnuje několik principů:

- proces používá úmyslně grafitizaci diamantu namísto toho, aby se jí vyhýbal, změny gradientů nebo parametrů různého druhu se používají jak pro kontrolu finálních vlastností výrobku, tak i výrobních nákladů,

- použití předběžného vyformování síťových metod v kombinaci se zpevňováním polotovaru tělesa tak, aby to umožňovalo komplikované výsledné tvary tělesa a aby se zabránilo drahým a obtížným obráběcím operacím na tělesu po infiltraci,

- výrobu velkých těles velkého množství výrobků za nízkých nákladů.

U procesu podle tohoto vynálezu se dají použít diamanty jakékoliv velikosti. Diamanty submikronové velikosti se rozumí diamantové částice menší než 1 pm a malými diamanty diamantové částice menší než 20 pm a výhodněji menší než 10 pm. Diamanty větší velikosti, > 20 pm, se používají u několika aplikací. U vysoké mechanické pevnosti, zejména u technických komponent, bude velikost použitých diamantových částic s výhodou menší než 20 pm. Velmi veliké diamanty, s velikostmi většími než 60 pm, se používají pro svoji abrazivní schopnost, často v kombinaci s malými diamanty.

Φ Φ φ Φ

- 13 ΦΦΦΦ • ······ ·· φ φ • · · · · ♦ · · • · · · φ · · · · φ φ φ φ φ φ φ φφφ φφ · φ φφφφ φφφφ φ φφ φφ φφ φφ

Způsob a záměrné použití grafitizace diamantů, popřípadě v kombinaci s použitím pyrolytického uhlíku:

Materiál podle tohoto vynálezu, kterým jsou kompozity z diamantu, karbidu křemíku a křemíku se získávají pomocí způsobu, který používá grafitizaci diamantů, popřípadě kombinovanou s pyrolytickým ukládáním uhlíku. Znamená to, že vynález používá účinně, plánovaně a řízené grafitizaci diamantů, tj. částečnou transformaci diamantů na grafit.

Obr. 1 opisuje upřednostňované kroky způsobu ve formě technologického schématu. Různé kroky způsobu podle tohoto vynálezu jsou popsány níže:

Vytvarování nevpáleného tělesa se provádí ze směsi diamantových částic různé velikosti spolu s malým množstvím dočasného nebo trvalého pojivá (až do 5 hm. %) nebo bez použití pojivá. Vytvarování se provádí s použitím existujících postupů, například lisováním, odléváním kaše nebo licí břečky, vstřikováním do formy atd. V případě kdy se pro tváření používá forma se nevypálené těleso vyjímá z formy.

Výroba tvarovky se provádí odpařením nebo tvrdnutím a rozkladem přítomných činidel v roztoku a nebo pojiv v nevypáleném tělesu. Je-li nevypálené těleso vyráběno bez pojiv, považuje se za tvarovku. K zabezpečení stejnoměrné a řiditelné grafitizace v celém objemu tvarovky není žádoucí mít v něm nečistoty z pojivá. Tyto nečistoty mohou katalyzovat nebo inhibovat grafitizační proces. Je zřejmé, že příčina, proč není v tvarovce méně diamantů než 95 hm. % je v tom, že přesné řízení množství uhlíku, které bude přítomno a kde je možné jenom u tělesa bez plniv a jiných přídavných materiálů.

• · • · ·

Tepelná úprava tvarovky pro získání polotovaru: Tvarovka s obsahem diamantů 95 až 100 hm. % celkové hmotnosti je upraven teplem tak, aby se získal polotovar použitím řízené grafitizace diamantů nebo kombinace řízené grafitizace diamantu a ukládání pyrolytického uhlíku, přičemž se zde hovoří o pyrouhlíku. V kombinaci se dává přednost použití grafitizace před ukládáním pyrouhlíku.

Grafitizace k získávání polotovaru: Během grafitizace se tvarovka (nebo polotovar s uloženým pyrouhlíkem) upraví teplem ve vakuu nebo v řízené atmosféře, s výhodu v inertním plynu při 1000 °C až 1900 °C, s výhodu při 1200 °C až 1700 °C. Grafitizace je zanedbatelná při teplotách nižších než 1000 °C. Při teplotách vyšších než 1900 °C je rychlost grafitizace tak vysoká, že může být obtížné řídit ji s požadovanou přesností při použití diamantů s nízkou kvalitou. Vakuum je s výhodou nižší než 1 mm Hg. Jako inertní plyn se dá použít dusík, argon, vodík nebo helium, čímž se zabezpečí nepřítomnost kyslíku v systému. Tlak inertního plynu není tak důležitý a je zvolen podle použitelnosti procesu, např. 760 mm Hg.

Pyrolytické ukládání uhlíku do grafitizovaného polotovaru:

Během pyrolytického ukládání uhlíku do grafitizovaného polotovaru (nebo na tvarovku) se těleso vystaví plynu z uhlovodíku nebo uhlovodíků při teplotě, která překračuje teplotu rozkladu pro daný plyn nebo plyny, například zemní plyn při T = 750 °C až 950 °C nebo plyn obsahující acetylen, metan, etan, propan, pentan, hexan, benzen a jejich deriváty při T = 510 °C až 1200 °C. Ukládání pyrouhlíku zpevňuje polotovar a umožňuje jeho obrábění.

Před-infiltrace polotovaru se může provádět aby se zvýšila pevnost a umožnilo obrábění polotovaru jako alternativa k ukládání pyrouhlíku. Částečné před-infiltrace se dosáhne

9 9 9 • ·

9 9 9 · · · · · ·

9 9 · · · 9 9 9 · c · ···· ·· · ·»· ·· · x · · ········ • 999 9 «9 99 99 99 například ohřevem polotovaru v přítomnosti par křemíku nebo procesem chemického ukládání par (proces CVD, tj. Chemical Vapour Deposition) s použitím organických silanů, jako je skupina metylchlorsilanů. Pevnost takového tělesa se dá řídit množstvím křemíku, které se nechá reagovat s grafitem.

Infiltrace křemíku do polotovaru nebo předinfiltrovaného tělesa se provádí dobře známými metodami. Infiltrace se dá s výhodou provádět mimo formu, například tavením pevného křemíku nebo sycením vnějšího povrchu polotovaru nebo předinfiltrovaného tělesa kapalným křemíkem s použitím metod infiltrace s rozdílem vakua nebo namáčením polotovaru nebo před-infiltrovaného tělesa do kapalného křemíku. Existuje též možnost nanášet křemík částečně nebo zcela pomocí infiltrace par křemíku nebo chemickými metodami, například použitím metod podobných metodě sol-gel, chemickému ukládání par atd., po kterých následuje vysokoteplotní reakce.

Během infiltrace dochází k chemické reakci nediamantového uhlíku a křemíku, což vede k vytváření karbidu křemíku, který spolu s eventuelním volným křemíkem vytváří matrici vytvořeného tělesa. Finální těleso je výrobek z eventuální další úpravy infiltrovaného tělesa, mechanické nebo jiné.

Specifika tvorby uhlíku: Nediamantový uhlík v tělesu se tedy dá dosáhnout následujícími různými cestami:

1. Grafitizací tepelnou úpravou diamantových částic v tvarovce tak, aby se povrchová vrstva převedla z diamantu na grafit.

2. Je-li potřeba vyztužené těleso pro účely obrábění, uložení pyrolytického uhlíku do tělesa je užitečné. Pyrouhlíková část celkového potřebného uhlíku se určuje požadovanou pevností pro operace obrábění.

3. Během tepelné úpravy na infiltraci křemíkem se provádí další grafitizace.

99

9 ·

9 ·

9 9

9999 9

9

9 9 9 9

• 9 • 9

4. Eventuelní zbytkový pyrolytický uhlík z pojiv

Určení přispění k celkovému množství nediamantového uhlíku se tudíž provádí:

a) stanovením možné potřeby pyrouhlíku,

b) stanovením stupně grafitizace během tepelné úpravy pro infiltraci křemíku,

c) stanovením množství event. zbytkového pyrolytického uhlíku z pojiv,

d) primární grafitizace doplňuje další potřebné množství uhlíku.

Je vhodné si všimnout, že když není potřeba žádný uhlík, spojí se kroky postupu 1 a 3.

Jedním význakem tohoto vynálezu tedy je schopnost řídit a měnit stupeň grafitizace diamantu současným řízením parametrů způsobu i materiálu, jako je tvar křivky závislosti teploty na času, tj. teplot, zdržných dob a rychlostí ohřevu, velikosti, typu a kvality diamantových částic a nečistot v diamantových částicích, ovzduší a tlaku. Úvahy kolem řízení zahrnují následující:

1. Relativní objem křemíku nebo alternativně zbytkových pórů, karbidu křemíku a diamantu v konečném tělesu závisí na stupni grafitizace, která tudíž musí být prováděna přísně řízené.

2. Pro malé diamantové částice a částice pod mikron je důležité, aby grafitizace nedošla tak daleko, aby tyto částice zmizely. Grafitizace by měla činit méně než hm. % a s výhodou být v rozmezí od 6 do 30 hm. %.

3. Při míšení malých diamantových částic s velikými částicemi musí být velikost malých částic zvolena opatrně tak, aby malé částice nezmizely, pokud to není žádoucí a aby veliké částice byly dostatečně grafitizovány. Grafitizace by měla

00 0 • ·

0*0 · · 0 · 0 · 0

0 0 · · · · 0 · 0

-1-7 9 0 000 0 0 0 0Φ0000 — J_ / — _e 9 99*00000

0099 « 9· 00 00 00 činit méně než 50 hm. % a s výhodou ležet v rozmezí od 6 do 30 hm %.

4. Převážnou metodou řízení stupně grafitizace je volba pravého tvaru křivky závislosti teploty na času od asi 1200 °C až do asi 1700 °C ve vakuu nebo v inertním plynu při atmosférickém tlaku jako funkce velikosti diamantových částic a kvality.

5. Pro různé požadované stupně grafitizace, vhodné pro materiály určené pro různé technologické aplikace je nutno zvolit různé tvary těchto křivek.

6. Výběrem správného tepelného zpracování je možné dosáhnout konečného tělesa s velmi nízkou porézností, bez grafitu a velmi dobře vyváženým složením mezi diamantem, karbidem křemíku a křemíkem. Je-li stupeň grafitizace nízký, tak bude konečný kompozit obsahovat veliké množství křemíku nebo bude mít velikou poréznost. Čím je vyšší stupeň grafitizace, tím více karbidu křemíku bude obsahovat konečné těleso.

Zvýšení teploty a zdržné doby zvyšuje obecně množství vytvořeného grafitu. Rychlost pohybu rozhraní grafitizace od povrchu diamantové částice dovnitř diamantové částice je určován také krystalografickým směrem a množstvím nečistot a vad v materiálu. Jsou-li všechny ostatní podmínky stejné, rychlost postupu rozhraní grafitizace bude stejná pro velké a malé diamantové částice, ale rozdíl ve velikosti částic určuje rozdílné relativní stupně grafitizace pro velké a malé částice. Stupeň je podstatně vyšší pro malé částice a je proporcionální specifické ploše diamantu. Je proto důležité volit optimální podmínky tepelné úpravy, aby se řídila výroba materiálu navrhovanou metodou a zvláště důležité je když se používají malé diamantové částice.

0* 0000

00 «·0 · · 0 0000

000 00 0 0000

-JO 0 0000 00 0 090 00 0 — ΙΟ“ · 0 90000000

0000 9 90 09 99 00

Pro malé částice je velmi důležité urychlit rychlost ohřevu v tepelné oblasti nad 1200 °C, protože rychlost grafitizace závisí silně na teplotě. Grafitizace se tím snižuje (ve srovnání s pomalejším ohřevem na stejné teploty) a stupeň grafitizace nepřekračuje požadovanou mez (< 50 hm. %). To umožňuje následující infiltraci kapalného křemíku do polotovaru. Infiltrace křemíku do tělesa se neobjeví pokud v něm existují póry dostatečné velikosti. Proces grafitizace je choulostivý na řízení a realizaci. Musí se upravit podle použitého zařízení a materiálu. Některé z těchto parametrů se musí stanovit empiricky tak, aby se hodily pro používané zařízení a materiály.

Obr. 2 znázorňuje stupeň grafitizace a oproti době grafitizace τ při jedné konkrétní teplotě. Jak je to patrné, zvyšuje se stupeň grafitizace rychleji u malých diamantových částic (5/3,

10/7 a 14/10 pm) ve srovnání s většími částicemi (28/20 a 63/50). Čím je větší velikost, tím pomaleji se zvyšuje relativní rychlost grafitizace.

Jednou z výhod grafitizačního procesu je zlepšení povrchu diamantu. Obecně platí, že náklady na diamanty závisejí na jejich kvalitě a velikosti. Je dobře známo, že povrchová vrstva většiny diamantových částic má velký počet vad. Vady a nečistoty na povrchu snižují mechanickou a chemickou stabilitu. Je žádoucí nemít povrchové vady a nečistoty, ale přesto nepoužívat drahé, vysoce kvalitní diamanty. Toho se dosahuje záměrnou transformací povrchové vrstvy diamantu na grafit tepelnou úpravou. Grafitizace začíná na povrchu, postupně se rozšiřuje hlouběji do částice. Dále se grafitizací diamantu dá zlepšit nejen povrch diamantu, ale také celkové vlastnosti. Difusní proces začíná v diamantu když se ohřeje.

Tímto difusním procesem se kovové a jiné nečistoty přesunou k povrchu diamantu a uchytí v karbidu křemíku nebo křemíku.

• 9 · ···

Tak jak grafitizace transformuje vadnou vrstvu na povrchu diamantu, povede to k zlepšení celkových vlastností částic a následně celého kompozitního materiálu. Aby se docílilo těchto zlepšení, měla by být grafitová vrstva obklopující diamantovou částici tlustá nejméně 50 nm, s výhodou tlustší než 200 nm. Grafitizace by neměla činit méně než 1 hm. % a s výhodou by měla být nejméně 6 hm. %.

Dalším velmi důležitým přínosem grafitizace diamantu je extrémně silná vazba vytvořeného SiC, pokrývajícího každou jednotlivou diamantovou částici. Diamant bude vázán k matrici a u náročné aplikace nebude vytažen.

Během celkového výrobního procesu vedoucího ke kompaktnímu nebo téměř kompaktnímu tělesu bez grafitu je třeba dodržet určitá pravidla:

Poréznost materiálů se skládá z pórů různé velikosti, větších pórů a menších pórů. vyráběné obrobky mají před tepelnou úpravou a infiltrací křemíku určité objemové procento poréznosti a určitou velikost pórů, které jsou určeny velikostí diamantové částice a velikostí distribuce, jinými materiály, které jsou přítomny nebo přidány a eventuelním zhutněním nevypálených těles.

Obsah diamantu se snižuje v závislosti na množství grafitu, který se vytvoří během grafitizace diamantů. Celkové množství nediamantového uhlíku v tělesu, včetně přidaného pyrouhlíku nebo z možného zbytu z pojivá se musí kontrolovat, aby se dosáhlo konečného tělesa s optimálním obsahem karbidu křemíku (vytvořeného v reakci mezi nediamantovým uhlíkem a křemíkem) vůči elementárnímu křemíku, přičemž elementární křemík vyplňuje poréznost, čímž se vytváří zcela kompaktní, nebo téměř zcela kompaktní těleso.

4 · 4 9 4444 • 4 4 4 4 4 4

4 4 4 4 4 4

4444444 4 444

4 4 4 4 4 4

4444 4 44 44

Šetření provedená vynálezci ukazují na vliv počáteční porézností a stupně grafitizace na vlastnosti konečného tělesa. Při porézností tvarovky větší než 60 obj. % je pevnost tvarovky nepostačující pro realizaci následujících kroků způsobu. Když je poréznost tvarovky menší než 25 obj. %, je obtížné infiltrovat křemík do polotovaru a konečné těleso bude mít významnou zbytkovou poréznost. Stejné problémy se objevují je-li stupeň grafitizace větší než 50 hm. % nebo je-li množství uloženého pyrouhlíku a zbytkového uhlíku z pojiv více než 25 hm. %, protože omezující malé póry nebudou dostatečně veliké (kvůli příliš tlustým vrstvám uhlíku). V těchto případech se během infiltrace křemíku vytvoří v povrchové zóně polotovaru kompaktní vrstva karbidu křemíku, která blokuje penetraci kapalného křemíku do vnitřních částí uvedeného polotovaru.

Pro danou počáteční poréznost tvarovky ε₀ je maximální množství uhlíku, připravené grafitizací, uložením pyrouhlíku a z možného zbytkového pyrolytického uhlíku z pojiv, které v pozdějších krocích způsobu zpracování umožní reakci mezi vším uhlíkem s infiltrovaným křemíkem k vytvoření karbidu křemíku, znázorněno na obr. 3a. Relativní množství grafitu (a) a pyrouhlíku plus zbytkový uhlík z pojiv (γ) pro kteroukoliv jejich přijatelnou kombinaci jsou rovněž patrné z tohoto obrázku. Proces je omezen celkovým množstvím uhlíku ve vztahu k porézností. Při určité počáteční porézností bude konečný kompozit obsahovat velké množství křemíku pokud je množství uhlíku příliš malé. Je-li množství uhlíku příliš veliké, zůstane určité množství zbytkového uhlíku v konečném kompozitu, což je nežádoucí, protože uhlík působí jako vady v materiálu. Viz také dva grafy na obr. 3b a obr. 3c, které ukazují vztah mezi stupněm grafitizace pro určitou počáteční poréznost a složením konečného kompozitu. Jak je to patrné, je variace složek diamantu, karbidu křemíku a křemíku ··· ······ ·· ·· • · · 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9 ······· · ··· 99 9 • · · · · · 9 9 9 9

99 9 · · 9 99 99 99 lineární. Tak jak se stupeň grafitizace zvyšuje, zvyšuje se i obsah uhlíku, zatímco obsahy diamantu a křemíku klesají.

Tyto obrázky byly vytvořeny s použitím následujících rovnic za podmínek, že se celkový objem tělesa nezmění a že ve vytvořeném tělesu nejsou póry:

Objemový obsah diamantu v konečném materiálu je:

<p_D= (1-ε₀) (l-α) [rov. 1] kde a je stupeň grafitizace, tj. množství grafitu, ε₀ je počáteční poréznost tvarovky

Objemový obsah karbidu křemíku v konečném materiálu je určen množstvím uhlíku, který reagoval s křemíkem:

(p_si=(l-So) (y+aJpoMsic/psicMc) [rov. 2] kde p_D a p_Sic jsou hustoty diamantu a karbidu křemíku,

Mšic a M_c jsou molekulové hmotnosti karbidu křemíku a uhlíku.

Objemový obsah křemíku v konečném materiálu je:

<p_sl=l-((psi + 9d) [rov. 3]

K provádění výroby neporézního materiálu je nutné vyhovět podmínce (psi^O. Tato podmínka je splněna hodnotami a a γ spadajícími do oblastí znázorněných na obr. 3a. Množství zbytků pyrouhlíku a pojivá, které se dají vložit tak, aby vyhovovaly podmínce <p_Si>0 v počátečním materiálu tedy závisí do značné míry na stupni grafitizace.

Řešení rovnic 1, 2 a 3 při γ=0 dává vztah mezi diamantovým kompozitem a počáteční porézností tvarovky podle obr. 3b-c.

Tak jak to bylo uvedeno výše, počáteční poréznost tvarovky je 25 až 60 obj. % a stupeň grafitizace diamantu je v rozmezí 1 a 50 %, s výhodou 6 až 30 %. Rovnice 1 až 3 uvádějí, že meze pro obsah diamantu pro každý materiál vyrobený podle tohoto vynálezu jsou v rozmezí od 20 do 75 obj. %, s výhodou od 28 do 71 obj. %.

9 · 99 9

9 • · 9

9 9 • 9 99

9 9 9 9 • «999

9 9 9 9 9

9 9 9 9

99 99

Obr. 4 znázorňuje výsledky fázové rentgenové difrakční analýzy vzorků, provedené podle tohoto procesu. Z obr. 4a je zřejmé, že počáteční tvarovka vytvořená z diamantového prášku obsahuje diamantovou fázi (označenou <<D>>) . V následující infiltraci tělesa polotovaru křemíkem křemík reaguje s grafitem a vytváří se karbid křemíku. Obr. 4c ukazuje, že v konečném výrobku není přítomen grafit a že diamant, karbid křemíku (označený «SiC») a křemík (označený «Si») jsou přítomny.

Použití variací parametru různého druhu:

Variace parametru se dají použít na materiál během různých kroků způsobu pro kontrolu jak konečných vlastností produktu, tak i výrobních nákladů. Variací může být následná změna parametru, tj. gradientu. Různé kombinace gradientů a nebo varianty parametru se dají použít na celé těleso nebo části tělesa.

Použité parametry jsou:

- velikost diamantových částic,

- kvalita diamantů, spojování diamantů,

- poréznost a velikosti pórů,

- množství karbidu křemíku a křemíku

Několik z těchto parametrů na sobě vzájemně závisí. V následujících příkladech bude popsáno řízení konečných vlastností použitím gradientů a jejich kombinacemi.

Variace velikosti diamantových částic:

Kombinace diamantů různých velikostí:

Materiál podle tohoto vynálezu může zahrnovat nejen jen jednu, ale několik velikostí diamantových částic. Použití diamantů několika velikostí v materiálu mu dodává speciální vlastnosti.

*· ·«·· ·· ··

9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 ·

9999 99 9 999 99 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9

9999 9 99 99 99 99

Velké diamantové částice zabezpečují materiál s dobrými abrasivními vlastnostmi (které se zde uvádějí jako abrasivní vlastnosti, opotřebení, řezné vlastnosti a jiné vlastnosti, které vedou k odstraňování materiálu).Nižší relativní odolnost vůči opotřebení matrice SiC/Si může vést k odstranění vazeb, ztrátě těchto velkých diamantů z matice, zejména za tuhých provozních podmínek, čímž se sníží doba životnosti kompozitního nástroje. Kombinací velkých diamantových částic s malými v homogenní směsi se zvyšuje doba životnosti nástrojů díky zvýšené odolnosti proti opotřebení vytvořené nové matrice, malé diamantové částice vyztužují kompozit. Malé diamantové částice, které jsou distribuovány v celé matrici z SiC-Si, zvyšují Youngův modul pružnosti, tepelnou vodivost, tvrdost, odolnost vůči opotřebení atd. Například když se asi 40 obj. % diamantových částic o velikosti asi 10 pm zahrne do matrice SiC-Si, tak se zvýší Youngův modul pružnosti z 400 na 650 GPa a tepelná vodivost se zvýší z 80 na 250 W/mK ve srovnání s matricí SiC-Si bez diamantů, takže použití malých diamantů spolu s velkými nejen dává lepší vlastnosti materiálu, ale také je ekonomičtější než použití jenom velkých.

Gradient velikostí diamantů:

Obecnou nevýhodou výrobních materiálů s různou velikostí diamantů nebo koncentrací v různých částech (které byly zhutněny dohromady před infiltrací křemíku) je, že mohou existovat rozdíly ve fyzikálně mechanických vlastnostech ve vrstvách. Tyto rozdíly by mohly způsobit nežádoucí stresové situace na rozhraní a tím oslabit kompozit.

Způsobem podle tohoto vynálezu je možné vyrobit materiál s předem specifikovanou distribucí diamantových částic s po sobě se měnící velikostí v objemu tělesa, materiál s velikostním gradientem, s rovnoměrně se měnícími

Π I ; π • · · · * • * • · · · · τι ππ ΤΙ τι li I 1 U ι • · · ♦ · · * • · · · · ·· · • · · · ···· ·· ·· ·· ·· vlastnostmi, které překonají nebo silně sníží výše zmíněné nevýhody.

Praktickým způsobem výroby kompozitu s uspořádáním gradientu je například vytvoření tělesa se třemi rozdílnými částmi formy. V první části se používá směs částic o velikostech A, B a C. Druhá část se skládá z velikostí A, C a D. Třetí část se naopak skládá z částic o velikosti A, D a E. Diamantové částice velikosti A jsou nejmenší.Jsou-li v tělese malé diamanty (velikost A), zvyšuje se pevnost matrice, tj. materiál mezi většími diamantovými částicemi. Po umístění do formy tyto jednotlivé části vibrují a potom nakonec se spolu stlačí, součásti se potom spojí grafitizací, pyrokarbonizací a během infiltrace křemíku. Hladký přechod ve velikosti částic mezi částmi v objemu tělesa vytvoří materiál s gradientem velikosti a malé diamanty velikosti A se v matici upevní.

Výhodami v uspořádání gradientu je možnost zvýšit určité vlastnosti závisející na velikosti diamantových částic například zvýšit odolnost vůči opotřebení vystavených opotřebení. Jedním praktickým příkladem je když se používají jako ucpávky a ložiska. Navíc použití malých diamantů je ekonomičtější než použití jenom velkých.

v materiálu, v oblastech

Variace v kvalitě diamantů:

Diamanty vysoké kvality jsou obecně dražší než diamanty nižší kvality. Termín kvalita je chápán jako něco, co se mění s následujícími parametry: mechanickými a optickými vlastnostmi, jsou-li dobře zkrystalizovány nebo ne, vadami jako jsou inkluze a trhlinky (hlavně na povrchu), tvar, zdali jsou syntetické nebo přírodní atd.

φ φ φφφφ

ΦΦ » φ φ φ

ΦΦΦ φ φφφφ φ φ φφφφ * φφ φφ φφ • φφφφ φ φφφφ

ΦΦΦ φ φ · φ φφφφ φφ φφ φφ

Materiál podle tohoto vynálezu se dá vyrábět s použitím levnějších diamantů s nižší jakostí na ty části kompozitu, které při aplikaci potřebují menší výkon. Diamanty dobré kvality se používají k zlepšení vlastností a výkonu v kritických oblastech. Tímto způsobem je možné snížit celkové náklady na diamanty. Grafitizace také zlepší povrch diamantů s nižší kvalitou povrchu.

Variace v pojení velkých diamantů:

Materiál podle předmětného způsobu se dá použít pro různé aplikační oblasti, od nástrojů na broušení, soustružení, frézování až po například aplikace, u které není cílem ovlivnit materiál, který je ve styku s kompozitem.

Náš proces dovoluje přizpůsobení materiálu různým aplikačním oblastem optimalizací výkonu kompozitu pro každou oblast. Díky své vynikající tvrdosti je diamant složka v kompozitu, která se používá pro hlavní část pracovního úsilí a tudíž se toto přizpůsobení dá dělat změnami parametrů diamantů, typu, velikosti částic a koncentrace.

Existuje několik typů částic diamantů, od dobře vykrystalizovaných blokových samotných krystalů s tvrdými řeznými hranami, až po typy, které se skládají z různých diamantových vrstev uložených jedna na druhé, např. ve tvaru cibule, kde má řezné hrany každá vrstva. Tomuto druhéíau typu se někdy říká drobivý typ. Tyto dva typy mají výrazně odlišné vlastnosti a mezi těmito extrémy existuje široká škála typů diamantů.

U jiných materiálů, například když se používají na brusné kotouče, je známo, že zvolený typ diamantu má veliký vliv na vlastnosti brusného kotouče. Tiby došlo k úpravě vlastností

99·· ·

• · ·

9·· »999

9

9999 9 • 9

9

9

9 9 »9 99

9 9 β • 9 9 9

9 9 9 *

9 9 »

99 správným způsobem, je ale nutné seřídit vaznou sílu diamantů podle použitého typu diamantu.

U známých materiálů na brusné kotouče je obtížné dosáhnout takovéhoto podrobného přizpůsobení vazby potřebné pro optimální výkon. Pro brusné kotouče se používají v principu tři odlišné typy vazeb, vazba pomocí pryskyřice, kovová vazba a skelná (slinutá) vazba.

Pomocí způsobu podle vynálezu existují dobré možnosti provést seřízení vazby větších diamantů (> 20 pm) a vlastností pojící matrice (zde se skládající z malých diamantů, karbidu křemíku a křemíku). Vhodná tvrdost matrice se dá volit změnou koncentrace malých diamantů o velikosti < 20 pm, s výhodou < 10 pm (0 až 50 obj. %), karbidu křemíku (20 až 99 obj. %) a křemíku (1 až 30 obj. %) a tím též odolnosti vůči opotřebení u matrice a následnou vazbu větších diamantových částic.

Je možné zvolit tvrdost matrice v rozsahu asi 20 až 63 GPa změnou složení matrice, tvrdost diamantu je asi 100 GPa, u karbidu křemíku asi 25 GPa a u křemíku mnohem méně než 10 GPa. Pomocí úprav tohoto druhu se výkon našeho zlepšeného materiálu optimalizuje pro různé aplikace.

Tvrdost matrice 20 až 30 GPa je upřednostňována pro typy diamantů, které vyžadují relativně slabou vazbu, 50 až 63 GPa

je pro typy diamantů,	které potřebují silnou vazbu a tvrdost
30 až střední	50 GPa je pro sílu vazby.	typy	diamantů nebo směsi	vyžadující
Variace	poréznosti a	velikostí pórů v tvarovce;	gradient
porézností a velikostí	pórů:

Pomocí tohoto způsobu je možné vyrobit polotovar s různě velikou porézností a s různými velikostmi pórů v tělesu. Tímto • · « • · 0 0 0· ··· ·· · · · ·

0·0 00 · 0 0 0 <

9*7 · ···· ·· · · · · ·· <

—· z, / ~ · ········<

···· · ·· ·· · · 0· způsobem je možné vyrobit tvarovku s celkovou porézností, která je v rozsahu od 25 % do 60 % a velikostmi pórů, které jsou v rozsahu velikostí diamantových částic.

Struktura pórů určuje rozsah do kterého je možné infiltrovat křemík tak, aby všechen nediamantový uhlík v polotovaru reagoval s křemíkem. Příliš malé velikosti pórů a také příliš malá poréznost, nevhodná distribuce kanálků pórů, nesprávná infiltrace, příliš vysoká viskozita křemíku atd. mohou vést k blokaci infiltrace, protože vyrobený karbid křemíku zabraňuje roztavenému křemíku v tom, aby dále pronikal do materiálu a celého tělesa. Zejména úzké póry jsou kritické, protože mohou být snadno ucpány, což zablokuje a přeruší další infiltraci.

Toto zabránění infiltraci bylo dříve jedním z omezení pro výrobu tlustých a velikých infiltrovaných těles, použitelných pro takovéto účely, jako jsou technické detaily, součásti konstrukce, zařízení nesoucí zatížení, jako jsou ložiska atd.

Distribucí diamantových částic s postupně se snižujícími velikostmi od povrchu nevypáleného tělesa směrem ke středu se vyrobí těleso s gradientem velikosti pórů. Póry se zvyšujícími se velikostmi od středu tělesa směrem k povrchu usnadňují infiltraci tím, že umožňují křemíku, aby pronikl do vnitřních částí tělesa tím, že minimalizuje riziko blokování infiltrace v blízkosti povrchové zóny. Tento nárůst porézností umožňuje vyrábět větší tělesa než dříve. Navíc u současného způsobu se umístí řízené množství uhlíku těsně k diamantovým částicím a neumístí se mezi diamanty, což je výhodné když se vytváří vhodná struktura pórů.

• ·

V praxi se gradientu velikosti pórů snadno dosáhne pomocí gradientu velikosti diamantů a také změnou hustoty zhutnění diamantů v nevypáleném tělese, tj. mírou naplnění diamanty.

Variace množství a gradientu struktury u karbidu křemíku a nebo křemíku:

Karbid křemíku a křemíková matrice jsou těsně spojeny s diamantovými částicemi, zabezpečujícími vynikající vlastnosti materiálu podle tohoto vynálezu. Obsah karbidu křemíku je dále důležitý pro vlastnosti materiálu, ovlivňující například tvrdost a vázání diamantů. Množství křemíku bude také ovlivňovat vlastnosti, zvýšený obsah křemíku bude snižovat tvrdost a odolnost proti opotřebení. Jiné vlastnosti, které jsou ovlivněny složením jsou například tepelná vodivost, která se zvyšuje s obsahem diamantů, elektrická vodivost zvyšující se s obsahem křemíku atd.

Je proto žádoucí dosáhnout velmi dobře vyváženého složení směsi diamantů, karbidu křemíku a křemíku. Tato vyváženost co do složení závisí na zamýšlené specifické aplikaci pro kompozit. Měněním složení je možné řídit vlastnosti a tím je upravovat pro specifickou aplikaci. Způsob jak měnit obsah křemíku a karbidu křemíku v konečném tělese spočívá ve změně množství nediamantového uhlíku ve vztahu k dostupné poréznosti. Provádí se to změnami podmínek tepelné úpravy, která pak dává různé množství vytvořeného grafitu a přidaného pyrouhlíku při různých množstvích nediamantového uhlíku zbylého ze zbytků pojiv, změnami velikosti diamantů a velikosti pórů atd. (Gradient velikosti dá gradient karbidu křemíku a křemíku).

Pro použití na technické materiály se upřednostňují plně zhutnělá tělesa, ale u určitých aplikací, jako jsou brusné kotouče, se dává přednost poréznímu konečnému tělesu.

• 9 • 99 9 · · 9 · 9 • 9 9 9 · 9 «·9

999999 9 999 99

9 9 · 9 9 9 9 9 •999 9 «9 ·9 99

Zbývající poréznost se musí řídit, což je velmi obtížné, pokud vůbec možné, infiltrací polotovaru kapalným křemíkem. Jednou příčinou je, že je obtížné přidat přesné množství křemíku, které je nutné pro proces, zejména pro malé předměty. Vede to k chybějící kontrole homogenity infiltrovaného tělesa. Příliš málo křemíku by vedlo k přebytku uhlíku v materiálu. Další příčinou je chybějící kontrola toho, kde je možný přebytečný křemík uložen.

Zbývající poréznost konečného tělesa se dá kontrolovat snadněji tímto způsobem s použitím technik před-infiltrace křemíkem, tj. vystavením polotovaru křemíkovým parám nebo použitím uložení křemíku technikou CVD. U takovéhoto procesu může být množství křemíku přidané k polotovaru řízeno kombinací množství odpařeného křemíku, teplotou, tlakem a dobou procesu.

Přidání křemíkových par je tedy jinou cestou, jak ovlivnit obsah karbidu křemíku a křemíku v konečném materiálu nezávisle na změnách jiných parametr.

Předběžné tvarování a síťová tvarovací metoda kombinovaná s vyztužováním polotovaru:

Pomocí této metody je možné vyrábět tělesa o různé předem určené velikosti a tvaru. Vytvořená tělesa mohou být veliká a mít komplikované tvary, které budou popsány v této části.

S použitím dříve známých metod se provádí tvarování nevypálených těles z diamantů pokrytých nebo nepokrytých vrstvou uhlíku, smíchaných s uhlíkatými materiály, v dočasné formě nebo stejné formě jako odpařování a rozklad pojiv a infiltrace křemíkem. Pro toto tvarování by mělo být potřeba relativně velké množství pojiv, zejména když se používají velké diamantové částice. Účinnost produkce se snižuje ·· • ······ požadováním formy pro každé nevypálené těleso když se umístí do pece. spotřeba forem je vysoká, doba životnosti formy se snižuje kvůli vysokému opotřebení u procesů tepelné úpravy. Rovněž mohou být problémy s uvolňováním kompozitů z forem. Běžně se používají grafitové formy a během kroku infiltrace kapalným křemíkem může určitá část křemíku reagovat s grafitem a tím způsobovat problémy s uvolňováním tělesa od formy.

Technika provádění způsobu podle vynálezu není omezena na použití forem, na schopnost výrobních forem mít komplikované tvary nebo schopnost uvolňovat a vybírat infiltrované těleso z formy jako je tomu i některých jiných dřívějších známých metod. Tváření nevypálených těles podle tohoto vynálezu se provádí známými postupy jako je lisování do forem, pásové lití břečky nebo řídké kaše, vstřikováním atd. Je možné, ale není nutné používat formu během tvářecího kroku, kroku tepelné úpravy nebo infiltračního kroku. Kroky tepelné úpravy a infiltrace se s výhodou provádějí bez použití formy.

Během grafitizace se diamant transformuje na grafit s nižší hustotou, a ten tudíž vyžaduje větší objem, ale způsob podle předmětného vynálezu . se vyznačuje konstantním tvarem a velikostí ve všech krocích způsobu od vytváření nevypáleného tělesa, přes tvarovku až po následující kroky, které vedou ke konečnému produktu (kromě případného záměrného obrábění polotovaru). Závěrem by mělo být, že grafitizace diamantových částic ovlivňuje póry, tj. změny poréznosti v polotovaru. Způsob tedy zabezpečuje shodu mezi velikostí a tvarem v celém procesu. Tato síťová tvarovací technika poskytuje bezodpadovou výrobu a umožňuje vyrábět konečné těleso předem určené velikosti a tvaru, takže konečné těleso nepožaduje žádné obrábění kromě eventuálních finalizačních operací.

Obr. 5 popisuje lineární závislost změny poréznosti polotovaru ε během grafitizace na stupni grafitizace a při rozdílné počáteční poréznosti tvarovky.

Pokud není žádoucí obrábět nebo jinak dále tvarovat polotovar, tj. pokud neexistují speciální požadavky na tvar, dává se přednost tomu, aby se uhlík získával z grafitizačního procesu.

Technika síťového tvarování podle předmětného způsobu se dá použít ve velkém rozsahu. Je-li ale navíc k technologii síťového tvarování žádoucí obrobitelnost polotovaru, například když konečné těleso má mít velmi složité tvary, je výhodné ukládání pyrouhlíku nebo předběžná infiltrace křemíku do tělesa. Uložení uhlíku vytváří pevné těleso a dodává polotovaru vynikající pevnost i bez použití jakýchkoliv pojiv, čemuž tak není u polotovaru, zahrnujícího diamantové částice jen s grafitizovanými povrchy.

Umožňuje to obrábět polotovar relativně moderními metodami, např. frézování, soustružení a vrtání, aniž by se rozlomilo. Umožňuje to mnohem složitější tvary ve srovnání s tvary, které se získávají jenom tvářením nevypáleného tělesa, či tvarovky. Vedle toho to představuje významné úspory nákladů také protože obrábění hotového výrobku je extrémně obtížné kvůli jeho vysoké tvrdosti.

Aby se zvolil nej lepší vztah mezi množstvím uhlíku odvozeného z grafitizace a z pyrouhlíkového procesu, je nutno provést analýzu požadovaného přídavného obrábění a žádoucích vlastností. Vyžaduje to asi 5 až 6 hodin tepelné úpravy při asi 850 °C k uložení pyrouhlíku do nevypáleného tělesa s diamanty o rozměrech 20/28 pm v množství 5 hm. % celkové hmotnosti, zatímco to vyžaduje jenom 3 minuty při 1550 °C k převedení asi 15 hm. % diamantu na grafit. Použití •« · • · · • · · • · 9 · · · • · • · · · ·

pyrouhlíku je stále ekonomičtější než obrábět konečné hotové těleso, protože takové obrábění spotřebuje mnoho času a je obtížné kvůli velmi vysoké tvrdosti a extrémní odolnosti proti opotřebení u vyrobeného materiálu.

Touto metodou použití grafitizace diamantů nebo kombinace grafitizace diamantů s ukládáním pyrouhlíku nebo předběžnou infiltrací křemíkem je možné vyrábět tělesa velkých rozměrů a velmi komplikovaných tvarů, dutá tělesa a tělesa s otvory a dutinami mohou být vytvářena spojováním prvků výrobku před tepelnou úpravou a infiltrací křemíkem. Například dutá koule se dá vyrobit spojením dvou dutých polokoulí, dutý šestistěn spojením šesti desek atd. Tato metoda má mnoho výhod, protože spoří drahý diamantový materiál a hmotnost konečného tělesa a dává možnosti vyrábět duté součásti vhodné pro různé technické účely, přičemž se současně vyhýbá dodatečnému drahému a zdlouhavému obrábění hotového materiálu. Rovněž je možné vyrábět tělesa s dutinou, která se hodí pro tvar a velikost hřídele nekruhového průřezu. Tento hřídel se potom upevní do konečného tělesa z kompozitu, event. spolu s adhesivem za účelem připevnění hřídele ke kompozitu. Tlustá a veliká tělesa se dají také vyrábět s použitím gradientů velikosti pórů, které usnadňují infiltraci křemíku tak jak je to popsáno výše.

Dále když se vyrábí těleso z kompozitu, dá se použít uložení pyrouhlíku při přípravě obrábění na takové tvary, které by nebyly dovoleny nebo možné u lisování do formy, aniž by se musela forma rozbít nebo např. aby se musela použít dělená forma.

Je zřejmé, že existuje možnost vyrábět veliká tělesa naskládáním několika polotovarů na sebe nebo s křemíkovou vrstvou mezi nimi. Může to vést k nehomogenním směsím, • · · · o o ········ — JO — · · · · · « · · · · · · nehomogenní infiltraci, smrštění tělesa a problémům s tvarovou stabilitou. Proto se dává přednost našemu způsobu.

Rovněž je možné kombinovat záměrnou grafitizaci a přidávání uhlíkatých materiálů od počátku, například přidáním velkého množství pojivá od počátku, ale dává se přednost způsobu podle tohoto vynálezu. Prováděly se zkoušky s míšením diamantů s uhlíkatými materiály, jako jsou saze a uhlíková vlákna a pojivý jako je parafin a epoxidové pryskyřice. Výsledky těchto zkoušek ukázaly, že obrobky a vzorky po infiltraci měly trhliny a zlomy a také vykazovaly změny tvaru.

Výhody způsobu a materiálu podle tohoto vynálezu:

Jednou z velkých výhod tohoto vynálezu je, že se mohou měnit parametry způsobu tak, aby se dosáhlo požadované grafitizace diamantu v tvarovce tak, aby se zabezpečily optimální podmínky výroby polykrystalického tělesa předem určených požadovaných tvarů a velikostí, majícího požadovanou pevnost, fyzikální a mechanické vlastnosti. Ve srovnání se způsoby, kdy diamanty pokryté uhlíkem nebo nepokryté uhlíkem jsou smíšeny s uhlíkatými materiály na výrobu kompozitu z diamantů karbidu křemíku a křemíku používá navrhovaný způsob grafitizaci a když je to žádoucí ukládání pyrouhlíku nebo předběžnou infiltraci křemíkem a má některé výhody:

1) Během grafitizace diamantu se vytváří grafit přímo na povrchu všech diamantových částic a během možného ukládání pyrouhlíku přímo na grafitizováných diamantech. Uhlík je tudíž těsně ve styku s povrchem. Kritické malé póry mezi částicemi tudíž zůstanou volné pro následující infiltraci křemíku do polotovaru. Menší částice sazí nebo uhlíkových vláken atd. jsou umístěny mezi diamanty když se používají známé metody míšení uhlíkatých materiálů s diamantovými částicemi. Tyto menší částečky se mohou aglomerovat ve • 4 4 4 * 4 4

44

44

4 4

4 4

4 4

4 4

44 zúžených pórech, čímž se velikosti pórů učiní dokonce menší, což může ovlivnit negativně infiltraci křemíkem.

2) Distribuce uhlíku je důležitá pro vlastnosti konečného materiálu. Vrstva uhlíku je v těsném styku s povrchem diamantu transformací diamantu na grafit a možným uložení pyrouhlíku na tělesu. Tento těsný kontakt garantuje vytvoření karbidu křemíku přímo na povrchu diamantových částic, čímž se vytvoří rozhraní mezi diamantem a matricí s velikou adhezí, tj. diamanty jsou pevně spojeny s matricí z karbidu křemíku a křemíku. Vlastnosti se zlepší díky vysoké adhezi jak malých, tak i velkých diamantů. Diamanty se nevylamují z matrice tak snadno při jejich používání v různých aplikacích. Materiál je extrémně odolný proti opotřebení. Při používání na operace požadující velmi pevné spojení se velké diamantové částice využijí v procesu zcela, zatímco u tradičních abrazivních materiálů (s kovovými nebo organickými vazbami) se diamanty využijí jenom z asi 50 obj. % a poté z matrice vypadnou.

3) Tepelná úprava eventuelního pojivá a grafitizace se dají dosáhnout s použitím stejného zařízení jako u infiltrace křemíkem (kdy se nepoužívá uložení pyrouhlíku). Tyto kroky procesu se tedy dají realizovat krok za krokem ve stejné peci, což vede k snížení celkové doby výroby konečného materiálu.

4) Grafitizace diamantu začíná na povrchu diamantových částic, postupně se šíří hlouběji do částice. Grafitizace přeměňuje vadnou vrstvu na povrchu diamantu, vede ke zlepšení vlastností částice jako důsledek celého kompozitního materiálu například co se týče tepelné stability. Umožňuje to použití relativně levných diamantů.

5) U tohoto vynálezu zabraňuje grafitizace diamantu s uloženým pyrouhlíkem nebo bez něho různým problémům spojeným s fyzikálním míšením uhlíkatých materiálů jako zdroje uhlíku. Tyto problémy zahrnují nestejnoměrné distribuci • · 0 0 •» · 0 0 ♦ · · 0 0 • « · 0·

000000 0 · 0 0 ·0 0 0 0 0

0 · ·

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 · t

0 0 0 0 0 • 0 ·· 0 0 uhlíku, neúplné reakci s křemíkem, blokování pórů a nehomogenitám způsobeným různou velikostí, tvarem a hustotou směsných materiálů.

6) Grafitizace zabezpečí rychlou a náležitou tvorbu uhlíku v celém tělesu, počínaje od povrchu diamantu, šířící se lineárně. Převede se jen relativně malé množství diamantu. Tudíž když se vyrábějí velmi tlustá a veliká tělesa, grafitizace má výhody díky schopnosti vytvářet uhlík i v hlubších částech tělesa bez rizika blokování pórů pro následující infiltraci.

7) U našeho způsobu obsahuje počáteční nevypálené těleso jenom jeden pevný materiál, diamanty. Má to výhodu když se používají současné tvářecí metody jako je lití z břečky nebo tekuté kaše. Tyto způsoby tváření zabezpečují výrobu výrobků se složitými tvary. Při použití směsí, kdy mají částice veliký rozdíl v hustotě a velikosti a když se používají vlákna, tyto tvářecí metody mohou být složitější.

8) Způsob může dávat různé složité tvary díky technikám síťového tvarování a schopnosti opracovávat moderními metodami polotovar. Ukládání pyrouhlíku nebo předcházející infiltrace křemíkem zabezpečuje dostatečnou pevnost nevypáleného tělesa pro obrábění složitých tvarů. Tvar a velikost konečného tělesa není omezen technikami tvarování. Vede to k nákladovým výhodám tím, že nedochází k omezením na tvářecí techniky použitím forem a zabráněním drahému použití formy během kroků tepelného zpracování a infiltrace křemíkem. Vedle toho nebudou problémy s uvolněním těles z formy.

9) Způsob podle tohoto vynálezu přináší výrazné nákladové výhody díky skutečnosti, že lze vyrábět velký počet těles v jedné várce a hlavní metoda výroby uhlíku, grafitizaci diamantů, je rychlejší metoda než přes pyrouhlík a nepoužívá žádný plyn. Díky opracovatelnosti pevných polotovarů se dá zabránit únavnému a drahému obrábění ·· 99 9 9 *99 9 9 9 9 9 9 9

9 9 · · 9 ····

9 9 9 9 · 9 9 9 9 9 ·« · • 9 9 9 9 9 9 9 9 *

9 9 9 * ·· 9 9 9 9 99 konečného tělesa. Když není potřeba žádné další obrábění, je proces velmi jednoduchý, je to jednostupňový proces, u kterého grafitizace diamantu je prováděna během zvýšení teploty před infiltrací křemíkem. Není potřeba používat

síťové tvarovací metodě není třeba provádět žádné nebo jen malé dokončovací práce a obrábění konečného výrobku, čímž se dále snižují náklady. Dají se použít diamanty s relativně nízkou cenou.

Materiál podle tohoto vynálezu má některé výhody:

Univerzálnost způsobu je mimořádná. Parametry procesu se dají měnit tak, aby poskytoval materiál požadovaných vlastností. Tímto způsobem je možné vyrábět nejen materiály s dobrou odolností proti opotřebení a se zlepšenou činností na obrušovací, brusné a jiné mechanické materiál odstraňující operace, ale také na konstrukční a technické účely, materiály nesoucí zatížení atd.

Jedním z význaků vynálezu je, že se navrhovaný materiál vyznačuje možností kombinovat různé vynikající vlastnosti simultánně a docilovat takové vlastnosti, které odpovídají nejlépe různým zamýšleným aplikacím.

Ke kontrolovatelným vlastnostem patří:

1. Vysoký Youngův modul a dostatečná pevnost v kombinaci s nízkou hustotou.

2. Vysoká tvrdost a vysoká pevnost spojení diamantů vede k vynikající odolnosti proti abrazi a erozi.

3. Vysoká tepelná vodivost, nízký koeficient tepelné roztažnosti, v závislosti na obsahu diamantů.

4. Uchování si mechanických vlastností po vystavení teplotám 1500 °C až 1600 °C.

5. Keramický kompozit s vysokou odolností vůči tepelnému šoku.

·· · • φ · ΦΦΦΦ · · ·· • φ Φ φφφφ φφφ ΦΦ Φ φ·φ· φφφφφφφ φ φφφ φφ 4 φ · φφφφ φ··φ φφφφ φ φ φ *φ φ φ φ φ

6. Elektrická vodivost.

Když se spolu mísí malé a velké diamantové částice, ovlivňují materiálové vlastnosti dva fakty, vysoká adheze mezi diamantovými částicemi a matricí a vysoká odolnost vůči opotřebení u matrice daná tím, že jsou v ní rozptýleny malé diamanty. Velké diamantové částice vypadnou z materiálu jestliže je jejich vazba s matricí nepostačující nebo když má matrice nízkou odolnost vůči opotřebení. Malé diamantové částice vyztužují matrici, dávají ji vysokou odolnost vůči opotřebení a zvyšují její tuhost, pevnost a tepelnou vodivost. To vše výrazně zlepšuje abrazivní vlastnosti (opotřebení, řezání a jiné vlastnosti spojené s odběrem materiálu) materiálů, zvýšená tepelná vodivost snižuje teplotu v pracovní oblasti diamantových částic. Zvýšená tuhost konečných těles prodlouží životnost nástroje když se používá pro vysoce přesné obrábění.

Příklady použiti způsobu a vlastnosti materiálů:

Pro přípravu vzorků a testování byly použity následující různé typy diamantů:

částice syntetických diamantů ACM 5/3 (velikost v rozsahu od 3 do 5 pm,

částice	syntetických	diamantů	ACM	10/7	(velikost	v	rozsahu	od
7 do 10	pm,
částice	syntetických	diamantů	ACM	14/10	(velikost	v	rozsahu	od
10 do 14	pm,
částice	syntetických	diamantů	ACM	28/20	(velikost	v	rozsahu	od
20 do 28	pm,
částice	syntetických	diamantů	ACM	63/50	(velikost	v	rozsahu	od

do 63 pm a částice přírodních diamantů A-800/630 (velikost v rozsahu od 630 do 800 pm, všechny z Institutu supertvrdých materiálů Kyjev, Ukrajina.

• * ·

9* 9 9

9 9 9 9

999999 9 • · 9 9

9 9 9 9 99

Příklad 1

Řízení vlastností:

Aby byla ukázána schopnost vyrábět materiály s různými vlastnostmi klíčové důležitosti, byla vybrána změna (a) Emodulu a (b) elektrického odporu. Způsob podle tohoto vynálezu dosahuje výsledku řízenou volbou následujících kroků způsobu:

1. Vytvoří se směs diamantového mikroprášku typu ACM 28/20 a pojivá, 25 % alkoholového roztoku fenolformaldehydové pryskyřice, v množství 2 hm. % suché pryskyřice vztaženo na hmotnost diamantového prášku. Směs se řádně promíchá a proseje skrz síto s velikostí ok 200 pm.

2. Vytvoří se tyčky o délce 50 mm s plochou obdélníkového průřezu 6x5 mm lisováním s použitím kovových forem, se silou 45 kN při pokojové teplotě.

3. Nevypálená tělesa se vyjmou z formy, ponechají při pokojové teplotě na vzduchu po dobu 10 h a následně se suší při 70 °C po dobu lha vytvrzují se při 150 °C po dobu 1 h. Vytvořené obrobky obsahují 98 hm. % diamantů (56 obj. %) a mají poréznost 41 obj. %.

4. Tepelná úprava vzorků se provádí ve vakuu (tlak 0,1 mm Hg) při 1550 °C. Vzorek č. 1 byl ohříván 3 minuty, vzorek č. 2 byl ohříván 10 minut, vzorek č. 3 po dobu 20 minut a vzorek č. 4 byl ohříván 30 minut.

5. Infiltrace se provádí roztaveným křemíkem na povrchu polotovarů při 1550 °C.

Výsledkem je, že se vytvoří polykrystalické tyčky délky 50 mm s obdélníkovým průřezem s plochou 6x5 mm, tj. velikost a tvar se nezmění v rámci přesnosti měřící metody (± 0,001 mm). Tělesa obsahují diamantové částice spojené matricí z karbidu křemíku a křemíku.

« 9 · · »9 9· • 9 * ♦ • · 9 · 9 • ···♦·· * • · 9 · • » * * ·

Μ * 9 9 · 9

9 9 9 9 • 9 » 9 9 ·

9 9 9 «.

• 9 9 9 9 9

Další vzorky 5 až 7 (5x6x50 cm) byly vytvořeny z diamantových prášků s použitím dočasného pojivá. Vzorek č. 5 je vytvářen z diamantového prášku ACM 10/7, vzorek č. 6 ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 14/10 a vzorek č. 7 ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 10/7.

Tvarovky bylo tepelně upraveny při 1550 °C ve vakuu a potom infiltrovány kapalným křemíkem.

Vlastností zhotovených vzorků podle příkladu 1 jsou uvedeny v tabulce 1.

Tento příklad tedy ukazuje, že řízením parametrů procesu a složení materiálu se dají získat materiály s cílovými vlastnostmi.

Zejména snížení obsahu křemíku v materiálech vede k zvýšení elektrického odporu. Elektrický odpor materiálu odpovídá odpovídajícím polovodičovým materiálům. Materiál má dostatečnou elektrickou vodivost a to umožňuje například použití elektroerozivního obrábění pro další obrábění materiálu. Elektrický odpor byl měřen metodou čtyř sond.

Jak je to patrné, e-modul se může lišit v širokém rozsahu. Záměnou malých diamantů ACM 14/10 ve vzorku 6 za ještě menší diamanty ACM 10/7 dle vzorku 7 je možné ještě více zvýšit Emodul.

Příklad 2

Infiltrace namočením do roztaveného křemíku:

Vytvoří se směs diamantového prášku ACM 10/7 a etylalkoholu, který se přidá v množství 10 hm. %. Směs se důkladně promíchá a prochází přes síto s velikostí ok 200 jim. Silou asi 45 kN se při pokojové teplotě vytvoří stlačením v kovové formě vzorek o délce 50 mm s obdélníkovým průřezem 6x5 mm.

9* 0 * · * · • · · · • »♦·> · 0

0 0 • 0 · · 0

0**0 »»

0 0 • · * *0

0 0

0

Vylisované nevypálené těleso se vyjme z formy a ponechá se 3 h při pokojové teplotě. Tvarovka obsahuje 100 hm. % diamantu a má poréznost 42 obj. %.

Tepelná úprava tvarovky se provádí při 1550 °C po dobu 4 minut v argonovém médiu při tlaku 800 mm Hg. Tepelná úprava sníží koncentraci diamantu v polotovaru o 22 hm. %. Je třeba si povšimnout, že teplota a čas tepelné úpravy jsou zvoleny tak, aby byl křemík zcela roztaven, ale teprve po dokončení tepelné úpravy tvarovky. Infiltrace polotovaru se provádí jeho ponořením do roztaveného křemíku při 1550 °C.

Výsledné polykrystalické těleso je prakticky neporézní (< 1 obj. %), má délku 50 mm a obdélníkovou plochu průřezu 6x5 mm, tj. velikost a tvar se nezmění v rozsahu přesnosti měřící metody (± 0,001 mm).

Finální těleso obsahuje diamantové částice spojené matricí z karbidu křemíku a křemíku (45 obj. % diamantu, 48 obj. % SiC, 7 obj. % Si) s hustotou 3,28 g/cm³. Tříbodová pevnost v ohybu je 400 MPa a byla naměřena na vzorcích tak jak byly vyrobeny bez jakéhokoliv obrábění nebo leštění.

Příklad 3

Měření tepelné stability, E-modulu a specifické tuhosti:

Vzorek č. 1 je vyroben z diamantového prášku ACM 10/7, vzorek č. 2 je vyroben z diamantového prášku ACM 14/10, vzorek č. 3 z diamantového prášku ACM 28/20 a vzorek č. 4 ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 10/7. Tyčky byly vytvořeny s velikostí 5x6x50 mm z diamantových prášků s použitím dočasného pojivá. Tvarovky byly tepelně upraveny při 1550 °C ve vakuu a potom infiltrovány kapalným křemíkem.

• · ·♦·· ♦ · · * · · • w · · · ♦ «««* /1 η «·#·♦··» ·»··«« — 4 ± — · ·«»··»·«* #··» · ·· ·· »· ··

Byly změřena hustota, Youngův modul pružnosti a tepelná stabilita a byla vypočtena specifická tuhost H s použitím poměru: H = E/(p*g), kde E = Youngův modul, p = hustota a g = 9,8 m/s² je koeficient gravitačního zrychlení (viz tabulka 2). Tepelná stabilita byla studována postupným ohřevem vzorků ve vakuu na teploty 1200 °C, 1300 °C, 1400 °C, 1500 °C,

1600 °C, během 45 min. Po každé tepelné úpravě byl měřen při pokojové teplotě Youngův modul a tvar vzorků. Teplota stability pro udržení Youngova modulu je zde definována jako maximální teplota, kdy nedojde ke změně Youngova modulu o více než 4 % od počáteční hodnoty po tepelné úpravě. Teplota stability pro udržování tvaru je zde definována jako maximální teplota kdy je tvar vzorků beze změny a kdy vzorky nepraskají.

Vlastnosti vzorků tak jak byly vyrobeny jsou uvedeny v tabulce 2.

Výsledky ukazují, že vyrobené materiály mají unikátní tepelnou stabilitu, udržují si své vlastnosti až do 1500 °C, tj. při teplotě o 300 °C až 400 °C vyšší než jak je tomu u jiných diamantových polykrystalických materiálů, viz odkaz 2) .

Vyrobený materiál se tudíž dá použít za podmínek vysokých teplot. Tabulka znázorňuje také, že materiály mají vynikající tuhost, která je mnohem vyšší než vlastnosti známých materiálů.

1) G.G. Gnesin: Bezkyslíkaté keramické materiály, Kiev Technology, 1987, str. 139 až 142

2) A.A.Shulzhemko: Polykristalické materiály na bázi diamantu, Kyjev, 1989.

Příklad 4

Měření pevnosti v ohybu:

·» φ φφ ♦ · φ · φ φφφ · φ φ φφφφ φ φ φ φ φφφ φφφφ

ΦΦ ΦΦ I φ φ φ φ *- I φ φφφφ φφφ » · · I φ φ φφφφ φφ φφ φφ

Vzorek 1 je vyroben z diamantového prášku ACM 14/10 a vzorek 2 z ACM 28/20. Vzorek 3 je vyroben ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 10/7. Vzorek 4 je vyroben ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 28/20. Vzorek 5 je vyroben z ACM 28/20. Vzorky 1 až 5 jsou vyrobeny podle příkladu 3, ale vzorek 1-4 jako kruhové destičky: (průměr = 20 mm, h = 2 mm) a vzorek 5 byl vyroben jako tyčka pro měření tříbodové pevnosti v ohybu.

Tabulka 3 uvádí vlastnosti vzorků tak jak byly vyrobeny. Tabulka ukazuje, že destičky materiálu, tak jak byly vyrobeny, mají dostatečnou pevnost v ohybu pro aplikace jako je například na konstrukční materiál. Pevnost v ohybu se měří na výrobcích tak jak byly vyrobeny bez jakéhokoliv obrábění nebo leštění.

Příklad 5

Měření tepelné vodivosti:

Všechny vzorky byly vyrobeny podle příkladu 3. Vzorky 1 až 3 jsou vyrobeny jako válečky (průměr = 15 mm, h = 10 mm) . Vzorky 4 až 8 jsou válcovité (průměr 20 mm, h = 2 mm) . Co se týče použitých diamantových prášků viz tabulku. Tepelná vodivost vzorků byla určena měřením teplotních rozdílů na vzorcích během přenášení stacionárního tepelného toku. Ve vzorcích 1 až 3 byly vytvořeny elektroerozí dva radiální otvory o průměru 1 mm a hloubce 8 mm rovnoběžně se základnou válečku. Vzdálenost mezi otvory byla 6 mm.

Vzorek 9 byl vyroben ze směsi diamantových prášků ACM 63/50 a ACM 14/10. Koeficient tepelné roztažnosti byl měřen s použitím křemíkového dilatometru v teplotním rozsahu 20 až 100 °C. Byla měřena změna lineárních rozměrů vzorku vůči zvýšení teploty.

·*··

0 0 » 0000 0

- 43 ♦ 0 « · ř · * • · · 0 0 0 4

0 · 000 00 0

00 0 0 00 « 00 00 00 00

Takto byl určen koeficient tepelné roztažnosti podél délky vzorku. Vlastnosti vzorků uvádí tabulka 4.

Tabulka ukazuje, že vzorky vyrobené podle tohoto vynálezu mají vynikající tepelnou vodivost, která je mnohem vyšší než u keramiky z karbidu křemíku a větší než pro hliník. Vzorek 4, mající větší koncentraci diamantu má tepelnou vodivost blízko tepelné vodivosti pro měď.

Koeficient tepelné roztažnosti pro diamantový kompozit je velmi nízký.

1) G.G.Gnesin: Bezkyslíkaté keramické materiály Kyjev

Technology, 1987, str. 139 až 142.

Příklad 6

Měření biaxiální pevnosti nevypálených těles, tvarovek a polotovarů

Po grafitizaci a uložení pyrouhlíku se zvýší pevnost těles tvořících polotovar, což dovoluje obrábění polotovarů před infiltrací Si. V tomto testu se měřila biaxiální pevnost nevypálených těles, tvarovek a polotovarů. Polotovary se skládaly z těles s uloženým pyrouhlíkem a s grafitizovanými tělesy.

Nevypálená tělesa byla připravena lisováním diamantových prášků. Tvarovky byly připraveny 20 minutovým ohřevem nevypálených těles ve vakuu na 1000 °C, aby se odstranila pojivá. Polotovary byly připraveny grafitizaci při 1550 °C po dobu 3 až 30 minut a uložením až 5 hm. % pyrouhlíku při 850 °C nebo jiným způsobem. Vzorky se dají rozdělit do devíti skupin v závislosti na jejich úpravě. Pro každou skupinu byly

99

9 • 9 ····

9 9

9999

9 • 999 9 • · 9

9 9

9 9

9 9 ·

9 ··

9 9

9 9

9 ·

9 9

9* ·· připraveny dva typy vzorků (odlišné velikosti diamantových částic). Otestováno bylo pět vzorků každé kombinace úpravy a velikosti částic a výsledky jsou uváděny jako průměrné hodnoty.

Tabulka 5 uvádí hodnoty biaxiální pevnosti.

Jak je patrné z tabulky 5, byla pevnost tvarovek podstatně vyšší (asi dvakrát) než pevnost počátečních nevypálených těles. Uložení pyrouhlíku je účinnou metodou zvýšení pevnosti vzorku a dá se použít jak po tak i před grafitizací.

Výsledky souhrnně ukazují, že se dají získat polotovary s dobrou mechanickou pevností, což umožňuje obrábění před infiltrací Si.

Příklad 7

Odolnost vůči tepelnému šoku:

Byl proveden předběžný test na odolnost vůči tepelnému šoku. Vzorek byl na vzduchu ohřát na 1000 °C a potom byl dán ihned do vody (prudce zchlazen) na pokojovou teplotu. Tvar vzorku zůstal zachován a nebyly pozorovány žádné praskliny.

U druhého podobného testu se měřila pevnost po tepelném šoku. Vzorek o rozměrech 5x6x50 mm byl připraven z diamantových částic ACM 14/10. Vzorek byl ohřát na 500 °C a potom do vody s pokojovou teplotou. Následující zkoumání optickým mikroskopem neobjevilo žádné praskliny nebo vady na povrchu. Tentýž postup byl proveden a podobné výsledky byly získány po ohřevu na 800 °C. Poté byl vzorek ohřát na 1100 °C a prudce ochlazen. Tentokrát se optickým mikroskopem zjistily malé mikrotrhlinky na povrchu vzorku. Byla změřena tříbodová ohybová pevnost, činící 38 MPa, což je mnohem méně než je původní pevnost.

99·9 · · •· ··«·

9999 · ·9

9 9·· • 9 « 9

9 9 9 9 9 • 9 9 9 4 ♦ 9 99

Příklady technologických testů:

Pro přípravu vzorků, které byly poté otestovány, byly použity následující různé typy diamantů:

Částice přírodních diamantů se zrnitostí EMBS 30/40 mesh, krystaly syntetických diamantů SDB 1025 se zrnitostí 30/40 mesh, krystaly syntetických diamantů SDB 1125 se zrnitostí 30/40 mesh a přírodní ovalizované diamanty DEBDUST se zrnitostí 30/40 mesh byly všechny od firmy De Beers Co. Zrnitost 30/40 mesh se rovná diamantovým částicím v rozsahu velikostí 420 až 600 μπι.

Diamantové prášky ACM 10/7 (s mikročásticemi o velikosti 7 až 10 μπι) , ACM 14/10 (s mikročásticemi o velikosti 10 až 14 μπι), ACM 28/20 (s mikročásticemi o velikosti 20 až 28 μπι), ACM 40 (s mikročásticemi o velikosti 40 μια) , ACM 63/50 (s mikročásticemi o velikosti 50 až 63 μπι) a částice přírodních diamantů A-800/630 o velikosti 630 až 800 μπι byly všechny od organizace Superhard Materials Institute, Kyjev, Ukrajina.

Příklad 8

Testy orovnávacích nástrojů, srovnání odolnosti proti opotřebení:

Pomocí tohoto příkladu bude ukázáno, že vlastnosti lze řídit volbou typu diamantu, kvalitou diamantu, velikostí částic a distribucí velikostí částic.

V tomto případě byly podmínky orovnávání následující:

V_koio = 35 m/s, Sp_Odéiná = 0/8 m/min, S_přis_ná = 0,02 mm/otáčku

Vzorky byly testovány na orovnávání různých ruských brusných kotoučů (průměr 600 mm a šířka 63 mm) následujících typů: 600x63X305 14Α40Π CM1 6Κ7Π (kotouč z elektrokarborundu, měkký až střední);

»♦ 9999

999

- 46 »9 9 • 9 • 9 9 9 9 9 9 • · 9 «999

9 999 99 9 • 99 9 9 99 9

9 9-9 9 9 9 9

600x63X305 14Α40Π CT3 7K5 (kotouč z elektrokarborundu, střední až tvrdý);

600x63X305 14Α25Π CM2 6K5 (kotouč z elektrokarborundu, měkký až střední),

600x63X305 14Α40Π CT3 37K5 (kotouč z elektrokarborundu, střední až tvrdý) a

600x63X305 63C40II CM1 6K7 (zelený kotouč z karbidu křemíku, měkký až střední).

Test č. 1 orovnávacího nástroje:

Vzorky 1 až 11 byly testovány vůči referenčnímu materiálu, kterým byl kompozitní materiál «Slavutich» (s diamanty typu A800/630 v matrici z tvrdokovu), jehož výrobcem je organizace

Superhard Materials Institute, Kyjev, Ukrajina.

Příprava vzorku:

Viz tabulku níže, kde jsou typy diamantů, použité pro přípravu vzorků a vztah mezi různými typy. Všechny vzorky jsou vyráběny ze směsí velmi velikých diamantů (>420 pm) a jemnějších diamantů.

Použité typy diamantů, hmotnostní poměry různých diamantových částic a poměr velikostí uvádí tabulka 6.

K diamantové směsi pro vzorky 1 a 2 (množství hmoty suchého

PVAC je 1 hm. % hmotnosti diamantové hmoty) se přidá pojivo (20 % emulze polyvinylacetátu (PVAC) ve vodě). K diamantovým směsím z příkladů 3 až 7, 10 a 11 se přidá se pojivo (25 % roztok fenolformaldehydové pryskyřice v alkoholu) v množství 8 % hmotnostních diamantů (což je rovno 2 hm. % hmotnosti suché pryskyřice). Etylalkohol se přidá k diamantovým směsím pro příklady 8 a 9 v množství 10 hm. %.

»♦ *··« • 0 * t ·

I 0000 • * 0 ·

0·0 · • 0 0 0 0 • 0 0 0 0 »0 ··

Všechny tyto směsi byly důkladně promíchány, směsi pro vzorky 1 a 2 byly prosety skrz síto s velikostí ok 1,5 mm a směsi pro vzorky 3 až 11 byly prosety skrz síto s velikostí ok 1 mm. Tvarování všech vzorků bylo provedeno lisováním s použitím kovové formy při pokojové teplotě silou 15 kN. Vylisovaná tělesa byla vyjmuta z formy. Vzorky byly válcové s průměrem 10 mm a výškou 10 mm. Vzorky 1 a 2 byly sušeny při 70 °C po dobu 1 hodiny. Vzorky 3 až 7, 10 a 11 byly ponechány na vzduchu při pokojové teplotě po dobu 10 hodin s následujícím sušením při 70 °C po dobu 1 hodiny a tvrzením při 150 °C po dobu 1 hodiny. Vzorky 8 a 9 byly udržovány na vzduchu při pokojové teplotě po dobu 3 hodin, aby se odpařilo dočasné pojivo, etylalkohol. Vzorky 1 a 2 byly tepelně zpracovávány po dobu 4 minut při 1550 °C ve vakuu (tlak 0,1 mm Hg). K vzorkům 3 a 4 byl přidán pyrouhlík až do množství 5 hm. % při 870 °C. Grafitizace vzorků 3 až 11 se prováděla ve vakuu (při tlaku 0,1 mm Hg) při 1550 °C po dobu 3 minut. Snížení obsahu diamantů ve vyrobených polotovary tvořících tělesech bylo 8 až 14 hm. %.

Všechny vzorky byly infiltrovány při 1550 °C kapalným křemíkem když křemík položený na povrch tělesa polotovaru začal tát.

Konečná tělesa la2, 3až7all zahrnovala velmi malé částice přírodního diamantu, spojené matricí vytvořenou jemnějšími diamantovými částicemi, karbidem křemíku a křemíkem. Konečná tělesa 8 až 10 zahrnovala totéž kromě toho, že velké diamantové částice byly syntetické.

Tabulka 7 uvádí složení konečných těles.

Vypočtená tvrdost matrice byla získána s použitím předpokládané tvrdosti diamantů 100 GPa, tvrdosti karbidu křemíku 25 GPa a tvrdosti křemíku 10 GPa.

*♦ ····

4 4 4 4 · · · * ·

4 4 4 t · ·♦·· _Λ -. 4 4444 4 4 · ··· 4 4 * —48— · ♦·······«

9 99 9 9 9 9-9 9 9 4 4

Vzorky 1 až 4 byly testovány na rovnání brusných kotoučů typu 600x63X305 14Α40Π CM1 6Κ7Π. Relativní spotřebu velkých diamntových částic [mg velkých částic/kg brusného kotouče] uvádí tabulka 8.

Odolnost vůči opotřebení vyrobených těles u daného příkladu je tedy asi 3-krát větší než je odolnost vůči opotřebení u materiálu «Slavutich».

Vzorky 5 až 9 byly testovány na orovnávání brusných kotoučů typu 600x63X305 14Α25Π CM2 6K5. Relativní spotřebu velkých diamantových částic [mg velkých částic/kg brusného kotouče] uvádí tabulka 9.

Odolnost vůči opotřebení vyrobených těles u daného příkladu je tedy asi 2 až 3-krát větší než je odolnost vůči opotřebení u materiálu «Slavutich».

Pomocí výběru vzorků z testu s malými diamanty stejné velikosti a typu a velkých diamantů stejné velikosti a typu, tj. vzorků se stejnými podmínkami, je možné vidět jak obsah křemíku ovlivňuje odolnost tělesa proti opotřebení.

Ze srovnání vzorků 5, 6 a 7 je patrný trend mezi obsahem křemíku a vypočtenou tvrdostí a také odolnost vůči opotřebení u matrice (skládající se z malých diamantů, karbidu křemíku a křemíku), jak je to patrné z tabulky 8. Vypočtené hodnoty tvrdosti odpovídají naměřené celkové tvrdosti 57 až 61 GPa (viz příklad 12).

Tabulka 10 uvádí vztah mezi obsahem křemíku a tvrdostí a odolností proti opotřebení matrice. Příklad 5 s nej lepší odolností vůči opotřebení má také nejvyšší vypočtenou tvrdost matrice a nejnižší obsah křemíku. Ze srovnáním vzorků 8 a 9 se

MM

9

9 9 • 9 9 ·»·· *

9

99 9 9

9 9 • 99

9 9

9 9 9

9 φ· •9 99

9 9 9

9 9 9

9 9 9

9 9 «

99 stejně malým typem diamantu (ACM 10/7), stejnou vypočtenou tvrdostí matrice (57 GPa), ale s různě velkými diamanty, SDB 1025 a SDB 1125, je patrné, že lepší jakost diamantů ve vzorku 9 dává lepší odolnost vůči opotřebení.

Vzorky 10 a 11 byly testovány na orovnávání brusných kotoučů typu i) 600x63X305 14Α40Π CT3 37K5 a ii) 600x63X305 63C40II CM1 6K7:

Relativní spotřebu velkých diamantových částic [mg velkých částic/kg brusného kotouče] uvádí tabulka 11. Při orovnávání brusných kotoučů se střední tvrdostí je odolnost těles 10 a 11 je 2,5 až 3,5-krát větší než materiálu Slavutich. Při orovnávání nevypálených kotoučů z karbidu křemíku je 6-krát větší.

Test č. 2 orovnávacího nástroje

Vzorek 1 byl vyroben stejně jako v testu č. 1 orovnávacího nástroje s použitím diamantů typu EMBS 30/40 mesh a ACM 14/10. Jako referenční materiál, vzorky 2-3, byly použity orovnávací nástroje firmy WINTER (Ernst Winter & Sohn Diamantwerkzeuge GmbH & Co., Norderstedt, SRN)

Vzorek 2: WINTER PRO 88 D601 H770 (diamanty v matrici z tvrdokovu)

Vzorek 3: WINTER PRO 88 D711 H770 (diamanty v matrici z tvrdokovu)

Vzorky 1 až 3 byly testovány při orovnávání brusného kotouče typu 600x63X305 14Α40Π CT3 7K5. Doba trvání testu byla 20 minut. Jako chladivo se použila 3 % emulze Na₂CO₃.

·»··

- 50 00 0 • 0 *

0 0 • ··· • 0 ··

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

00

Relativní spotřebu velkých diamantů pro vzorky 1 až 3 uvádí tabulka 12. Odolnost proti opotřebení u vzorku vyrobeného podle vynálezu je asi 4 až 10-krát větší než je odolnost vůči opotřebení u referenčních materiálů.

Příklad 9

Analýza mikrostruktury

Popis orovnávacích nástrojů použitých pro analýzu mikrostruktury uvádí tabulka č. 13. Brusné povrchy dvou vzorků byly pozorovány pomocí elektronového skanovacího mikroskopu (SEM) typu JSM-840. Oba vzorky byly hutné a obsahovaly veliké diamanty, které měly velikost částic 400-800 μια. Povrch vzorku č. 2 byl poměrně hrubý a několik diamantových částic bylo vytrženo ze své matrice, na povrchu bylo několik škrábanců, které mohly být způsobeny diamantovými částicemi, které vypadly. Povrch vzorku č. 1 byl více plochý než povrch vzorku č. 2. Z matrice nebyly vytaženy žádné diamantové částice, což znamená, že jsou diamanty silně připojeny k matrici.

Příklad 10

Test abraze, test eroze a test skluzu proti žhavé oceli: Následující testy ukazují na pevnou vazbu mezi diamantovými částicemi a matricí. Dva diamantové kompozity byly vyhodnoceny v testu abraze, testu eroze a v testu skluzu proti žhavé oceli. Vzorek 1 byl zhotoven z 60 % diamantového prášku ACM 63/50 a 40 % ACM 10/7. Vzorek 2 byl vyroben z diamantových částic ACM 14/10.

Byly použity následující referenční materiály. Všechny standardní materiály jsou dostupné na komerčním trhu a údaje pro ně uvedené pocházejí ze specifikačních listů s údaji od výrobce.

·· ···· ·· 4 • · • · 4

4

4 4

44 • 4

4 4 4 ·

4 4 4 4 · • · ··

Referenční materiál 1: alumina od firmy Sandvik Coromant AB, typ AZ96, obsahující 2,8 hm. % zirkonu. Tvrdost 1820 HV a pevnost v lomu 5,4 MN/m^3/2.

Referenční materiál 2: Reakcí spojený karbid křemíku (infiltrován Si) od Goodfellow, označený SiSiC s asi 10 % volného křemíku. Tvrdost 2500 až 3000 kgf/mm². Není uvedena pevnost v lomu.

Referenční materiál 3: Čistý karbid křemíku od firmy Matenco AB, označený SiC. Tvrdost 2000 HV a pevnost v lomu 3,8 MN/m^3/2. Referenční materiál 4: tvrdokov od firmy Sandvik AB, typ H6M, s částicemi 1,3 pm z WC v 6 hm. % Co. Tvrdost 1720 HV a pevnost v lomu 10,1 MN/m^3/2.

Referenční materiál 5: Polykristalický diamant (DC) na řezných břitech z Τ-ΜΆΧ U od firmy Sandvik Coromant AB.

Abraze diamantovou kaší

Použila se metoda broušení kráterů. Kulovité krátery se vytvářejí na povrchu vzorků rotací nerezového kolečka se zaobleným okrajem proti rotujícímu vzorku. Přidává se abrazivní médium, kterým je kaše částic. Kombinované pohyby kolečka a vzorku vedou k vyvrtání sférických kráterů do povrchu vzorku.

Použilo se ocelové kolečko s průměrem 20 mm a zátěží 20 g. Abrazivem byly monokristalické diamanty o velikosti 4 pm smíchané s komerční standardní kapalinou (Kemet typ 0) v koncentraci 25 g/1.

Objemy kráterů byly měřeny optickým profilometrem a byl vypočten odstraněný objem na vzdálenost skluzu.

Kvůli velkému rozdílu v odolnosti proti opotřebení materiálů se pro materiály vybraly různé celkové vzdálenosti skluzu.

• · · · • · · ·· · ···· • · · ·· · ···· ······· · · · · · · · • · ···« ···· • ··· · ·· · · ·· ··

Diamantové kompozity, vzorky 1 a 2, byly testovány na 30 000 otáček (odpovídajících 1861 m skluzu); polykrystalický diamant (PDC) byl testován na 8000 otáček (500 m) ; keramika byla testována na 800 otáček (50 m) a tvrdokov na 600 otáček (38 m). Změnami celkového počtu otáček se dařilo udržet průměry jizvy dané opotřebením v rozmezí 1 až 2 mm. Na každém vzorku bylo vytvořeno nejméně pět kráterů.

Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 14. Oba diamantové kompozity překročily většinu referenčních materiálů co do odolnosti proti abrazi o více než dva řády velikosti (asi 100násobně lepší) a dokonce i PCD desetinásobně. Ve srovnání s diamantovými kompozity se vzorky obsahující jenom jednu velikost částic 10/14 opotřebovávaly asi třikrát rychleji než vzorek se dvěma velikostmi částic 50/63 a 7/10.

Mikrofotografie skanovacím elektronovým mikroskopem obroušených povrchů vzorků 1 a 2 ukázala, že většina diamantů byla stále pevně držená matricí. Drážky z abraze nebyly běžným znakem povrchů. Zdálo se, že matrice byla odstraněna kolem velkých diamantů, přičemž diamanty nadále vyčnívaly z povrchu. Zejména veliké diamanty v materiálu 50/63 a 7/10 vykazovaly ploché jakoby vyleštěné povrchy. Nebyly patrné žádné známky zlomů, vytahování nebo rozdrcení diamantové fáze. Mikrofotografie skanovacím elektronovým mikroskopem Al) pro vzorek 1 a A2) pro vzorek 2 jsou v příloze.

Abradované povrchy PCD materiálu odhalily přednostní odstranění mezigranulární fáze, podle předpokladu kovového pojivá, po němž následovalo vypadávání diamantových částic. Jizvy z opotřebení všech ostatních referenčních materiálů obsahovaly abrazní drážky spolu s jinými typy poškození. Rovněž vykazovaly lokální drobné zlomy, zřejmě na hranicích zrn.

Má se za to, že dominantním. mechanismem opotřebování diamantových kompozitu je odstranění matrice, po které následují celé diamanty tak jak mizí opora, kterou jim poskytuje matrice. Fáze velkých diamantů se tudíž odstraňuje s povrchu obtížněji než fáze malých diamantů. To by mohlo vysvětlit vynikající funkci vzorku 1 ve srovnání se vzorkem 2.

Erozní odolnost suché částice

Test se prováděl v odstředivkovém zařízení. Várky se specifickými množstvími erodující látky byly přidány do kontejneru a přiváděny kontinuálně do středu rotujícího disku. Erodující látka prokluzovala radiálně kanálky v disku působením odstředivých sil a zasahovala vzorky namontované na periferii v pevných úhlech ve vztahu k proudu erodující látky.

Testy se prováděly s erodujícími látkami na bázi karbidu křemíku 80 mesh (200 pm) s tvrdostí asi 2500 HV. Úhly dopadu byly 45 °C a 90 °C a rychlost dopadu eroduj ících částic byla 93 m/s. Vzorky byly maskovány a bez ochrany byla ponechána plocha 8,5x8,5 mm.

Ztráta hmotnosti každého vzorku vztažená na hmotu dopadající erodující látky byla měřena vážením vzorků před testem a po čtyřech konkrétních intervalech expozice vůči erozi. U 1000 g dávky erodované látky byl každý vzorek zasažen 10,8970 g a 7, 1265 g pro úhel dopadu 90° a 45°. Rychlosti eroze byly vypočteny ze sklonů křivek popisujících ztrátu hmotnosti vzorků vztaženou na dopadající hmotu erodujících látek.

Tabulka 15 uvádí výsledky.

Diamantové kompozity, vzorky 1 a 2 si vedly lépe než referenční materiály. Vzhledem k většině referenčních materiálů byly diamantové kompozity asi o jeden řád (asi β φ · φφφ φ φ φφφ φ φ φ ······ φ φ · φ φ φφφφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ · φ « φφφ φ φ · φ φφφφ φ φ φ φ desetkrát) lepší. Vzorek 2 (ACM 14/10) ale byl jenom, několikrát lepší než nej lepší referenční materiály (SiC a H6M) zejména při 45° erozi.

Normální dopadová eroze stále vedla k vyšším rychlostem opotřebení než 45° eroze, což je v souladu se zkušeností s křehkými materiály, viz pramen 3), ale rozdíl v rychlostech eroze mezi těmito dvěma úhly dopadu byl relativně malý pro diamantové kompozity, zejména u příkladu 1.

3) Jacobson a S. Hogmark, Tribologi, Karlebo forlag, 1996

Mikrofotografie skanovacím elektronovým mikroskopem erodovaných povrchů diamantových kompozitů ukazoval, že jak diamanty, tak i matrice jsou jasně viditelné. Na rozdíl od abradovaných povrchů, jsou zde známky drobení se nebo zlomů, zejména u velkých diamantových částic. Diamanty však přesto, jak se zdá, dobře sedí v matrici. Nejsou zde známky odběru celých diamantů v kompozitu nebo celkového rozdrcení diamantové fáze. Namísto toho se jako dominantní opotřebovávací mechanismus jeví kontinuální opotřebení částic a matrice.

Erodované povrchy karbidu křemíku vykazovaly velká množství zlomů v celém erodovaném povrchu. Drobné zlomy se zdají být dominantním mechanismem opotřebovávání. Alumina AZ96 vykazovala známky jak zlomů, tak křehkých zalomení, přičemž tvrdokovy se zdály být opotřebovávané více křehkým mechanismem, který nevedl k mnoha stopám po zlomeninách na povrchu.

Test týkající se vlastností při suchém skluzu proti žhavé oceli

V tomto testu byly vyhodnocovány jenom diamantové kompozity. Tyčky z kompozitu široké 5 mm byly tlačeny rukou tlakem asi 50 ··· ·*···· »· · · • · · · · · · · · · • · · · · · « · · 9

-- ·»«····· ·»···· — OO — 9 9 9999 9999

999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 až 100 N proti okraji rotující nerezavějící oceli (AISI 316) ohřáté na teploty v rozmezí od 600 °C do 950 °C acetylenokyslíkovým plamenem. Ocel měla průměr 600 mm a byla široká asi 40 mm a rotovala rychlostí asi 10 ot/min. Před testem byl okraj kola obroušen do čista od okují. Tyčky z kompozitu byly tlačeny proti žhnoucímu ocelovému kolu po dobu asi jedné minuty. Test byl několikrát opakován s cílem vytvořit pozorovatelné jizvy vzniklé opotřebením.

Test nevedl k žádnému pozorovatelnému úbytku materiálu u žádného z kompozitů. Při vysokých teplotách kolem 900 °C měla ocel někdy tendenci vytvořit nečistoty na kompozitu. Při těchto teplotách byla ocel snadno odřezávána z kola, přičemž kusy kompozitu byly použity jako řezné hrany. Mikrofotografie skanovacím elektronovým mikroskopem po klouzání po žhavé oceli neodhalily žádné změny na povrchu.

U dalšího testu proti rotujícímu ocelovému kolu ohřátému na asi 900 °C byl kompozit alternativně tlačen asi 2 až 3 minuty a potom obroušen abrazivním papírem s SiC 220 mesh. Tento postup se opakoval desetkrát na různých místech tyček. U tohoto dalšího testu nebylo možno dosáhnout žádného významného odstranění materiálu.

Příklad 11

Test soustružení, soustružení Al-Si 390

Čtyři kompozity diamant-SiC-Si, vzorky 1 až 4 byly vyhodnoceny při kontinuálním řezu bez mazání a tím, že se prováděly testy soustružení s použitím slitiny hliník-křemík jako obráběného materiálu. Materiály jsou charakterizovány formou opotřebení břitu po definovaném soustružnickém úkonu a pomocí mikrofotografií skanovacím elektronovým mikroskopem.

• 9 • 9 • · 9

I 9999 ·· 99 99 99

Vzorek 1 byl vyroben z diamantových částic ACM 5/3, vzorek 2 z ACM 10/7, vzorek 3 z ACM 40 a vzorek 4 z ACM 63/50. Testované vzorky byla tělesa 3x12x4 mm se všemi rohy ortogonálními (kolmými). Kompozity měly relativně ostřejší hrany s poloměry, které se měnily v rozmezí od asi 0,01 do 0,1 mm.

Jako referenční materiály byly použity dvě komerční vložky řezných nástrojů od firmy Sandvik Coromant AB: polykrystalický diamant (PCD) ze série T-MAX U, označené CCMW 09 T3 04F, CD 10 a tvrdokovová (CC) řezná vložka označená CCMW 09 73 04. Tyto vložky měly úhel břitu 80° a úhel hřbetu nože 5° a poloměr břitu 0,4 mm.

Řezné testy byly prováděny na soustruhu. Jako pracovní materiál byl používán válec dlouhý 270 mm s poloměrem 200 mm ze slitiny hliníku s křemíkem, označené AISi 390. Obrobky z Al-Si 390 byly namontovány ve sklíčidlu přičemž druhý konec byl ponechán neuchycený. Povrchy válce byly zpočátku očištěny od okují odstraněním dvou mm jejich průměru. Obrábění bylo prováděno na koncích válců posuvem vložek směrem k ose rotace. Hloubka řezu byla 0,25 mm, rychlost posuvu byla 0,5 mm na otáčku a rychlost rotace byla 1000 ot/min, což dávalo maximální řeznou rychlost asi 10 m/s. Tělesa z kompozitu byla zkosena v úhlu 4°, aby se simuloval úhel hřbetu nože komerčních vložek.

Odstraněná projektovaná plocha břitu po deseti řezech byla použita jako hodnota opotřebení břitu. Břity byly vyhodnoceny skanovacím elektronovým mikroskopem (SEM). Na každém materiálu byla provedena jedna nebo dvě takovéto desetiřezné sekvence. Opotřebení bylo měřeno na mikrofotografiích z SEM s použitím analýzy obrazu pro měření plochy.

• · • · · • ···· · • · ·

Protože kompozity měly mnohem ostřejší špičku (menší rádius špičky) než komerční vložky z PDC a CC, byly provedeny další testy s 5/3 a 40 na tupých hrotech, vzniklých po prvních 10 sekvencích, které daly rádius hrotu asi 0,2 mm.

Výsledky:

Všechny kompozity, vzorek 1 až 4, se daly použít pro soustružení slitiny Al-Si. Vylomení řezného břitu se objevilo jednou u kompozitu 10/7, ale všechny jednotlivé testy byly prováděny na jiných ostrých rozích téhož tělesa bez lomů.

Všechny kompozity se chovaly mnohem lépe než běžné tvrdokovy (faktor asi 4 u měřených odstraněných ploch), ale PCD diamant byl lepší než kterýkoliv z kompozitů, viz tabulka 16.

Mikrofotografie ze skanovacího elektronového mikroskopu řezných břitů po soustružení ukázaly, že opotřebení břitů vzniklo z kontinuálního opotřebení a zaoblování řezných břitů. Lze z toho vyvodit závěr, že se vyhodnocovanými kompozity dá provádět kontinuální soustružení na sucho u materiálu Al-Si 390. Kompozity jsou dostatečně houževnaté na to, aby odolaly tomuto druhu namáhání a i když byla geometrie kompozitů vzdálena od optima pro tuto operaci, jsou v souladu s diamantovou řeznou vložkou PCD a jsou mnohem lepší než konvenční tvrdokov.

Rozdíly v tvaru řezného břitu mezi vzorky 1 až 4 a komerčními vložkami je nešťastný, protože to činí srovnání mezi nimi neférové. Lze předpokládat, že kompozity s optimalizovanou geometrií (jako tomu je u vložek PCD) by se chovaly dokonce lépe.

Příklad 12

0 0 0

Měření tvrdosti:

U kompozitu byla měřena tvrdost Vickers a tvrdost Knoop. Vzorky byly připraveny podle příkladu 3. Vzorek 1 by vyroben z diamantového prášku ACM 5/3 a vzorek 2 byl z ACM 10/7. Před testem byly vzorky o rozměrech 12x12x5 mm broušeny a leštěny standardní metodou pro měření tvrdosti. Byly získány ploché vzorky, ale nebyly zcela vyleštěny protože materiál byl extrémně tvrdý.

Tvrdost Vickers zvolené oblasti byla měřena s použitím testovacího přístroje Microhardness tester MXT-al. Standardní vzorec pro výpočet tvrdosti Vickers: Hv=0,47P/a² (rovnice 1), kde P je zatížení a a je polovina délky úhlopříčky vytlačeného vrypu.

Tvrdost Knoop náhodné oblasti byla měřena s použitím přístroje INSTRON 8561 a vypočtena přímo pomocí rovnice H_k = P/S (rovnice 2), kde P je zatížení a S je průmětná plocha.

Tabulka 17 uvádí tvrdost Vickers řezných nástrojů z kompozitu diamant-SiC-Si. Tabulka 18 uvádí tvrdost Knoop řezných nástrojů z kompozitu diamant-SiC-Si.

Vtlačovaný hrot u testu Knoop je konstruován tak, že poměr dlouhé úhlopříčky ke krátké úhlopříčce činí 7:1. Poměr dlouhé úhlopříčky ke krátké úhlopříčce ve vrypu byl zde téměř 10:1, což ukazuje na to, že řezné nástroje mají velký modul pružnosti.

Z tabulky 17 lze učinit závěr, že tvrdost Vickers u mikrostruktury závisí na měřené ploše. Tvrdost Vickers u plochy mezi diamanty byla 30-40 GPa a v oblasti diamantové částice 50-60 GPa, tj. mikrozóny jsou velmi tvrdé.

• 9 9 • · • · 99 9 999«

999999 9 999 99 9

9999 9999

99 99 99 99

Jak je to patrné z tabulky 18, existuje několik rozdílů mezi tvrdostí Knoop u vzorku 1, činící 37 až 57 GPa, a vzorku 2, činící 57 až 60 GPa. Menší diamanty jsou grafitizovány rychleji, což snižuje relativní obsah diamantu u vzorku 1 více než u vzorku 2. Ukazuje to na důležitost volby správné velikosti diamantů.

Celková tvrdost materiálu, která se odráží v měřeních tvrdosti Knoop, ukazuje, že kompozity patří ke skupině supertvrdých materiálů (>40 GPa). Všechna měření ukázala dobrou reprodukovatelnost.

Tabulka 19 uvádí typicky uváděné rozsahy tvrdosti Knoop pro některé materiály.

Příklad 13

Zkoumání kompozitů D-SiC-Si a procesů pájení kovem:

Experimenty s pájením diamantových kompozitů k povrchu oceli a tvrdokovu se prováděly s hlavním cílem odhadnout možnost připojení kompozitů ke kovu pájením. Pájení se provádělo s použitím slitin založených na Cu-Ti.

Experimenty ukazují na to, že kompozity s diamanty jsou smáčeny slitinami zvolených kovů a že mohou být pájeny k oceli a tvrdokovu. Určité obtíže byly pozorovány při pájení diamantových kompozitů k oceli. Adheze vzorku ke kovu je velmi vysoká a pozorované trhlinky budou pravděpodobně souviset s tepelnými stresy, způsobenými velkými rozdíly v koeficientech tepelné roztažnosti.

Koeficient tepelné roztažnosti pro vzorek D-SiC činil 2, pro tvrdokovy 4 až 6 a pro oceli 17.

• · · • ······ • · · • · · · · · · • · · • · · ♦ 4 9

9

Příklad 14

Pokrytí kompozitů D-SiC-Si diamantovým filmem:

Vzorky D-SiC-Si, vyrobené podle tohoto vynálezu byly úspěšně pokryty diamantem.

Podmínky pokrytí:

Standardní reaktor CVD s rozžhaveným vláknem, tantalové vlákno, 2300 °C, substrát udržován na teplotě cca 900 °C, poměr H₂/CH₄ byl 1%, celkový průtok plynu činil 200 cm³/s, tlak činil 20 Torrů. Rychlost ukládání diamantu činila cca 0,5 pm/h, přičemž typická velikost krystalků činila 1-2 pm.

Předběžná úprava povrchu:

Ruční obroušení diamantovým pískem 1 až 3 pm, i když se to ukázalo pro většinu těchto substrátů jako nikoliv nezbytné, protože jejich povrchy byly již dostatečně hrubé.

Výsledky:

Studie příčných řezů pomocí mikroskopických metod neodhalilo narušení vazeb nebo trhlinky a testy na mechanické poškrábání ukázaly, že povlaky ulpívají velmi dobře.

Původní povrch kompozitů, měl bimodální distribuci velikostí zrn, skládající se z větších diamantů a menších diamantů v matrici z SiC/Si (kde větší byly mírně nad matricí kvůli mechanické předúpravě). Bylo zjištěno, že jemně zrnitý diamantový povlak nukleoval a byl narostlý mezi většími diamanty, čímž se vytvořil pěkný kontinuální film. Takto diamantový povlak částečně vyrovnal povrch, přičemž matrice byla zcela pokryta, ale tyto velké částice nadále vystupovaly ven z povrchu, který nyní byl pokryt diamantem na výšku přibližně 5 pm.

• 0 0 • 9 9

9 9

99 9 9

9

9 9 ·

0 0

0 ·

0 0

0 0

Průmyslová využitelnost

Kompozitový materiál vyrobený podle tohoto vynálezu se dá výhodně použít u aplikací kde je potřeba kombinace různých vynikajících vlastností.

Uvedené vlastnosti činí navrhovaný materiál cenným pro takové aplikace jako je výroba jemných přístrojů, včetně mechanismů, které pracují při rychlých tepelných cyklech, na strojírenské výrobky, které jsou odolné vůči opotřebení (trysky opískovávacích strojů, výrobky pro kalová čerpadla), rozměrově stabilní podpěry pro mechanismy atd. U operací s rázy, jako je například frézování a soustružení nesymetrických objektů a u operací, při kterých je nástroj z kompozitu vystaven vibracím, jsou kladeny vyšší požadavky na materiál co se týče houževnatosti. U probijecích operací je důležitá tvrdost a odolnost materiálu vůči opotřebení. Vysoký modul pružnosti dává mechanickou stabilitu při aplikacích vyžadujících rozměrovou přesnost.

Vysoká tepelná vodivost nástroje z kompozitu je důležitá u operací, kde se ve styčné oblasti vytváří třením hodně tepla.

U takových aplikací, u kterých je materiál, který je ve styku s kompozitem, zaměřen na to, aby zůstal nezměněn, například když se používá jako ložiska nebo podobně, jsou užitečné materiály s gradientem velikosti. Oblast v blízkosti styčné zóny by měla mít velikosti diamantu, které dávají nejvyšší možnou odolnost vůči opotřebení a zbytek kompozitu velikosti dávající optimální mechanické vlastnosti, pevnost a houževnatost.

9 9 * «9 «9 ; η :

» 9 9 4 ► 9 9 « • 9 99

Další zajímavou aplikační oblastí je řezání a soustružení dřeva a kamene atd., kde je vysoká schopnost abraze kombinována s dostatečnou houževnatostí.

Ještě další aplikací jsou orovnávací tužky a tyčky, které nahrazují orovnávací nástroje s jedním diamantovým krystalem, diamantové jehly a nástroje zamýšlené pro orovnávání tvaru brusných kotoučů složitých profilů.

Rovněž je možné vyrábět vrtáky, součásti pil k obrábění betonu, žuly (granitu), mramoru, jiných konstrukčních materiálů a obráběcí nástroje.

Kompozitový materiál vyrobený podle tohoto vynálezu je také vhodný k použití jako substrát pro růst diamantového filmu (viz příklad 14). Metoda vytváření krystalických diamantových povlaků s použitím aktivovaných plynů za nízkého tlaku je dobře známa. Nabízí to potenciál pro použití kompositního povrchu s diamantovým povlakem u řady aplikací, ale k plnému využití výhod takového povlaku musí být tento povlak dobře spojen s materiálem substrátu, bez trhlinek nebo vad a s výhodou velmi jemně zrnitý. Většina technických materiálů vhodných jako substráty nebude splňovat požadavek působení jako nukleační činidlo pro hustý jemně zrnitý film a propletenec rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti není dostatečně nízký na to, aby zabránil napětí a trhlinkám na rozhraní nebo v diamantovém povlaku při zchlazení z teploty v reaktoru. Kompozity diamant-karbid křemíku-křemík splňují požadavky působení jako dobré nukleační činidlo pro růst diamantového filmu, protože mají nízký koeficient tepelné roztažnosti celého propletence a mimořádně dobrou vazbu mezi kompozitem a diamantovým filmem. Je možné použít diamantové filmy narostlé na kompozitních materiálech v řadě aplikací u součástí podléhajících opotřebení. U většiny aplikací proti ·♦ « ······ · · »· • « » · 9 ····· • 99 9 9 9 9 9 9 ·

9999999 9 9 9 9 · * · • 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 · 9 9 9 9 abrazi by tloušťka filmu měla být větší než 3 pm, s výhodou více než 10 pm. Takovéto kompozity s povlakem budou zvláště užitečné u řezných nástrojů a ložisek, kde se dají získat leštěné povrchy standardními způsoby jako je rotací rozpálených železných nebo ocelových kol. Mimořádně dobrý výkon je kombinace diamantového povlaku a pevného kompozitu odolného vůči opotřebení. Místní abrazivní poškození skrz diamantový povlak nezpůsobí žádnou drastickou nebo katastrofickou změnu dobrých vlastností složky.

Popis měřících metod

Vlastnosti nárokovaného materiálu byly stanovovány následujícími metodami:

Hustota byla stanovována metodou hydrostatického vážení. Metoda je založena na stanovení hmotnosti tělesa na vzduchu a ve vodě. Zdánlivá hustota, což je poměr hmotnosti porézního tělesa (mi) k objemu prostoru, který zaujímá, včetně objemu všech pórů v materiálu byla stanovována podle vzorce:

p=mixpH2o/ (m₂-m₃) kde m₂ je hmotnost v g vzorku nasyceného vodou m₃ je hmotnost v g závaží vyvažujících vzorek nasycený vodou když je vážen ve vodě Ph2o je hustota vody v kg/m³

Tepelná vodivost myla měřena kalorimetrem s použitím vzorků o průměru 15 mm a výšce 10 mm, majících radiální otvory při různých výškách, do kterých byly umístěny termočlánky. Tepelná vodivost byla vypočtena jako poměr tepelného odporu k vzdálenosti mezi termočlánky. Tepelný odpor vzorku byl stanoven jako pokles teploty vzorku při ustáleném tepelném toku skrz něj. Výpočty byly provedeny se zohledněním ··*« ·♦ ·. ·* *·· · ♦ 9 · · · ♦ • · · ·· · · « 9 · ····*·· · « t · · « 9 ♦ 9 9 9· 9 9 9 9 ···· · ** ·» ·· 99 odpovídajících konstant přístroje. Podle osvědčení byla měřící chyba ± 10 %.

Tříbodový ohyb při pokojové teplotě ve tvaru tak jak bylo těleso obdrženo (bez leštění) se měřil při rychlosti ohybu 300 N/s.

Pevnost (σ_3ρ) byla vypočtena podle vzorce: σ = 3Pl/2bh² kde P je zatížení působící zlomení [N] je délka mezi podpěrami [40 mm] b je šířka vzorku [6 mm] h je tloušťka vzorku [5 mm]

Biaxiální zkouška v ohybu byl test prstenec na prstenci, kdy pevná zátěž spočívá v zásadě ze dvou soustředných prstencích. Zátěžové pole u tohoto testu je biaxiální (dvojosé) se základními směry v radiálním a tangenciálním směru. Biaxiální pevnost (Obiax) čtyř vzorků byla vypočtena pomocí rovnice:

Obiax = 3Ρ/4πί² [2 (1+v) ln(rs/ri) + (1-v) (rs²-rx²)/R²] kde P je zatížení při zlomení [N] v je Poissonův poměr (0,2)

R je rádius vzorku t je tloušťka vzorku [mm] r_s je rádius podpěrného prstence [7 mm] ri je rádius zatěžovacího prstence [3,13 mm]

Youngův modul pružnosti se měří ve směru osy vzorku s délkou 50 mm a s průřezem 5x6 mm vybuzením a záznamem resonančních frekvencí podélných oscilací vzorku při pokojové teplotě. Youngův modul pružnosti se vypočte podle vzorce:

E = (p/k₄) x (21xf₄/4)² kde E je dynamický Youngův modul pružnosti [Pa] p je hustota materiálu [kg/m³] • 9 9 ♦ 99 »

9 9 · • 999999

9 *

9 9« · ··♦»

99 • 9 9 9

9 9 · ·♦ 9

9 9 9 k4 je korekční faktor, rovný 0,98 je délka vzorku [0,05 m] f₄ je rezonanční frekvence [Hz], která odpovídá 3. vyšší harmonické (obvykle 500 až 600 kHz)

Elektrická vodivost vzorků byla měřena s použitím vzorků o velikosti 5x6x50 mm podél celé délky vzorku metodou čtyř sond. V tomto případě byl měřen pokles napětí mezi dvěma vnitřními sondami, zatímco vnější sondy vedly proud vzorkem.

• ••4 « · · · · · · • 4*4444 · * ··*· 9 ·· ·

99 .999 • 9 9 · 4 4

4 4 4 4 4 4 • 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9

Tabulka 1: Vlastností zhotovených vzorků podle příkladu

Vlastnosti	konečná poréznost [obj. %]	VO O v o	0,09	0, 09	0, 012	4-1 m O Ě ω tn	3300	3280	3340
elektrický odpor [mOm]	0,28+0,01	1,03±0,02	CM O O +1 cn r- Ϊ—f	1,88±0,02		1	1	1
E-modul [GPa]	550	580	580	580		638	660	718
dP 'ΓΊ P o P M P O	Si	21	15	12	10		LQ	14	Γ
o -H ω	32	39	45	49		50	21	31
Q	47	VO 'xf1	43	41		45	LO kO	62
Vzorky	snížení obsahu diamantu [hm. %]	16	19	22,5	25		23	co	12
tepelná úprava [min]	co	10	20	30		(Ό
výchozí materiál	ACM 28/20	ACM 28/20	ACM 28/20	ACM 28/20		ACM 10/7	60 hm. % 63/50 40 hm. % 14/10	60 hm. % 63/50 40 hm. % 10/7
>o	v—1	CM	co		1	if)	vo	r-

« ·

* • · 9 ·· ·

99 • 9 9 9

9 9 9

9 9 9

9 9 9

99

Tabulka 2: Vlastnosti vzorků tak jak byly vyrobeny v příkladu

99

vlastnosti	tepelná stabilita [°C]	udržení tvaru	1500 °C	1500 °C	1700 °C	1600 °C	1
udržení Youngova modulu	1500 °C	1500 °C	1500 °C	o o O O t—í	1
specifická tuhost H [106m]		19,1	17,8	»«► r-	21,5	13
Youngův modul [GPa]	630	580	560	718	400 až 420
ra , +j o S ω 'tP P 44 X!	3290	3250	3180	3340	3100 až 3200
konečný obsah	složení materiálu [obj . %]	diamant 46 SiC 47 Si 7	diamant 46 SiC 42 Si 12	diamant 49 SiC 31 Si 20	Diamant 62 SiC 31 Si 7	Údaje pro SiC keramiku, odkaz 1)
vzorky	výchozí diamantový prášek	10/7	14/10	28/20	60 hm. % 63/50 40 hm. % 10/7
>d	rH	Csl	n	TT

·♦·♦ ·· • 9 9

9 9 9 ·

9 9 9 9 9

9999 99 9

9 9 9 9

9999 9 99 »· • * 9 ·

9 9 9 ♦ 9 9 9 9

9 9 9 «9

Tabulka 3: Vlastnosti vzorků tak jak byly vyrobeny v příkladu

Ή c i—1 '(O S (ti o ; £ £ 0 0	260	115	125	136	ft (ti (T) 0_| to 53	310
(ti i-1 +J m O 6 +-> ti ω Φ Λ	3250	3190	3140	3120	1	3270
složení materiálu [obj. %]	diamant 46 SiC 42 Si 12	diamant 49 SiC 32 Si 19	diamant 58 SiC 14 Si 28	r- m π H <* fi ™ (ti O , β H CO (ti CO H	1	diamant 44 SiC 48 Si 8
počáteční diamantový prášek	14/10	28/20 i	s r S 3 <#> * σι	80 hm.% 63/50 20 hm.% 28/20	1	28/20
vzorek	T—1	CM	m		1	(Ό

· • « ♦· ♦ 9 9 9

9 9 4

9 9 9 9

9 9 9

99

Tabulka 4: Vlastnosti vzorků z příkladu • · 9 9

9 • 999 9

9 9

9 9

9 9 9 » 9 9 9

99

tepelná vodivost [W/mK]	180	200	260	370	267	259	225	400	ΙΌ CO >N O CO	koeficient tepelné roztažnosti [xlO6/K]	2,2
složení [obj.%]	Si	X—t	X—1 CO	12			21	1	1	1	1	14
o Ή w	70	20	CN	40	48	32	1	1	1	1	21
Q	29	cn sf*	kO Sí1		45	13?	1	1	i	1	59
počáteční diamantový prášek		5/3	28/20	14/10	60 hm.% 63/50 40 hm.% 5/3 i	10/7	28/20	TV	3 u	Data pro keramiku z karbidu křemíku viz pramen 1)	1	60 hm.% 63/50 40 hm.% 14/10
vzorek	X—)		ro			kD	Γ-	00	1	σ>

tc

Tabulka 5: Přehled průměrných hodnot biaxiální pevnosti dle příkladu

2 & t> —		1,1 až 1,4		co >N (Ú CO cí		2,3 až 12,9
postup úpravy vzorku	nevypálená tělesa:	nevypálená tělesa lisováním	tvarovky:	tvarovky ohřáté na 1000 °C	polotovary:	grafitizace 3 až 30 minut a ukládání pyrouhlíku
velikost diamantových částic [pm]		5 až 28		5 až 28		5 až 28
vzorek		1 a 2		3 a 4		5 až 18

*· · *» • · · · · • · · · · • »·«· · · 9 • · · · · ♦· ·· ♦ 9 9 *

Φ 9 9 9

9 9 9 9

9 9 9

99 ·* • · · • · · • ·· · · · • · ♦ · ·· • * 9 9

9 9 9

9 9 9 9

9 9 9

99

Tabulka 6:

Použité typy diamantů, hmotnostní poměry různých diamantových částic a poměr velikostí v příkladu 8

Ή
-P
m
o
44
•H
i—1
Φ
>	>φ
	1-1
b	05
o	β
'řx
β	'φ
P	44
>φ	I—|
β	φ
»β	>
Ρ
a	··
	ο
Ρ	-Η
>φ	Ρ
β	ra
ο
a	>υ

>® g

O &

β

-P (0 o

β

-P

O 'Φ *—I (Ú β 'Φ 44 I—I ω

>

oo

O oo

ΓΩ <oř i—!

CM o

OD o

OD

O

OD o

OD o

OD o

OD o

OD

OD oo

CM

CM

OD

CM m

CM

CM

O rp

CM

OD

OD b

Ol

W b

o >1 <ýP (O ο'Ρ (Ό

O CU >ra o

>Φ φ

π >1

P β

(ti β

(ti •I—1 d

Ή >w

P >Φ >

Φ

P

O

N >

>ι •Ρ β

(ti β

(ti

Ή d

>o

Γo o

<n

OD

O

O o

t^-1 \ 'Oř o

m

OD o

o oo l

CM

O sř b

to o

β o

o n

co

CQ a

co

O

CM \

<M a

o b

to φ

β o

o

V) ta

CQ a

b to

Φ o

^ř o

ra ca

CQ

S w

Oř Lf) r-~ \ o 1—i a

u b

0)

Φ β

o o

ta co

CQ a

ω

OD o

\ o

I—i a

u

O \ O Ϊ—í a

b co

Φ o

=ř o

V) ta

CQ a

w rC

O

C~ \

O b

ra

Φ β

o sř \

o ra

Lf)

CM

O

CQ

Q co co b

m

Φ β

o sr

CD m

Lf) CM 1—1 b

ra

Φ o

oř o

ra

Lf) CM ϊ—1 ϊ—1

CQ

Q ta b

ra

Φ β

o

Oř

O ra

H ta a

Q ff) ω

o σι

9 • 9 9

9 9 • 99 tf·

9

9*99 9

9 9 999 • 9 9

9 9

9 9 9

99 • 9 9 9

9 9 9

9 9 9 9

9 9 9

99

Složení konečných těles z příkladu

vypočtená tvrdost matrice:	57	60	57	57	Γ- ιο	51	Ul	51	51	57	57
Si [obj. %]	CO	CO r-	18,3	íH s. CO	oo Ό	σι o i—1	CO CN ϊ—1	10, 9	10, 9	00 v CO	CN «*. co
dP o H o	35	CD v O ΓΟ	14,1	co K CO CN	34,7	l> Γ- CN	21,0	27,7	l> v C CN	r~ ^1· cn	34,2
jemnější diamanty [obj. %]	34	CO CD cn	ΐ—1 K o <n	27, 8	33, 5	cn <n CN	2'9T	σ K cn CN	23, 9	33, 5	co CN cn
větší diamanty [obj. %]	25	25	37,5	ς'ιε	25	LQ Γ- η	50	37,5		25	25
vzorek č.	i—1	CN	cn		m	CD	Γ-	cn	σ	10	11

9*4 • 4 · • 4 4

4 4 ···«

4 • 444 ·

9 9

9 9

4 4 4

4 9 4

44 • 4 4 4

4 4 ·

4 4 4 4

4 4 4

44

Tabulka 8

Relativní spotřeba velkých diamantových částic [mg velkých částic/kg brusného kotouče] v příkladu 8 u vzorků 1 až 4

střední relativní spotřeba větších diamantů [mg/kg]	o	0, 63	00 o	0, 59	2, 16
střední relativní spotřeba u zkušebního vzorku [mg/kg]	1	1	1,91	LO K. t—1	1
počáteční obsah diamantů (a pyrouhlíku)	A-800/630 + ACM 10/7	A-800/630 + ACM 14/10	EMBS 30/40 mesh + ACM 14/10 (+ 5 % pyC)	EMBS 30/40 mesh + ACM 28/20 (+ 5 % pyC)	A-800/630
vzorek č.	Ϊ—i	<N	cn		Slávutich

·· » • 0 0 · 0 0 0 0 • »00* » 0 ·

0 1· ···· · ··

0000

0* 00 « 0 0 0

0 0 0

4 0 0 ·

0 0 0

0»

Tabulka 9

Relativní spotřeba velkých diamantových částic [mg velkých částic/kg brusného kotouče] v příkladu 8 u vzorků 5 až 9

CO a XS fd l—I Λί Ή

Λ

Φ

O

H

K4

4->

<d

[mg/kg abraziva	0,52	'tj* U> O	0,72	O to s. o	0, 45	ΙΌ •fc i—1
vzorek č.	tn	to	r-	co	cn	Slavutich i

mH

P

Φ

Λ

Φ >P

4J o

a o

Ή +J

O

P a

4->

tn

O

P

I-1 o

Ό

O tO

Ή

4-1 ra

O

Ό

P >

4->

(Ú

P

Aá

Ή >P

Λ4 ra

Λί

I-1

P

Λ ra

EH x:

ra ra

Λ o

-H

N

Φ g

XJ ra +j

N >

··

odolnost vůči	opotřebení	0, 52	0, 54	0, 72
'tú
P	4-1	Φ
o	ra	O
4-> >o o	o τ) P	tri	l> lO	(—1 LO	45
a	>	ra
>!	4->	g
>
	P
	4-1
-H
CO	N o & o λ:	o\o
Λ ra	*ΓΊ	co •fc LO	σ •fc. o	CO C\]
m		t—1	r4
Λ o	O
	>
Si	ici	oY>
XJ ra	P 4-1 ra g	•m	cn	17	26
ra	Λ
-O	O
o	>
\r-f	>1		r-	r-	Γ-
>ra	4-1			\
•ΓΊ	P		o	o	o
>φ	ra		c—	t—	x—1
P	g
s	ra		s	g	s
Φ	Ή		o	o	o
•ΓΊ	Ό
			x:	X!	XI
		ra	ra	m
			Φ	Φ	φ
£ rd			g	g	g
S cd			o	o	o
		•XT	•a*	'ŠT
-r_J Ti
		o	O	o
			co	ΓΌ	m
Ή
>ra 4-1 >0) >			co	CO	co
		PQ	m	m
		£	s	S
		w	W	ω
λ:
o
P o	>O		LO	LO	r-
N
>

·· ···· ·· · ·· ···· ·· ·· » · · ·· · ···· ··· ·· · ···· • ···· «· · ··· ·· · • · ···· ···· ···· · ·· ·· ·· ··

P

I-I

P

X (tí >

•P

N (ti

P

X (tí tn tn β

spotřebu velkých diamantových částic u vzorků 10 a 11 z příkladu co

CM

CM

CM co

Ή

P >

Ή

-P

I—I <D tí

P δ

+j >o

P o

4-1 o

(ti >

P

CM (ti

P

X!

(ti tP tP s

Ή

P £

4-) >O

P o

-P

O tt >o

Φ

P

O

N >

Γιο ro co sr

X o -P 44 P > (ti i—I w

CM (ti

X

P

X (ti

EP co

P Ό (ti I—i 44 Ή >P ft N

CO >CM (ti «Ρ

P

O

N >

O

Ή p

Mti >o

X o

>1 >

o

P (ti β

(ti

-H

Ό

X O >1 44 i—I ω

>

ρ

X!

Φ >P

4J

O a

p

Ή Ρ í> •Η 44 (ti ι—I Φ tt

Φ >0

Ρ ο

Ο

Ο

X 'Φ Ρ Ρ Ρ Ρ

XI tn \

Ο

Ή

Ρ 'Ρ >υ

X!

ο

I—I φ >

θ' β

°Ρ

Ρ

Ρ β

Ρ

X ϋ

'>1

I—I φ >

Ρ

X!

Φ >Ρ ο

a ω

Ρ > Ή 44 Ρ ι—I φ tt >Ο

Φ

Ρ

Ο

Ν >

σι *» >ΕΜ

Ρ

ΙΟ ο

Κ.

CM ι—I >Ν

Ρ

Ο ··» σι

Ρ

τ) ρ ϊ—ι 44 'Ρ >Ρ a >1

Ρ

Ρ

Ρ

Ρ

Ρ

Ο

Ρ

-Ρ β

Φ υ

Η

Ρ

4->

Ρ β

+

Ο

-Ρ ω

>

Ο >

ο

Ο

Ό

Ρ >

ίο γπ

X σι •κ

ΓII

X

Ή

Ο

Ρ >

'Ρ

Ρ >

ο

Ρ ρ

CM 'Ρ

Ο

Ρ >

'Ρ

Ρ >

ο

Ρ

Ρ

Ρ0

C0

Ρ 44 ι—I Ρ X Ρ Η

analýz	CM ο Ρ	II -θ-	II -θ·
	άΡ
ο		•
ρ		’Π
a		X ο
X ο		LO
		Γ*
X
		ο
>Ν		τ—1
ο		X
a		ι—1
«Ρ		g
π Ο
ρ
X		σ\ο
Ρ
'(ΰ
£		’ΓΊ	ο
		X	Γ—
X		ο	ι>
ο		(40	W
0	ΐ>	CM
	φ		r~i
>	Ν	Ο	ο
		CO	kO
ρ	Ρ	CO	Q
>	\	\
ο	X	ο	00
	Ρ	ο	00
ο	Ρ	C0	ο
	X	1	tt
φ	ο		tt
ϋ
Ρ	♦
X	>ο
•Η
X	X
Η	φ
ο	Ρ
φ	ο
a	Ν
ω	>	t—	CM

Tabulka 14: Výsledky měření rychlosti abraze dle příkladu 10

1 ......— .....— ............. 1JS 1 — rychlost abraze pm /m	0,85 ± 0,14 i---,---,——	2,49 ± 0,20	LI) i—1 o +1 K CM	274,2 ± 12,7	279,8 ± 5,6	o .—f +1 00 o 00 LÍO	r- ·*> 00 *—1 +1 cn K 00 σ> co
otáčky	30 000	30 000	O o o 00	o o 00	o o 00	o o 00	009
průměrný průměr kráteru pm	O rd *·, O +1 o K T“d	tt \—1 O +1 ϊ—1 <—1 K τ—t	0,48 ± 0,02	00 o •v o +i co s. t~d	1,38 ± 0,03	1,82 ± 0,04	1,80 ± 0,02
materiál	Vzorek 1: ACM 63/50 + ACM 10/7	Vzorek 2: ACM 14/10	PCD	o -H co Ή ω	SiC	co cn N	S co X

«· ··

Tabulka 15: Výsledky odolnosti vůči erozi u suchých částic dle příkladu 10

rychlost eroze [mg/g]	0, 08 0,07	0,21 0,17	1,50 1,10	cn sr co n o o	LO 00 m co !-) o	1,24 0, 88
průměrná ztráta materiálu [mg]	cn in o o	CM CM CM	01 co s -	6, 5 2,2	cn / -	í 1—1
úhel dopadu	90° 45°	o o o m cn	o o O LQ cn	o o O Lf) cn	oSt o06	o o O tO cn -šf
materiál	vzorek 1: ACM 50/63 + ACM 10/7	vzorek 2: ACM 10/14	O -rd CO Ή CO	O Ή CO	co cn N C	£ co

• · • · • · · • · · · • ······ 1 • · · <

♦«»· · ·· • · · · • · · · • · · · • · · · «· ··

Tabulka 16: Výsledky testů soustružení podle příkladu 11

odstraněná plocha při 2. běhu [mm5]	o o	1	o •k o	1	0,17	CO o o o
odstraněná plocha při 1. běhu [mm2]	0,05	LO o K. o	o v O	0, 05	t—1 o	0, 01
materiál	vzorek 1 - 5/3	vzorek 2 - 10/7	vzorek 3-40	vzorek 4 - 63/50	CC	PCD

• · • · • · · · • · · 9 • · · · · · · · ·· · · • · · · · · · · • · · · · • · · · · · • 44·· · · · • · · · · ···· · · · ··

Tabulka 17: Tvrdost Vickers řezných nástrojů z kompozitu diamant-SiC-Si (k příkladu 12) >

tt

CM

Ή a

φ >N

Ή

-P (ΰ

N >1 Γ—I '0$ -H P Φ 4-> Φ e

místo vrypu

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

diamantová částice

diamantová částice

diamantová částice

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

mezi diamantovými částicemi

diamantová částice

diamantová částice

diamantová částice

diamantová částice

lO

CO

o

C

CO

O

ko

kO

tO

LO

co

00

kO

lO

CO

IU

*0

*»

*»

*>.

O-i

OJ

σι

co

LO

o

tO

τ—

^r*

co

co

c^·

i—1

co

ϊ—1

O

co

CO

co

CO

L0

co

co

co

sť

LO

LO

lO

LO

Γ”—1

00

co

σ

co

LO

LO

LO

LO

co

r-

K

σ

X

co

co

*»

l>

O

«-!

5—I

o

CM

CM

co

CO

CM

co

fO

co

LO

CM

LO

CM

CO

co

CM

CM

(O

co

CM

CM

CM

o

o

o

O

O

O

o

o

o

O

O

O

O

O

25

Lf)

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

I—1

CM

λ:

g

λ:

£1

0)

o

n

l>

o

co

o

\

N

N

o

>

LO

>

τ—1

• 0 9 • · · · · • 0 • ·· · 0 ·· 00 • 9 0 0

· 9 0

Tabulka 18: Tvrdost Knoop řezných nástrojů z kompozitu diamant-SiC-Si (k příkladu 12)

(Ú CLl O 1-1 w	56, 8	56,0	cr> LQ CO	43,2	60,1	57,2
krátká úhlopříčka [pm]	tT) co	S '8	13	τ 'si	Γ-	8,1
dlouhá úhlopříčka [pm]	82,9	1 't8	125	114,9	CM co	co
zatížení [N]	20	20	30	30	20	20
vzorky	vzorek 1 5/3 pm i	vzorek 2 10/7 pm

• · 9

9 9

0 0 • 0 · 0 · ·

• · • · ♦

0 0

0 0 0 • · · · • · · ·

0· 00 • ♦ ♦ · • 0 0 9

0 · ·

9 9

Tabulka 19: Typicky uváděné rozsahy tvrdosti Knoop pro některé materiály (k příkladu 12)

tvrdost Knoop [GPa] (v závislosti na krystalografickém směru)	80 až 120	o co >N (U <£>	35 až 45	25 až 35	15 až 22	21 až 30	17 až 22
materiál	diamantové částice	polykrystalický diamant PCD/PDC	krychlový nitrid bóru CBN	karbid bóru	oxid hlinitý	karbid křemíku	karbid wolframu

γΐ/ΐοοο^έΊ^ původní

Claims (22)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby kompozitu z diamantu, karbidu křemíku a křemíku z diamantových částic, zahrnující kroky vytváření tvarovky, ohřev tvarovky a řízení teploty ohřevu a doby ohřevu tak, že se vytvoří určité požadované množství grafitu grafitizací diamantových částic, čímž se vytvoří polotovar a infiltraci křemíku do tohoto polotovaru.
2. 2. Způsob podle nároku 1 u kterého množství grafitu vytvořeného grafitizací je 1 až 50 hm. %, s výhodou 6 až 30 hm. %, mno ž s tví di amantu.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, u kterého teplota ohřevu během grafitizace je nižší než 1700 °C.
4. 4. Způsob podle nároku 3, u kterého teplota ohřevu a doba ohřevu, potřebná pro grafitizací, je empiricky stanovena pro použité zařízení na ohřev.
5. 5. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, u kterého je tvarovka vytvořena s porozitou 25 až 60 obj. %.
6. 6. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, kde určité množství uhlíku je uloženo v tvarovce tím, že se tato tvarovka vystaví plynnému uhlovodíku nebo plynným uhlovodíkům při teplotě překračující teplotu rozkladu pro uhlovodík nebo uhlovodíky.
7. 7. Způsob podle nároku 6 u kterého je nejméně část grafitizace diamantových krystalků provedena před vystavením tvarovky plynnému uhlovodíku nebo plynným uhlovodíkům při teplotě překračující teplotu rozkladu pro uhlovodík nebo uhlovodíky.

   • 9

   9 9

   9999 • · 9 9

   9 9 9 9 9 9 · ·· · 9 9 9 9 9 9 • 9 9 9 · «· · ·· 99 · 9 99 původní
8. 8. Způsob podle nároku 6 nebo 7, u kterého je polotovar obroben do požadovaného tvaru a velikosti konečného tělesa před krokem infiltrace kapalným křemíkem.
9. 9. Způsob podle nároku 1, u kterého je polotovar ohřát v přítomnosti par křemíku a potom obroben do požadovaného tvaru a velikosti konečného tělesa před krokem infiltrace kapalným křemíkem.
10. 10. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, u kterého je tvarovka vytvořena s nerovnoměrnou distribucí diamantových částic o různých velikostech a vlastnostech.
11. 11. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, u kterého se vytvoří tvarovka z homogenní směsi diamantových částic o různých velikostech, popřípadě s přidáním pojivá.
12. 12. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, u kterého jsou diamantové částice v tvarovce distribuovány v postupně se snižujících velikostech od povrchu tvarovky směrem k jejímu středu.
13. 13. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12, u kterého dvě nebo více tvarovek je vyrobeno odděleně a poté jsou dány dohromady před kroky tepelné úpravy a infiltrace.
14. 14. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7 a 10 až 13, u kterého je tvarování tvarovky prováděno ve formě, přičemž tepelná úprava a infiltrace křemíku jsou prováděny po té, co byla tvarovka vyjmuta z formy.
15. 15. Těleso u kterého jsou diamantové částice spojeny do matrice z karbidu křemíku, přičemž toto těleso zahrnuje původní nejméně 20 obj. % diamantových částic, nejméně 5 obj . % karbidu křemíku, s výhodou více než 15 obj. % karbidu křemíku a křemík, přičemž Youngův modul pružnosti překračuje 450 GPa.
16. 16. Těleso podle nároku 15, u kterého uvedené těleso zahrnuje nejméně 29 obj. % diamantových částic, nejméně 14 obj. % karbidu křemíku a křemík, přičemž Youngův modul pružnosti překračuje 540 GPa.
17. 17. Těleso podle nároku 15, u kterého uvedené těleso zahrnuje nejméně 46 obj. % diamantových částic majících velikosti nejvýše kolem 30 pm, přičemž Youngův modul pružnosti překračpje 560 GPa.
18. 18. Těleso podle nároku 15, u kterého uvedené těleso zahrnuje nejméně 54 obj. % diamantových částic, přičemž nejméně 60 % diamantových částic má velikosti nejméně 50 pm, přičemž Youngův modul pružnosti překračuje 650 GPa.
19. 19. Těleso podle kteréhokoliv z nároků 15 až 18, u kterého si těleso udržuje svůj tvar a svůj Youngův modul pružnosti po vystavení teplotě nejméně 1500 °C.
20. 20. Těleso podle nároku 15, u kterého jsou diamantové částice o velikostech asi 10 pm nebo méně uloženy a uzavřeny v matrici, přičemž mikrotvrdost podle Vickerse matrice, měřená v oblasti mezi diamantovými částicemi je větší než 30 GPa pro zatížení 20 N.
21. 21. Těleso podle nároku 20, u kterého jsou diamantové částice o velikostí asi 10 pm nebo menší uloženy a uzavřeny v matrici, přičemž mikrotvrdost podle Knoopa matrice je větší než 36 GPa pro zatížení 20 N.

    ♦

    9« • · · · · ·

    9999

    9 · ····

    9 9 · • 9 · 9 • 9 9 9 «

    9 ·· ··

    99 ·· • · · · • 9 · · • 9 9 9

    9 9 · ·

    9· ·· původní
22. 22. Těleso podle nároku 15, u kterého mají diamantové částice jednu frakci velikostí částic větší než 50 pm a jednu frakci velikostí částic s velikostí nejvýše 50 pm, přičemž hmotnostní poměr spadá do rozsahu 0,25 až 2,5 a střední velikost částic je větší než 10 pm, s výhodou větší než 20 pm.