RU2413699C2 - Superhard material - Google Patents

Superhard material Download PDF

Info

Publication number
RU2413699C2
RU2413699C2 RU2008152306/03A RU2008152306A RU2413699C2 RU 2413699 C2 RU2413699 C2 RU 2413699C2 RU 2008152306/03 A RU2008152306/03 A RU 2008152306/03A RU 2008152306 A RU2008152306 A RU 2008152306A RU 2413699 C2 RU2413699 C2 RU 2413699C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamond
shell
polycrystalline
cbn
cvd diamond
Prior art date
Application number
RU2008152306/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008152306A (en
Inventor
Евгений Евсеевич Ашкинази (RU)
Евгений Евсеевич Ашкинази
Виктор Григорьевич Ральченко (RU)
Виктор Григорьевич Ральченко
Виталий Иванович Конов (RU)
Виталий Иванович Конов
Александр Александрович Шульженко (UA)
Александр Александрович Шульженко
Александр Николаевич Соколов (UA)
Александр Николаевич Соколов
Владислав Герасимович Гаргин (UA)
Владислав Герасимович Гаргин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины
Евгений Евсеевич Ашкинази
Виктор Григорьевич Ральченко
Виталий Иванович Конов
Александр Александрович Шульженко
Александр Николаевич Соколов
Владислав Герасимович Гаргин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Евгений Евсеевич Ашкинази, Виктор Григорьевич Ральченко, Виталий Иванович Конов, Александр Александрович Шульженко, Александр Николаевич Соколов, Владислав Герасимович Гаргин filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
Priority to RU2008152306/03A priority Critical patent/RU2413699C2/en
Publication of RU2008152306A publication Critical patent/RU2008152306A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2413699C2 publication Critical patent/RU2413699C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to production of superhard material which contains CVD diamond and which can be used in making a wheel dressing tool, a cutting, drilling tool etc. The surface of the CVD diamond is partially or completely covered by a shell under high pressure and temperature, where the said shell has a frame made from polycrystalline diamond (PCD) or polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) with a bond between diamond-diamond grains or cBN-cBN grains, between which an activating additive is placed. The surface area of the shell surrounding the CVD diamond is not less than 40% of the surface of the CVD diamond; said shell contains 70-95 wt % PCD or PCBN and 5-30 wt % activating additive. If the shell is made from polycrystalline material based on PCD, the activating additive contains silicon and/or at least one transition metal, and if made from polycrystalline material based on PCBN, the activating additive contains aluminium and/or nitrides, borides and/or salicides of group IlIa, IVa, IVb, Vb, VIb, VIIb and VIII metals. The CVD diamond component of the superhard material can be polycrystalline as well as monocrystalline and can have different shapes and dimensions.
EFFECT: obtaining superhard material with high compression strength and thermal stability.
4 cl, 5 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к получению сверхтвердого материала (СТМ), содержащего CVD-алмаз, который может быть использован при изготовлении инструмента для правки шлифовальных кругов, режущего, бурового инструмента и др., а именно к получению сверхтвердых поликристаллических материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (cBN) в условиях их термодинамической стабильности.The invention relates to the production of a superhard material (STM) containing CVD diamond, which can be used in the manufacture of tools for dressing grinding wheels, cutting tools, drilling tools, etc., namely, the production of superhard polycrystalline materials based on diamond and cubic boron nitride ( cBN) under conditions of their thermodynamic stability.

CVD-алмаз, который получают выращиванием из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD) стал стремительно распространяться в начале 80-х годов, когда появилась возможность его получения в промышленных масштабах. Сегодня доступны поликристаллические и монокристаллические пленки и пластины из CVD-алмаза диаметром более 100 мм и толщиной от единиц микрометров до 1-3 мм, получаемые с использованием CVD-процесса при температурах 700-1000°С и рабочем давлении 30-100 Top.CVD diamond, which is obtained by growing from a gas phase (Chemical Vapor Deposition, CVD) began to spread rapidly in the early 80s, when it became possible to obtain it on an industrial scale. Polycrystalline and single crystal films and CVD diamond wafers with diameters of more than 100 mm and thicknesses from micrometers to 1-3 mm are available today, obtained using the CVD process at temperatures of 700-1000 ° C and an operating pressure of 30-100 Top.

В отличие от алмазной керамики, получаемой путем спекания алмазного порошка, синтезированный из газовой фазы CVD-алмаз не содержит связующего [Ральченко В.Г., Ашкинази Е.Е. Условия синтеза, абразивная и лазерная обработка поликристаллического CVD-алмаза. // Iнструментальний свiт.- 2005. - №3. - С.14-18]. По своим характеристикам он более подобен монокристаллам алмаза. При довольно высокой чистоте реакционных газов содержание азота (основная примесь в природных и синтетических кристаллах) в алмазе легко может быть доведено до 1 ррm.In contrast to diamond ceramics obtained by sintering diamond powder, CVD diamond synthesized from the gas phase does not contain a binder [Ralchenko VG, Ashkinazi E.E. Synthesis conditions, abrasive and laser processing of polycrystalline CVD diamond. // Instrumental light. - 2005. - No. 3. - S.14-18]. In its characteristics, it is more similar to single crystals of diamond. With a rather high purity of the reaction gases, the nitrogen content (the main impurity in natural and synthetic crystals) in diamond can easily be increased to 1 ppm.

Алмазный материал, изготовленный в результате CVD-процесса, характеризуется морфологией, чувствительной к точным условиям роста. Скорости роста для разных процессов осаждения могут значительно варьироваться, и обычно получается, что более высокие скорости роста могут быть достигнуты только за счет соответствующей потери качества CVD-алмаза.The diamond material produced by the CVD process is characterized by a morphology that is sensitive to exact growth conditions. The growth rates for different deposition processes can vary significantly, and it usually turns out that higher growth rates can be achieved only due to the corresponding loss in quality of CVD diamond.

В табл.1 приведены основные физические свойства CVD-алмазов согласно данным фирмы «Diamond Materials Gmbh» (http://www.diamond-materials.de).Table 1 shows the main physical properties of CVD diamonds according to the data of Diamond Materials Gmbh (http://www.diamond-materials.de).

Таблица 1Table 1 Твердость по Кнупу, ГПаKnoop hardness, GPa до 110up to 110 Модуль Юнга, ГПаYoung's modulus, GPa 900-1100900-1100 Коэффициент ПуассонаPoisson's ratio 0,10.1 Прочность на ломку, МПаBreaking strength, MPa до 1200up to 1200 Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 3,5153,515 Коэффициент термического расширения, К-1 The coefficient of thermal expansion, K -1 1,0×10-6 1.0 × 10 -6 Теплопроводность при комнатной температуре, Вт·м-1К-1 Thermal conductivity at room temperature, W · m -1 K -1 >1800> 1800

Термостабильность CVD-алмаза составляет 870-920 К (по данным, приведенным в проспектах фирмы «Element Six»).The thermal stability of CVD diamond is 870–920 K (according to the data given in the brochures of Element Six).

Наряду с основным применением в электронике CVD-алмаз находит все большее применение как инструментальный материал, в частности как абразив и как покрытие на вставках режущего инструмента. Разнообразный режущий и сверлильный инструмент типа буровых головок, разверток, зенковок с CVD-алмазными покрытиями и т.д. теперь является коммерчески доступным для механической обработки цветных металлов, пластмасс и композиционных материалов. Предварительные испытания показали, что такие инструменты с CVD-алмазными покрытиями имеют более продолжительный срок службы, обеспечивают большую скорость резания и лучшую чистовую обработку, чем обычные твердосплавные вставки инструмента из карбида вольфрама. Эти факты нашли подтверждение при опросе представителей пяти ведущих немецких инструментальных компаний [http://www.stankoinform.ru/journal/werkzeuge. htm2]. Было подчеркнуто, что нанесение CVD- покрытий толщиной 15-25 мкм на инструменты для точения, сверления, фрезерования повышают их эффективность при обработке титана, алюминиевых сплавов, композитов. Причем они служат не заменой, а дополнением поликристаллическим алмазам. Кроме того, известны эффективные технологические решения по нанесению этих покрытий на твердый сплав [JP 3094062, МКИ2 С22С 1/05, С23С 16/26, С23С 16/27. Diamond-coated sintered hard alloy / Minoru N., Toshio N. - Publ. 18.04.1991]. Сообщается, что объем продажи инструментов с алмазным покрытием в 2004 г. составил 20 млн евро, а до 2010 года предполагается его увеличение в 10 раз.Along with the main applications in electronics, CVD diamond is increasingly used as a tool material, in particular as an abrasive and as a coating on cutting tool inserts. A variety of cutting and drilling tools such as drill heads, reamers, countersinks with CVD diamond coatings, etc. is now commercially available for machining non-ferrous metals, plastics, and composite materials. Preliminary tests have shown that such CVD diamond coated tools have a longer life, provide faster cutting speeds and better finish than conventional tungsten carbide carbide inserts. These facts were confirmed by a survey of representatives of five leading German tool companies [http://www.stankoinform.ru/journal/werkzeuge. htm2]. It was emphasized that the application of CVD coatings with a thickness of 15-25 microns to tools for turning, drilling, and milling increase their efficiency in the processing of titanium, aluminum alloys, and composites. Moreover, they serve not as a replacement, but as an addition to polycrystalline diamonds. In addition, effective technological solutions for applying these coatings to hard alloys are known [JP 3094062, MKI 2 C22C 1/05, C23C 16/26, C23C 16/27. Diamond-coated sintered hard alloy / Minoru N., Toshio N. - Publ. 04/18/1991]. It is reported that sales of diamond-coated tools in 2004 totaled EUR 20 million, and by 2010 it is expected to increase by 10 times.

Фирма «SF Diamond Co, Ltd» (КНР) предлагает инструмент для правки из CVD-алмаза в виде столбиков, полученных лазерной порезкой заготовки, выращенной CVD-методом.The company SF Diamond Co, Ltd (China) offers a straightening tool made of CVD diamond in the form of columns obtained by laser cutting a workpiece grown by CVD method.

Достаточно широкий спектр инструментов из алмазов, полученных методом осаждения из газовой фазы CVD (CDD, CDM, CDE) предлагает фирма «Element Six». Фирма рекомендует изготавливать из этих алмазов алмазные карандаши, алмазы в оправке, алмазные иглы, правящий инструмент, гребенки, ролики.A fairly wide range of diamond tools obtained by CVD (CDD, CDM, CDE) is offered by Element Six. The company recommends producing diamond pencils, mandrel diamonds, diamond needles, a straightening tool, combs, and rollers from these diamonds.

Однако нужно обратить внимание на ряд технологических препятствий на пути получения эффективного инструмента на основе CVD-алмаза. Прежде всего, это характерный для алмаза вообще и CVD-алмаза в частности чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, во-вторых, это анизотропия свойств CVD-алмазов. Эти факторы при изготовлении традиционными способами инструмента на основе CVD-алмаза и его эксплуатации часто приводят к возникновению опасных термонапряжений в материале, которые ведут к его разрушению. Поэтому кратковременно температура нагрева при изготовлении инструмента не должна превышать 870-920 К. Согласно рекомендациям фирмы «Element Six» [http://www.e6.com/en/resources/literatureproductsheets/monocrystal diamond/] особое внимание должно также уделяться ориентированию рабочего элемента (надо обязательно выдерживать направление 100, в противном случае стойкость инструмента снижается на 50-70%. В некоторых случаях (в частности, при изготовлении гребенок) кристаллы размещают с ориентацией 111. Кроме того, толщина CVD-алмаза, который применяется в инструменте, не превышает 0,6 мм. Таким образом, использование в инструменте CVD-алмаза в виде образцов конечных размеров (а не в виде покрытий) вызывает значительные технологические трудности. В частности, вследствие напряжений, которые возникают в CVD-алмазе, он не может быть использован в буровом инструменте, а также в инструментах, которые работают при больших нагрузках.However, attention must be paid to a number of technological obstacles to obtaining an effective CVD diamond tool. First of all, it is characteristic for diamond in general and CVD diamond in particular, an extremely low coefficient of thermal expansion, and secondly, it is the anisotropy of the properties of CVD diamonds. These factors in the manufacture of CVD diamond-based tools by traditional methods and its operation often lead to the occurrence of dangerous thermal stresses in the material, which lead to its destruction. Therefore, for a short time, the heating temperature in the manufacture of the tool should not exceed 870-920 K. According to the recommendations of the company Element Six [http://www.e6.com/en/resources/literatureproductsheets/monocrystal diamond /], special attention should also be paid to orienting the worker element (it is necessary to maintain the direction of 100, otherwise the tool life is reduced by 50-70%. In some cases (in particular, in the manufacture of combs), crystals are placed with an orientation of 111. In addition, the thickness of the CVD diamond used in the tool, does not exceed 0.6 mm. T Thus, the use of CVD diamond in the tool in the form of samples of finite dimensions (and not in the form of coatings) causes significant technological difficulties, in particular, due to the stresses that arise in CVD diamond, it cannot be used in a drilling tool, and in tools that work under heavy loads.

Эти трудности должны значительно снижаться при изготовлении СТМ на основе CVD-алмаза в условиях термодинамической стабильности алмаза и cBN благодаря, в частности, тому, что в условиях высоких давлений и температур в CVD- алмазе будут сниматься напряжения.These difficulties should be significantly reduced in the manufacture of CTMs based on CVD diamond under the conditions of thermodynamic stability of diamond and cBN due, in particular, to the fact that stresses will be relieved in CVD diamond under high pressures and temperatures.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому материалу является сверхтвердый материал, содержащий CVD-алмаз [Patent WO9323204, МПК2 С04В 35/583, С23С 16/26, Diamond Compact / Catalano J.A., Lacy R.B. - опубл. 25.11.1993], который получают в два этапа. На первом этапе получается компактный материал путем спекания при высоких давлениях и температурах порошков cBN, алмаза, других сверхтвердых материалов без активирующих процесс спекания добавок. На втором этапе на компактный материал с использованием CVD-процесса в газовой среде при температуре 700-1000°С и низких давлениях (30-100 Top) наносится слой CVD-алмаза, который, в частности, заполняет поры и создает единое целое тело сверхтвердого материала.The closest in technical essence to the proposed material is a superhard material containing CVD diamond [Patent WO9323204, IPC 2 С04В 35/583, С23С 16/26, Diamond Compact / Catalano JA, Lacy RB - publ. November 25, 1993], which is obtained in two stages. At the first stage, a compact material is obtained by sintering at high pressures and temperatures of cBN powders, diamond, and other superhard materials without additives that activate the sintering process. At the second stage, a CVD diamond layer is deposited on a compact material using the CVD process in a gaseous medium at a temperature of 700-1000 ° C and low pressures (30-100 Top), which, in particular, fills the pores and creates a single whole body of superhard material .

Существенным недостатком этого способа является невозможность вхождения CVD-алмаза в закрытые поры, в которых будет образовываться графит или аморфный углерод, снижающий физико-механические свойства полученного сверхтвердого материала.A significant disadvantage of this method is the inability to enter CVD diamond into closed pores in which graphite or amorphous carbon will form, which reduces the physicomechanical properties of the obtained superhard material.

Таким образом, главными проблемами, которые надо решить при изготовлении СТМ на основе CVD-алмаза, являются, во-первых, обеспечение единого целого между CVD-алмазом и окружающим его каркасом из сверхтвердого материала. Решение этого вопроса позволит существенно снизить влияние анизотропии физических свойств CVD-алмаза на эксплуатационные характеристики инструмента, повысить его прочность и термостабильность. Вторая важная проблема, которая нуждается в решении - это исключение возможности образования в порах нежелательных примесей графита или аморфного углерода в случае использования оболочки из поликристаллического алмаза (PCD) или гексагонального нитрида бора, оксидов бора в случае использования оболочки из поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN), которые существенно снижают эксплуатационные характеристики материала.Thus, the main problems that need to be solved in the manufacture of STMs based on CVD diamond are, firstly, the provision of a single whole between the CVD diamond and the surrounding frame of superhard material. The solution to this problem will significantly reduce the influence of the anisotropy of the physical properties of CVD diamond on the operational characteristics of the tool, increase its strength and thermal stability. The second important problem that needs to be solved is the elimination of the possibility of the formation of undesirable impurities of graphite or amorphous carbon in the pores in the case of using a shell of polycrystalline diamond (PCD) or hexagonal boron nitride, boron oxides in the case of using a shell of polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) which significantly reduce the operational characteristics of the material.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования сверхтвердого материала, при котором за счет окружения его поверхности частично или полностью в условиях высокого давления и температуры оболочкой из поликристаллического алмаза (PCD) или поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) со связью между зернами алмаз-алмаз или зернами cBN-cBN, между которыми размещена активирующая добавка, обеспечиваются такие технические эффекты, как реализация деформационного упрочнения, уменьшение влияния анизотропии физических свойств CVD-алмаза на эксплуатационные характеристики изготовленного с его использованием инструмента, вследствие чего повышается прочность на сжатие и термостабильность СТМ, а также эффективность работы правящего, режущего, бурового инструмента в целом.The basis of the invention is the task of such an improvement in superhard material, in which due to the surrounding of its surface partially or completely under high pressure and temperature by a shell of polycrystalline diamond (PCD) or polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) with a bond between diamond-diamond grains or grains cBN-cBN, between which the activating additive is placed, such technical effects as the implementation of strain hardening, reduction of the influence of anisotropy of physical properties are provided CVD-diamond in the performance of his manufactured with use of the tool, thereby increasing the compressive strength and thermal stability of the STM, as well as the efficiency of ruling, cutting, drilling tools in general.

Поставленная задача решается тем, что у сверхтвердого материала, содержащего CVD-алмаз, согласно изобретению поверхность CVD-алмаза частично или полностью в условиях высокого давления и температуры окружена оболочкой из поликристаллического алмаза (PCD) или поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) со связью между зернами алмаз-алмаз или зернами cBN-cBN, между которыми размещена активирующая добавка, при этом площадь оболочки, охватывающей CVD-алмаз, составляет не менее 40% его поверхности; упомянутая оболочка содержит 70-95 мас.% PCD или PCBN и 5-30 мас.% активирующей добавки;The problem is solved in that for a superhard material containing CVD diamond, according to the invention, the surface of CVD diamond is partially or completely at high pressure and temperature surrounded by a shell of polycrystalline diamond (PCD) or polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) with a bond between the grains diamond-diamond or cBN-cBN grains, between which an activating additive is placed, while the area of the shell covering the CVD diamond is at least 40% of its surface; said shell contains 70-95 wt.% PCD or PCBN and 5-30 wt.% activating additives;

при выполнении оболочки из поликристаллического материала на основе PCD активирующая добавка содержит кремний и/или по крайней мере один из переходных металлов Периодической системы элементов, а при выполнении оболочки из поликристаллического материала на основе PCBN активирующая добавка содержит алюминий и/или нитриды, бориды и/или силициды металлов IIIa, IVa, IVб, Vб, VIб, VIIб и VIII групп Периодической системы элементов.when the shell is made of a polycrystalline material based on PCD, the activating additive contains silicon and / or at least one of the transition metals of the Periodic system of elements, and when the shell is made of a polycrystalline material based on PCBN, the activating additive contains aluminum and / or nitrides, borides and / or silicides of metals IIIa, IVa, IVb, Vb, VIb, VIIb and VIII groups of the Periodic system of elements.

CVD-алмазная составляющая сверхтвердого материала может быть как поликристаллической, так и монокристаллической, в том числе легированная, например бором, может иметь разную форму и размеры, в том числе и в виде порошка.The CVD diamond component of the superhard material can be either polycrystalline or monocrystalline, including doped with, for example, boron, it can have different shapes and sizes, including in the form of a powder.

Для формирования поликристаллической оболочки можно использовать порошки cBN, синтетического или природного алмаза, размеры которых могут варьироваться от нанометрического диапазона до 100 мкм.For the formation of a polycrystalline shell, cBN, synthetic or natural diamond powders can be used, the sizes of which can vary from the nanometric range to 100 microns.

Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью признаков и техническими результатами, которые достигаются при ее реализации, состоит в следующем.A causal relationship between the claimed combination of features and the technical results that are achieved during its implementation is as follows.

Формирование сверхтвердого материала на основе CVD-алмаза необходимо проводить в условиях термодинамической стабильности алмаза и cBN.The formation of a superhard material based on CVD diamond must be carried out under the conditions of thermodynamic stability of diamond and cBN.

Это связано с тем, что характерной особенностью поликристаллической оболочки материала на основе алмаза или cBN является наличие непрерывного жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или cBN, который формируется в области термодинамической стабильности алмаза и cBN. Зерна, составляющие каркас, - это, по сути, монокристаллы алмаза или cBN, которые объединяют уникальные физико-механические и теплофизические свойства. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле зависит от степени связи алмаз-алмаз или соответственно cBN - cBN. Основная роль в этом процессе принадлежит пластической деформации частиц материала, формирующего оболочку, а именно алмаза или cBN, для которых характерная большая доля ковалентных связей, а в случае таких материалов, как известно, для их эффективной консолидации путем пластической деформации необходимо наличие высоких давлений и температур, которые соответствуют термодинамической стабильности данных материалов [Поликристаллические материалы на основе алмаза / Шульженко А.А., Гаргин В.Г., Шишкин В.А., Бочечка А.А. Отв. ред. Новиков Н.В.; АН СССР. Ин-т сверхтвердых материалов. - К.: Наук. думка, 1989. - 192 с.].This is due to the fact that a characteristic feature of the polycrystalline shell of a material based on diamond or cBN is the presence of a continuous rigid framework of intergrown diamond or cBN grains, which is formed in the region of thermodynamic stability of diamond and cBN. The grains that make up the frame are, in fact, single crystals of diamond or cBN, which combine unique physical, mechanical and thermophysical properties. How much these properties are realized in a polycrystal depends on the degree of diamond-diamond bond or, respectively, cBN - cBN. The main role in this process belongs to the plastic deformation of the particles of the material forming the shell, namely diamond or cBN, for which a large proportion of covalent bonds is characteristic, and in the case of such materials, as is known, the presence of high pressures and temperatures is necessary for their effective consolidation by plastic deformation. that correspond to the thermodynamic stability of these materials [Polycrystalline materials based on diamond / Shulzhenko A.A., Gargin V.G., Shishkin V.A., Bochechka A.A. Repl. ed. Novikov N.V .; USSR Academy of Sciences. Institute of superhard materials. - K .: Science. Dumka, 1989. - 192 p.].

Таким образом, в изготовленном в условиях термодинамической стабильности алмаза или cBN материале на основе CVD-алмаза обеспечиваются связи алмаз-алмаз или cBN - cBN соответственно. В результате созданная поликристаллическая оболочка и CVD-алмаз представляют собой единое целое, а поскольку по своим физическим свойствам составляющие материала близки, то при изготовлении и эксплуатации инструмента влияние термонапряжений будет значительно ниже, чем в случае использования традиционных материалов на основе CVD-алмаза, что будет способствовать повышению эффективности его использования благодаря повышению прочности и термостабильности и, как следствие, росту износостойкости.Thus, in CVD diamond-based material manufactured under conditions of thermodynamic stability of diamond or cBN, diamond-diamond or cBN - cBN bonds, respectively, are provided. As a result, the created polycrystalline shell and CVD diamond are a single whole, and since the components of the material are close in their physical properties, the effect of thermal stresses will be significantly lower during the manufacture and operation of the tool than in the case of using traditional materials based on CVD diamond, which will to contribute to the efficiency of its use by increasing strength and thermal stability and, as a consequence, the growth of wear resistance.

Оптимальным согласно изобретению является такое формирование поликристаллической оболочки вокруг CVD-алмаза, при котором площадь оболочки, которая охватывает CVD-алмаз, составляет не менее 40% его поверхности.Optimum according to the invention is such a formation of a polycrystalline shell around a CVD diamond, in which the area of the shell that covers the CVD diamond is at least 40% of its surface.

Это связано со следующим. Экспериментально мы установили, что исходная твердость CVD-алмаза с зародышевой стороны составляет 77 ГПа. Твердость же спеченного CVD-алмаза, окруженного поликристаллическим алмазом PCD, составила 124 ГПа и это при температуре спекания 1600 К.This is due to the following. We experimentally established that the initial hardness of CVD diamond from the germinal side is 77 GPa. The hardness of sintered CVD diamond surrounded by polycrystalline PCD diamond was 124 GPa, and this at a sintering temperature of 1600 K.

Обработка при тех же давлении и температуре CVD-алмаза без поликристаллической оболочки не приводит к увеличению его твердости.Processing at the same pressure and temperature of CVD diamond without a polycrystalline shell does not increase its hardness.

Было также установлено, что если CVD-алмаз будет окружен поликристаллической оболочкой на величину, меньшую 40%, то эффект увеличения твердости снижается.It was also found that if CVD diamond is surrounded by a polycrystalline shell by an amount less than 40%, then the effect of increasing hardness is reduced.

При изготовлении сверхтвердого материала на основе CVD-алмаза учитывается также следующий важный факт. Температура начала пластической деформации, в частности, для микропорошков алмазов составляет 1230 К при давления 7 ГПа. Экспериментально было установлено, что при спекании давление в точках контакта алмазных зерен может достигать 130 ГПа. В то же время в порах между частицами алмаза давление при спекании значительно ниже, что является причиной образования в них графита или аморфного углерода [Поликристаллические материалы на основе алмаза / Шульженко А.А., Гаргин В.Г., Шишкин В.А., Бочечка А.А.; Отв. ред. Новиков Н.В.; АН СССР. Ин-т сверхтвердых материалов. - К.: Наук. думка, 1989. - 192 с.]. Для преодоления этого нежелательного эффекта необходимо использовать активирующие процесс спекания добавки.In the manufacture of superhard material based on CVD diamond, the following important fact is also taken into account. The temperature of the onset of plastic deformation, in particular for diamond micropowders, is 1230 K at a pressure of 7 GPa. It was experimentally established that during sintering, the pressure at the contact points of diamond grains can reach 130 GPa. At the same time, in the pores between the diamond particles the pressure during sintering is much lower, which causes the formation of graphite or amorphous carbon in them [Polycrystalline materials based on diamond / Shulzhenko AA, Gargin VG, Shishkin VA, Bochechka A.A .; Repl. ed. Novikov N.V .; USSR Academy of Sciences. Institute of superhard materials. - K .: Science. Dumka, 1989. - 192 p.]. To overcome this undesirable effect, it is necessary to use additives that activate the sintering process.

Благодаря введению в исходную шихту активирующей добавки повышается степень и скорость протекания физико-химических процессов при формировании сверхтвердого материала во время спекания, при этом при изготовлении СТМ на основе CVD-алмаза активирующая добавка, во-первых, за счет химического взаимодействия препятствует процессам взаимодействия с кислородом, ведущим к образованию летучих оксидов и, как следствие, повышается пористость материала. Во-вторых, взаимодействуя с другими примесями (в частности, с графитом или аморфным углеродом) активирующая добавка существенно снижает их негативное влияние на физико-механические свойства каркаса, при этом также уменьшается и количество пор. Кроме того, активирующая добавка содействует снижению температуры начала пластической деформации на контактах зерен, что обеспечивает повышение прочности поликристаллического каркаса. Активирующая добавка также ускоряет диффузионные процессы в зоне контакта зерен алмаза или cBN, следствием чего является создание прочных связей алмаз-алмаз или cBN-cBN.Due to the introduction of an activating additive into the initial charge, the degree and rate of physicochemical processes during the formation of superhard material during sintering increases, while in the manufacture of STMs based on CVD diamond, the activating additive, firstly, prevents chemical interaction with oxygen due to chemical interaction leading to the formation of volatile oxides and, as a result, increases the porosity of the material. Secondly, interacting with other impurities (in particular, with graphite or amorphous carbon), the activating additive significantly reduces their negative effect on the physicomechanical properties of the framework, while the number of pores also decreases. In addition, the activating additive helps to reduce the temperature of the onset of plastic deformation at the grain contacts, which increases the strength of the polycrystalline frame. The activating additive also accelerates diffusion processes in the contact zone of diamond grains or cBN, resulting in the creation of strong bonds diamond-diamond or cBN-cBN.

Количество активирующей добавки, которая составляет 5-30 маc.%, представляет оптимальные границы, при которых обеспечивается наиболее эффективное взаимодействие с примесями в порах.The amount of activating additive, which is 5-30 wt.%, Represents the optimal boundaries at which the most effective interaction with impurities in the pores is ensured.

Формирование СТМ проводили в аппарате высокого давления (АВД) типа тороид. Возможно использование и других типов АВД, которые обеспечивают создание в реакционном объеме ячейки высокого давления во время спекания давление выше 4,0 ГПа при температуре выше 1300 К. При снаряжении реакционного объема ячейки высокого давления возможны различные варианты взаимного расположения CVD-алмаза и шихты, формирующей поликристаллическую оболочку вокруг него. Примеры некоторых вариантов расположения CVD-алмаза 1 в оболочке из PCD или PCBN 2 приведены на фиг.1.The STM was formed in a high-pressure apparatus (AED) of the toroid type. It is possible to use other types of AEDs, which ensure the creation of a high-pressure cell in the reaction volume during sintering, pressure above 4.0 GPa at a temperature above 1300 K. When the reaction volume of the high-pressure cell is equipped, various variants of the mutual arrangement of CVD diamond and the charge forming polycrystalline shell around it. Examples of some locations of CVD diamond 1 in a shell of PCD or PCBN 2 are shown in FIG.

Возможны и другие варианты взаимного расположения CVD-алмаза и шихты.Other options for the mutual arrangement of the CVD diamond and the mixture are possible.

Нужно отметить, что при формировании поликристаллической оболочки в качестве активирующей добавки можно использовать любые вещества, которые будут снижать пористость материала. Но при формировании оболочки из поликристаллического материала на основе PCD оптимальным является, когда активирующая добавка содержит кремний и/или по крайней мере один из переходных металлов Периодической системы элементов.It should be noted that when forming a polycrystalline shell, any substances that will reduce the porosity of the material can be used as an activating additive. But when forming a shell of a polycrystalline material based on PCD, it is optimal when the activating additive contains silicon and / or at least one of the transition metals of the Periodic system of elements.

В случае использования в качестве активирующей добавки кремния благодаря его взаимодействию с графитом или аморфным углеродом в порах образуется карбид кремния (см. фиг.2, где проиллюстрировано как происходит формирование поликристаллической оболочки на основе алмаза с кремнием в качестве активирующей добавки: CVD-алмаз 1; алмаз 3; связь алмаз-алмаз 4; карбид кремния (SiC) 5.In the case of using silicon as an activating additive, due to its interaction with graphite or amorphous carbon, silicon carbide is formed in the pores (see Fig. 2, which illustrates the formation of a polycrystalline diamond-based shell with silicon as an activating additive: CVD diamond 1; diamond 3; diamond-diamond bond 4; silicon carbide (SiC) 5.

Создание дополнительной связи алмаз - карбид ведет к росту общей прочности поликристаллической оболочки.The creation of an additional diamond - carbide bond leads to an increase in the total strength of the polycrystalline shell.

В таблице 2 приведены основные физико-химические характеристики поликристаллической оболочки на основе алмаза с кремнием в качестве активирующей добавки.Table 2 shows the main physicochemical characteristics of a polycrystalline shell based on diamond with silicon as an activating additive.

Таблица 2table 2 Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 3,453.45 Твердость по Кнупу, ГПаKnoop hardness, GPa 50-5550-55 Трещиностойкость, МПа/м1/2 Crack resistance, MPa / m 1/2 10-1210-12 Прочность на сжатие, ГПаCompressive strength, GPa 2,2-3,12.2-3.1 Модуль Юнга, ГПаYoung's modulus, GPa 970970 Теплопроводность, Вт/(м·К)Thermal conductivity, W / (m · K) 250-300250-300 Термостабильность, КThermostability, K ~1500~ 1500

При использовании активующих добавок из ряда переходных металлов Периодической системы элементов (например, Fe, Ni, Co, 50% Co-50% Ni и др.) учитывается их способность растворять углерод, что будет способствовать преобразованию графита или аморфного углерода в алмаз и, как следствие, образованию дополнительных связей алмаз-алмаз.When using active additives from a number of transition metals of the Periodic system of elements (for example, Fe, Ni, Co, 50% Co-50% Ni, etc.), their ability to dissolve carbon is taken into account, which will facilitate the conversion of graphite or amorphous carbon into diamond and, as consequence, the formation of additional diamond-diamond bonds.

В таблице 3 приведены основные физико-химические характеристики поликристаллической оболочки на основе алмаза с кобальтом в качестве активирующей добавки.Table 3 shows the main physicochemical characteristics of a polycrystalline shell based on diamond with cobalt as an activating additive.

Таблица 3Table 3 Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 3,74-3,773.74-3.77 Твердость по Кнупу, ГПаKnoop hardness, GPa 50fifty Трещиностойкость, МПа/м1/2 Crack resistance, MPa / m 1/2 10-1310-13 Прочность на сжатие, ГПаCompressive strength, GPa 3,23.2 Модуль Юнга, ГПаYoung's modulus, GPa 10001000 Теплопроводность, Вт/(м·К)Thermal conductivity, W / (m · K) 500500 Термостабильность, КThermostability, K 1000-12001000-1200

При использовании активирующих добавок, состоящих из кремния и переходных металлов Периодической системы элементов (например, TiSi, ZrSi2 и др.) реализуются оба упомянутые выше механизма формирования структуры поликристаллической оболочки, а именно: благодаря взаимодействию графита или аморфного углерода в порах с кремнием образуются дополнительные связи алмаз - карбид, а результатом взаимодействия с переходными металлами являются дополнительные связи алмаз-алмаз. Свойства полученной поликристаллической оболочки на основе алмаза будут соответствовать табл.2 или табл.3 в зависимости от соотношения составляющих активирующей добавки.When using activating additives consisting of silicon and transition metals of the Periodic system of elements (for example, TiSi, ZrSi 2 , etc.), both of the above-mentioned mechanisms of formation of the structure of a polycrystalline shell are realized, namely, due to the interaction of graphite or amorphous carbon in pores with silicon, additional diamond - carbide bonds, and the result of interaction with transition metals are additional diamond-diamond bonds. The properties of the obtained diamond-based polycrystalline shell will correspond to Table 2 or Table 3, depending on the ratio of the components of the activating additive.

При выполнении оболочки из материала на основе PCBN активирующая добавка содержит алюминий и/или нитриды, бориды и/или силициды металлов IIIa, IVa, IVб, Vб, VIб, VIIб и VIII групп Периодической системы элементов. Оболочка формируется при высоких давлениях и температурах, которые отвечают термодинамической стабильности cBN, путем реакционного спекания порошков cBN с алюминием и/или вышеупомянутыми тугоплавкими соединениями. Такие условия обеспечивают получение структуры поликристаллической оболочки, которая представляет непрерывный каркас, образованный непосредственно контактирующими зернами cBN и распределенной по границам зерен, где отсутствует такой контакт, связывающей керамики из тугоплавких соединений. Состав керамики определяется реакциями, которые проходят между компонентами, формирующими оболочку, включая примеси.When the shell is made of a material based on PCBN, the activating additive contains aluminum and / or nitrides, borides, and / or silicides of metals IIIa, IVa, IVb, Vb, VIb, VIIb, and VIII of the Periodic Table of the Elements. The shell is formed at high pressures and temperatures that correspond to the thermodynamic stability of cBN by reactive sintering of cBN powders with aluminum and / or the aforementioned refractory compounds. Such conditions provide a polycrystalline shell structure, which is a continuous framework formed by directly contacting cBN grains and distributed along grain boundaries where there is no such contact connecting ceramics from refractory compounds. The composition of ceramics is determined by the reactions that take place between the components that form the shell, including impurities.

Оптимальное количество активирующей добавки, которое составляет 5-30 мас.%, обеспечивает оптимальное объединение величины поверхности контакта cBN-cBN с величиной поверхности контакта cBN - тугоплавкая керамика. Прочность таких контактов и физико-механические свойства керамики, сформированной благодаря активирующим добавкам, определяют комплекс физико-механических свойств оболочки на основе PCBN (табл.4).The optimal amount of activating additive, which is 5-30 wt.%, Provides the optimal combination of the contact surface cBN-cBN with the contact surface cBN - refractory ceramics. The strength of such contacts and the physicomechanical properties of ceramics formed due to activating additives determine the complex of physicomechanical properties of the shell based on PCBN (Table 4).

Таблица 4Table 4 Основные физико-химические характеристики оболочки на основе PCBN с активирующей добавкойThe main physicochemical characteristics of the shell based on PCBN with an activating additive Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 3,35-3,383.35-3.38 Твердость по Кнупу, ГПаKnoop hardness, GPa 28-3028-30 Трещиностойкость, МПа/м1/2 Crack resistance, MPa / m 1/2 10,510.5 Предел прочности при сжатии, ГПаUltimate compressive strength, GPa 2,92.9 Модуль Юнга, ГПаYoung's modulus, GPa 920920 Теплопроводность, Вт/(м·К)Thermal conductivity, W / (m · K) 7070 Термостабильность, КThermostability, K 14001400

Примеры конкретной реализации изобретения приведены в табл.5.Examples of specific implementations of the invention are given in table 5.

Таблица 5Table 5 № п/пNo. p / p СТМSTM Состав активирующей добавкиThe composition of the activating additive Количество активирующей добавки, мас.%The amount of activating additives, wt.% Прочность на сжатие, ГПаCompressive strength, GPa Термостабильность, КThermostability, K 1one алмазdiamond SiSi 1010 3,13,1 15001500 22 алмазdiamond TiSi2 TiSi 2 55 2,92.9 15001500 33 алмазdiamond ZrSi2 ZrSi 2 15fifteen 2,22.2 15001500 4four алмазdiamond CoCo 1010 3,23.2 11001100 55 алмазdiamond Co-NiCo-ni 30thirty 2,82,8 10001000 66 алмазdiamond нетno -- 1,41.4 720720 77 cBNcBN AlAl 88 2,92.9 14001400 88 cBNcBN AlNAln 15fifteen 2,72.7 13501350 99 cBNcBN Si3N4 Si 3 N 4 30thirty 2,72.7 13801380 1010 cBNcBN GeSiGeSi 88 2,42,4 13001300 11eleven cBNcBN TiB2 TiB 2 20twenty 2.62.6 14001400 1212 cBNcBN TiNTiN 15fifteen 2,62.6 13801380 1313 cBNcBN CrB4 CrB 4 66 2,32,3 13201320 14fourteen cBNcBN NiSi2 Nisi 2 88 2,52.5 13401340 15fifteen cBNcBN нетno -- 1,41.4 720720

Примеры 1-5 и 7-14 приведены для тех случаев, которые касаются заявленных признаков.Examples 1-5 and 7-14 are given for those cases that relate to the claimed features.

Примеры 6 и 15 приведены для тех случаев, которые находятся за пределами заявленных признаков. Как видим, при отсутствии активирующей добавки при формировании поликристаллической оболочки, существенно снижаются прочность и термостабильность сверхтвердого материала.Examples 6 and 15 are provided for those cases that are beyond the scope of the claimed features. As you can see, in the absence of an activating additive during the formation of a polycrystalline shell, the strength and thermal stability of the superhard material are significantly reduced.

Таким образом, благодаря тому, что CVD-алмаз находится в оболочке из поликристаллического алмаза или cBN, а спекание осуществляется при высоких давлениях и температурах, существенно повышается термостабильность изготовленного сверхтвердого материала (с 870 до 1500 К в зависимости от типа активирующей добавки). Кроме того, при спекании в условиях высоких давлений и температур в CVD-алмазе реализуется деформационное упрочнение, что способствует существенному повышению физико-механических свойств сверхтвердого материала и становится возможным его использование в буровом инструменте и других типах инструмента, которые работают при больших нагрузках.Thus, due to the fact that CVD diamond is in a shell made of polycrystalline diamond or cBN, and sintering is carried out at high pressures and temperatures, the thermal stability of the manufactured superhard material significantly increases (from 870 to 1500 K, depending on the type of activating additive). In addition, during sintering under conditions of high pressures and temperatures, strain hardening is realized in CVD diamond, which contributes to a significant increase in the physicomechanical properties of the superhard material and it becomes possible to use it in a drilling tool and other types of tools that operate at high loads.

Claims (4)

1. Сверхтвердый материал, содержащий CVD-алмаз, отличающийся тем, что его поверхность частично или полностью в условиях высокого давления и температуры окружена оболочкой из поликристаллического алмаза (PCD) или поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) со связью между зернами алмаз - алмаз или зернами cBN-cBN, между которыми размещена активирующая добавка.1. A superhard material containing CVD diamond, characterized in that its surface is partially or completely at high pressure and temperature surrounded by a shell of polycrystalline diamond (PCD) or polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) with a bond between the diamond - diamond grains or grains cBN-cBN, between which activating additive is placed. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что площадь оболочки, охватывающей CVD-алмаз, составляет не менее 40% его поверхности.2. The material according to claim 1, characterized in that the area of the shell covering the CVD diamond is at least 40% of its surface. 3. Материал по п.1, отличающийся тем, что упомянутая оболочка содержит 70-95 мас.% PCD или PCBN и 5-30 мас.% активирующей добавки.3. The material according to claim 1, characterized in that the said shell contains 70-95 wt.% PCD or PCBN and 5-30 wt.% Activating additives. 4. Материал по п.1, отличающийся тем, что при выполнении оболочки из поликристаллического материала на основе PCD активирующая добавка содержит кремний и/или по крайней мере один из переходных металлов Периодической системы элементов, а при выполнении оболочки из поликристаллического материала на основе PCBN активирующая добавка содержит алюминий и/или нитриды, бориды и/или силициды металлов IIIa, IVa, IVб, Vб, VIб, VIIб и VIII групп Периодической системы элементов. 4. The material according to claim 1, characterized in that when the shell is made of a polycrystalline material based on PCD, the activating additive contains silicon and / or at least one of the transition metals of the Periodic system of elements, and when the shell is made of a polycrystalline material based on PCBN, the activating additive the additive contains aluminum and / or nitrides, borides and / or silicides of metals IIIa, IVa, IVb, Vb, VIb, VIIb and VIII of the Periodic Table of the Elements.
RU2008152306/03A 2008-12-30 2008-12-30 Superhard material RU2413699C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008152306/03A RU2413699C2 (en) 2008-12-30 2008-12-30 Superhard material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008152306/03A RU2413699C2 (en) 2008-12-30 2008-12-30 Superhard material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008152306A RU2008152306A (en) 2010-07-10
RU2413699C2 true RU2413699C2 (en) 2011-03-10

Family

ID=42684220

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008152306/03A RU2413699C2 (en) 2008-12-30 2008-12-30 Superhard material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2413699C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538551C1 (en) * 2013-07-19 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component
CN105525345A (en) * 2016-02-18 2016-04-27 彭建国 Polycrystalline diamond synthesized ultra-hard material and production technology thereof
RU2707609C1 (en) * 2018-06-08 2019-11-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Method for additive formation of polycrystalline diamond articles
RU2718075C2 (en) * 2014-05-30 2020-03-30 Бейкер Хьюз Инкорпорейтед Methods of producing polycrystalline diamond, cutting elements and tools containing polycrystalline diamond

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538551C1 (en) * 2013-07-19 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук Diamond polycrystalline composite material with reinforcing diamond component
RU2718075C2 (en) * 2014-05-30 2020-03-30 Бейкер Хьюз Инкорпорейтед Methods of producing polycrystalline diamond, cutting elements and tools containing polycrystalline diamond
CN105525345A (en) * 2016-02-18 2016-04-27 彭建国 Polycrystalline diamond synthesized ultra-hard material and production technology thereof
CN105525345B (en) * 2016-02-18 2018-06-26 长春阿尔玛斯科技有限公司 Polycrystalline diamond synthesizing superhard material and its production technology
RU2707609C1 (en) * 2018-06-08 2019-11-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Method for additive formation of polycrystalline diamond articles

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008152306A (en) 2010-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tillmann Trends and market perspectives for diamond tools in the construction industry
US5435815A (en) Cutting tool employing vapor-deposited polycrystalline diamond for cutting edge and method of manufacturing the same
US5106392A (en) Multigrain abrasive particles
US20130337248A1 (en) High density polycrystalline superhard material
JP5974048B2 (en) Method for producing cubic boron nitride molded body
US20040206008A1 (en) SiCN compositions and methods
US20110020163A1 (en) Super-Hard Enhanced Hard Metals
Sumiya Novel development of high-pressure synthetic diamonds “Ultra-hard Nano-polycrystalline Diamonds”
SE457537B (en) DIAMOND PRESSURE BODY FOR A TOOL AND WAY TO MANUFACTURE IT
KR20050072753A (en) Method for producing a sintered, supported polycrystalline diamond compact
US20080226897A1 (en) Cubic Boron Nitride Compacts
RU2413699C2 (en) Superhard material
JP2949863B2 (en) High toughness polycrystalline diamond and method for producing the same
JP7143307B2 (en) Coating method for solid diamond material
JP3397849B2 (en) Diamond coated cemented carbide tool
GB2091763A (en) Laminated sintered compositions including boron nitride
US6461990B1 (en) Cubic boron nitride composite particle
Fukunaga Science and technology in the recent development of boron nitride materials
JPH0665745A (en) Diamond-coated hard material and its production
US6632477B2 (en) SiCN compositions and methods
JPH04261703A (en) Polycrystal diamond cutting tool
JPH0671503A (en) Diamond cutting tool and its manufacture
JPH11335174A (en) Cubic boron nitride sintered compact
JPH10226575A (en) High-pressure form of boron nitride sintered compact for cutting tool
JPS62108716A (en) Production of cubic boron nitride

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181231