Области применения СТМ

Порошки из СТМ применяют в основном для абразивных, правящих , камнеобрабатывающих инструментов в технологиях обработки особо труднообрабатываемых неметаллических материалов, а также используют как сырьё, для изготовления поликристаллов и композиционных материалов.

ПСТМ используют в качестве лезвийных инструментов при точении и фрезеровании высокопрочных высокоабразивных как металлических, так и неметаллических материалов: алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния, угле- и стеклопластиков, высокопрочных сталей и жаропрочных сплавов, термообработанных ( в первую очередь закалённых) сталей, различных наплавленных материалов. При этом наиболее существенно различаются инструменты на основе алмаза и КНБ. Причина- химическая нестабильность алмаза при высоких температурах в присутствии материалов на основе железа.

На рисунке 2.5 приведены области оптимального применения резцов из твёрдых сплавов и КНБ при точении и фрезеровании закалённых сталей.

Рисунок 2.5 – Области оптимального применения резцов из твёрдых сплавов и КНБ при точении (а) и фрезеровании (б)

Получение сверхтвёрдых материалов

Синтетические алмазы

Алмаз является самым твёрдым минералом в природе. По качественным характеристикам алмазы делятся на ювелирные и технические.

Кристаллические структуры графита(рисунок 2.6) и алмаза(рисунок 2.7) состоят из углерода.

Рисунок 2.6 – Гексагональная Рисунок 2.7 - Кристаллическая

кристаллическая решётка графита решётка алмаза

Теория синтеза алмазов впервые была предложена О.Л . Лейпунским . На основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит были сформулированы условия перехода графита в алмаз и рассчитана кривая равновесия графит-алмаз при высоких давлениях.

Таблица 2.2 – Физико-механические свойства графита и алмаза

Экспериментально установлено .что кристаллиты графита являются источниками центров кристаллизации алмаза. Кристаллиты представляют собой частицы графита с высокой степенью упорядоченности. При растворении металлом эти частицы достигают определённого размера и становятся центрами кристаллизации алмазов.

Образование алмазов при статических давлениях в системе, растворяющей углерод, представляет собой рост кристаллов из пересыщенного раствора углерода в расплаве металла, а рост кристаллов осуществляется за счёт диффузии атомов углерода через расплавленный металл. При этом источниками центров кристаллизации являются кристаллиты графита.

При синтезе алмазов из графита в зависимости от условий синтеза рост кристаллов алмазов может осуществляться по различным механизмам:

1)при синтезе монокристаллов алмаза (при малых пересыщениях) рост кристаллов происходит за счёт диффузии атомов углерода через расплавленный метал;

2)при синтезе поликристаллических алмазов ( при больших пересыщениях) рост кристаллов может осуществляться одновременно за счёт диффузии атомов углерода и микрогруппировок через расплавленный металл.

3)при экстремальных условиях ( условия прямого перехода графита в алмаз без использования растворителей углерода) происходит трансформация графитовой решётки в алмазную (переход мартенситного типа).

Для получения полупроводниковых алмазов разработаны способы синтеза в присутствии магния, алюминия и титана. Эти алмазы используются в качестве быстродействующих датчиков температуры.

Для получения алмазов ювелирного качества размером 5..8 мм используется способ выращивания кристаллов в температурном градиенте на затравке.

Аппаратура высокого давления в производстве сверхтвёрдых материалов (СТМ) ( алмаза, кубического нитрида бора и поликристаллических материалов на их основе) определяет производительность процесса и себестоимость СТМ.

Наличие металлических включений в кристаллах алмазов приводит к снижению их прочности и особенно термостойкости. Известно , что нагрев синтетических алмазов, начиная с температуры 850⁰с может привести к снижению их прочности. Температура спекания алмазного слоя для интсрументов, работающих в особо тяжёлых условиях, составляет не более 1000…1220⁰с. Но и при таких температурах спекания может происходить уменьшение исходной прочности алмазов, что приводит к снижению их работоспособности.

Известны механизмы образования включений в кристаллах алмаза. Один из них заключается в захвате включений вершинами кристалла (при малых пересыщениях) и рёбрами (в условиях больших пересыщений) , другой – в заращивании маточного раствора в центральных пирамидах нарастания в местах встречи слоёв.

Включения в кристаллах можно условно классифицировать на две группы:

1)ориентированные , когда захват включений осуществляется вершинами и рёбрами кристалла (рисунок 2.8);

2)локальные крупные включения, заращенные центральным пирамидами нарастания(рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Синтетический алмаз Рисунок 2.10 – Синтетический алмаз

с ориентированными включениями с локальными включениями

Образование трещин в кристаллах после нагрева связано с резким увеличением объёма включений сплава-растворителя. Эти процессы проходят ещё до плавления растворителя.