Комплексный анализ алмазных частиц композитов, полученных взрывным прессованием

Вместе с тем, процессы взрывного прессования, достаточно хорошо изученные для многих порошковых материалов, мало исследованы в случае использования смесей, содержащих порошки алмаза (особенно природного). Одним из важнейших факторов, определяющих качество алмазосодержащих композитов, является сохранность алмазной компоненты после воздействия формирующих технологий.

Целью данной работы является комплексное исследование сохранности частиц природного алмаза в АМК, полученных взрывным прессованием, включающее анализ на присутствие в этих частицах неалмазного углерода, а также анализ изменений гранулометрического состава и характеристик прочности при варьировании мощности заряда взрывчатого вещества и твердости связующего материала.

Материалы и методика эксперимента. В качестве матричного материала в работе использовали порошки, относящиеся к разным классам сплавов на основе железа: ПХ18Н9Т (относительно мягкий порошок нержавеющей стали с микротвердостью 1800-2200 МПа) и ПР-ФБХ6 (износостойкий порошок повышенной твердости для напыления; микротвердость 5900-7100 МПа). Алмазный порошок А7К80 500/400 вводили в матричные порошки из расчета получения 100% их содержания в беспористом компакте. Для взрывного прессования использовали аммонит 6ЖВ в случае связки ПХ18Н9Т или более мощный грануло-тол в случае связки ПР-М6Ф3. Взрывное прессование проводили по цилиндрической схеме при двух режимах, различающихся по мощности воздействия, для чего варьировали диаметр DВВ засыпки каждого из взрывчатых веществ (DВВ=40 и 50 мм). Для высвобождения («рекуперации») алмазных частиц прессовки опускали в царскую водку, которая растворяла металлический связующий материал. Гранулометрический анализ и исследование статической прочности алмазных зерен в исходном состоянии и после рекуперации проводились по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 9206-80. Прочность определяется как среднее значение не менее 50 измерений при статическом сжатии каждого зерна между двумя корундовыми пластинками и выражается в граммах. Спектры поглощения ИК-излучения записаны при комнатной температуре; зерна алмаза размещали на таблетке NaCl, спектр поглощения таблеток записывался перед спектром образца и затем автоматически вычитался.

Обсуждение результатов. Рекуперированные из экспериментальных образцов АМК порошки алмазов представляют собой совокупность зерен различной величины и формы в виде монокристаллов, их осколков и поликристаллов (рис. 1). Отсутствие признаков овализации и хорошо развитые режущие грани благоприятствуют абразивным свойствам композитов.

На ИК-микроскопе Centaurus совмещенном с ИК-Фурье спектрометром Avatar-370 («ThermoElectron») были получены спектры поглощения рекуперированных алмазов. На типичном спектре поглощения (рис. 2) видно, что имеются полосы поглощения при 1010, 1100, 1175, 1215, 1282, 1378 см-1. Полосы поглощения свыше 1667 см-1 не рассматривались, поскольку они относятся в основном к решеточным колебаниям. Существуют 2 типа спектров оптического поглощения в ИК-диапазоне и, соответственно, 2 типа природных алмазов. Алмазы типа I обнаруживают ИК-поглощение в области длин волн от 2 до 6 мкм (волновое число 1667-5000 см-1) и от 8 до 33,3 мкм (1250-300 см-1). Алмазы II типа имеют поглощение только в области 2-6 мкм (волновое число 1667-5000 см-1) и считаются «неазотной» разновидностью. Поглощение в этой области является собственным решеточным поглощением, тогда как поглощение в области 8-33,3 мкм обусловлено присутствием примесного азота. Такие алмазы содержат азот в ряде различных форм. Алмаз типа I был подразделен на тип Iа и тип Ib в зависимости от формы, которую азот принимает в пределах структуры отдельных кристаллов. Атомы азота в алмазах типа Iа присутствуют в различных агрегатных формах, в то время как в алмазах типа Ib они рассеяны в изолированных местах замещения в виде С-центра. Группа алмазов IaA содержит тип азотного дефекта

«А»; группы IaB 1 и IaB B 2 – типы азотных дефектов «В 1 » и «В 2 ». Согласно современным представлениям азотные центры А содержат пару атомов азота в соседних узлах решетки и вызывают в однофононной области ИК-спектров поглощения систему полос 480, 1100, 1215 и 1282 см^-1. Дефект В 1 , по имеющимся предположениям, является агрегатом 4 атомов азота, расположенных тетраэдрически вокруг вакансии. В ИК-области центр вызывает систему полос поглощения 1010, 1100, 1175, 1332 см^-1. Модели центров В 2 с интенсивностью пика на 1359-1378 см^-1 еще дискутируются.

б)

Рис. 1. Алмазный порошок, рекуперированный из композита с матрицей ПХ18Н9Т; съемка на стереоскопическом микроскопе «Stemi 2000С» ( а ) и на микроскопе "Неофот-32" ( б , х50)

Судя по наличию полос поглощения при указанных волновых числах в исследованных кристаллах алмазов преобладает центр А (1100, 1215, 1282 см^-1), но имеются также центры В 1 (1010, 1100, 1175 см^-1) и В 2 (1378 см^-1). Следовательно, алмазные порошки, использованные в данной работе для получения композиционных материалов, принадлежат к переходному типу IaAB, которому соответствуют большинство природных алмазов.

Рис. 2. Основной тип ИК-спектров рекуперированных алмазных порошков

Важным является то, что в нагруженных ударной волной алмазных частицах не были выявлены характерные для графита полосы поглощения при 1580 см-1 и характерные для аморфного углерода полосы поглощения при 1500-1550 см-1. Отсутствие неалмазного углерода (графитизации) свидетельствует о хорошей сохранности алмазной компоненты при термобарических условиях выбранных режимов получения АМК. Ниже в таблице представлены результаты исследования характеристик алмазных порошков до и после воздействия ударных волн. Приняты следующие обозначения исследованных параметров (по ГОСТ 9206-80): dср, мкм – средний размер зерна; u, % – доля изометричных зерен; Оф, % – доля основной фракции; σ, Н – показатель прочности алмазного шлифпорошка.

Таблица. Характеристики алмазного порошка А7К80 500/400 до и после воздействия ударных волн

Как следует из данных таблицы, дробление алмазного порошка менее значительно в случае использования связки с большей твердостью; изменение среднего размера частиц алмаза колеблется в пределах от 4 до 18%. Следует отметить, что однозначной зависимости между геометрическими параметрами образовавшихся при дроблении осколков и мощностью заряда не наблюдается. При использовании «мягкой» связки ПХ18Н9Т уве- личение мощности взрывного прессования не привело к уменьшению среднего размера и количества изометричных зерен, но сократило долю основной фракции с 43% до 29%. Аналогичный вывод следует из анализа изменений характеристик алмазного порошка, спрессованного с твердой связкой ПРМ6Ф3. При максимальном значении DВВ средний размер зерна и прочность алмазов снижаются значительно меньше, чем при минимальном.

Особый интерес представляет факт незначительного изменения характеристик алмазного порошка после взрывного прессования с твердой связкой ПРМ6Ф3. Средний размер зерна уменьшается на 4%, показатель прочности на 10%, а доля основной фракции сохраняется почти неизменной. Это является обоснованием перспективности взрывного прессования для изготовления АМК, так как традиционные способы спекания допускают снижение исходных характеристик приблизительно на 30% .

Выводы.

• 1.    Алмазные порошки, использованные для получения АМК методом взрывного прессования, относятся к наиболее распространенной разновидности природного алмаза переходного типа IaAB.

• 2.    Термобарические условия при выбранных режимах взрывного прессования алмазометаллических композитов не привели к овали-зации алмазных частиц и их графитизации (в ИК спектрах отсутствуют полосы поглощения, свойственные неалмазному углероду).

• 3.    Применение в составе матрицы порошка повышенной твердости при взрывном прессовании АМК дало возможность сохранить

• 4.    Показано, что одним из факторов перспективности использования энергии взрыва для получения высокоэффективных алмазосодержащих материалов, является возможность обеспечения лучшей сохранности алмазной компоненты, чем при традиционных способах спекания.

близкими к исходным гранулометрический состав и прочность алмазных зерен: снижение среднего размера зерна, доли основной фракции и статической прочности составило 4%, 1% и 10% соответственно.