powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-3-64-75powder-386Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsСтруктура переходной зоны алмаз–матрица и стойкость инструмента, полученного при металлизации алмаза хромом в процессе спекания WC–Сo-брикета c пропиткой медьюStructure of diamond-matrix interface and durability of diamond tool obtained by diamond metallization with chromium during WC–Сo briquette sintering with copper impregnationШаринП. П.SharinP. P.

Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела физикохимии материалов и технологий ИФТПС СО РАН.

677980, Якутск, ул. Октябрьская, 1

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading researcher, Department of materials and technology physics and chemistry IPTPN SB RAS.

677980, Yakutsk, Oktyabrskaya str., 1

psharin1960@mail.ruАкимоваМ. П.AkimovaM. P.

Аспирант отдела физикохимии материалов и технологий ИФТПС СО РАН.

677980, Якутск, ул. Октябрьская, 1

Postgraduate student, Department of materials and technology physics and chemistry IPTPN SB RAS.

677980, Yakutsk, Oktyabrskaya str., 1

mar1ya_ak1mova@mail.ruЯковлеваС. П.YakovlevaS. P.

Доктор технических наук, главныйнаучный сотрудник отдела материаловедения ИФТПС СО РАН.

677980, Якутск, ул. Октябрьская, 1

Dr. Sci. (Tech.), Chief research scientist, Department of materials, IPTPN SB RAS.

677980, Yakutsk, Oktyabrskaya str., 1

spyakovleva@yandex.ruПоповВ. И.PopovV. I.

Кандидат физико-математических наук, старщий научный сотрудник учебной научно-технологической лаборатории «Графеновые нанотехнологии» Физико-технического института.

677000, Якутск, ул. Белинского, 58

Popov V.I. – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior research scientist, Scientific and technological laboratory «Graphene nanotechnologies», Physical and Technical Institute.

677000, Yakutsk, Belinskogo str., 58

volts@mail.ruИнститут физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова (ИФТПС) СО РАНРоссияInstitute of Physical and Technical Problems of the North Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationCеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияNorth-Eastern Federal UniversityRussian Federation201817092018036475Copyright © Шарин П.П., Акимова М.П., Яковлева С.П., Попов В.И., 20182018Шарин П.П., Акимова М.П., Яковлева С.П., Попов В.И.Sharin P.P., Akimova M.P., Yakovleva S.P., Popov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/386

Изучены строение, элементный и фазовый составы переходной зоны алмаз–матрица алмазного инструмента для правки абразивных кругов, изготовленного по новой гибридной технологии. Она совмещает в одном цикле работы вакуумной печи термодиффузионную металлизацию алмаза хромом и спекание матрицы на основе твердосплавной порошковой смеси ВК6 с пропиткой медью. В процессе спекания матрицы компактное размещение частиц порошка хрома вокруг алмазных зерен и экранирующий эффект медной фольги создают благоприятные условия, обеспечивающие термодиффузионную металлизацию алмаза. Методами растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального, рентгенофазового анализа и рамановской спектроскопии установлено, что при заданных в эксперименте температурно-временных режимах и условиях спекания на поверхности алмаза формируется металлизированное покрытие, химически сцепленное с алмазом и состоящее из фаз карбида хрома, твердого раствора кобальта в хроме, что обеспечивает прочное алмазоудержание твердосплавной матрицы, пропитанной медью. При этом структура и микротвердость матрицы, за исключением областей, непосредственно примыкающих к переходной зоне алмаз–матрица, остаются такими же, как и матрица твердосплавной порошковой смеси, спеченной в отсутствие хрома. Проведены сравнительные испытания однотипных алмазных правящих карандашей, которые показали высокую эффективность гибридной технологии получения алмазосодержащих композитов инструментального назначения. Показано, что удельная производительность опытного образца карандаша, изготовленного по гибридной технологии, при правке шлифовального круга из зеленого карбида кремния cоставила 51,50 см3/мг, что превышает на 44,66 % аналогичный показатель однотипного контрольного карандаша, полученного традиционным методом.

The paper studies the structure, elemental and phase composition of the diamond-matrix interface in a diamond tool for abrasive wheel dressing manufactured using a new hybrid technology that combines thermal diffusion metallization of diamond with chromium and sintering of a matrix based on WC–6%Co carbide powder mixture with copper impregnation in a single cycle of vacuum furnace operation. During matrix sintering, the compact arrangement of chromium powder particles around diamond grains and the shielding effect of copper foil create favorable conditions that ensure the thermal diffusion metallization of diamond. Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy show that temperature-time modes and sintering conditions specified in the experiment provide for a metal coating chemically bonded to diamond that is formed on the diamond surface and consists of chromium carbide phases and cobalt solid solution in chromium providing durable diamond retention in the copper-impregnated carbide matrix. In this case, matrix structure and microhardness except for areas directly adjacent to the diamond-matrix interface remain the same as for the matrix of a powder mixture sintered without chromium. Comparative tests of similar diamond dressing pens were carried out and showed the high effectiveness of the hybrid technology in obtaining diamond-containing composites intended for tool applications. It is shown that the specific productivity of a pen prototype made using the hybrid technology was 51,50 cm3/mg when dressing a grinding wheel of green silicon carbide that is 44,66 % higher than the similar indicator for the sametype check pen made by the traditional method.

природный алмазтвердосплавная матрицаметаллизация алмазаметаллокарбидное покрытиеспекание с пропиткоймежфазная границаалмазоудержаниеудельная производительность инструментаnatural diamondcarbide matrixdiamond metallizationmetal-carbide coatingsintering with impregnationinterphase boundarydiamond retentionspecific productivity of the toolReferencesTher O., Colin C., Gerbaud L., Dourfaye A. Effect of gradation by reactive imbibition on commercial WC—Co drilling tools used in oil and gas industries // Proc. 18-th Int. Plansee Seminar (Eds. G. Kneringer, P. Rodhammer, H. Wildner) Reutte, Austria: Plansee Holding AG P/M Hard Mater. HM 10/1—HM10/14. 2013.Ther O., Colin C., Gerbaud L., Dourfaye A. Effect of gradation by reactive imbibition on commercial WC—Co drilling tools used in oil and gas industries. In: Proc. 18-th Int. Plansee Seminar (Eds.: G. Kneringer, P. Rodhammer, H. Wildner). Reutte, Austria: Plansee Holding AG, P/M Hard Mater. HM 10/1—HM10/14. 2013.Tönshoff H.K., Hillmann-Apmann H., Asche J. Diamond tools in stone and civil engineering industry: cutting principles, wear and applications // Diam. Relat. Mater. 2002. No. 11. P. 736—741.Tönshoff H.K., Hillmann-Apmann H., Asche J. Diamond tools in stone and civil engineering industry: cutting principles, wear and applications. Diam. Relat. Mater. 2002. No. 11. P. 736—741.Heinz W.F. Diamonds, diamond bits, reaming shells, core barrels. Diamond Drilling Handbook. SADA. S. Africa: Sigma Press, 1985.Heinz W.F. Diamonds, diamond bits, reaming shells, core barrels. Diamond Drilling Handbook. SADA. S. Africa: Sigma Press, 1985.Коновалов В.А., Ткач В.Н., Шатохин В.В. Разрушение металлической связки при высокоскоростном циклическом нагружении алмазного зерна // Породоразрушающий и металлобрабатывающий инструмент — техника и технология его изготовления и применения: Сб. научный тр. ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины. 2009. No. 12. С. 504—508.Konovalov V. A., Tkach V. N., Shatokhin V.V. Razrushenie metallicheskoi svyazki pri vysokoskorostnom tsiklicheskom nagruzhenii almaznogo zerna [Destruction of a metal bonding during high-speed cyclic loading of diamond grain]. In: Porodorazrushayushchii i metalloobrabatyvayushchii instrument — tekhnika i tekhnologiya ego izgotovleniya i primeneniya: Sbornik nauchnykh trudov ISM NAN Ukrainy. 2009. No. 12. P. 504—508.Яхутлов М.М., Карамурзов Б.С., Беров З.Ж., Батыров У.Д., Нартыжев Р.М. Направленное формирование межфазной границы алмаз—матрица с использованием нанопокрытий // Изв. Кабард.-Балкар. гос. ун-та. 2011. Т. 1. No. 4. С. 23—25.Yakhutlov M.M., Karamurzov B.S., Berov Z.Zh., Batyrov U.D., Nartyzhev R.M. Napravlennoe formirovanie mezhfaznoi granitsy almaz-matritsa s ispol’zovaniem nanopokrytii [Directional formation of the interface boundary of a diamond-matrix using nanocoatings]. Izv. KabardinoBalkarskogo gos. universiteta. 2011. Vol. 1. No. 4. P. 23—25.Исонкин А.М., Богданов Р.К. Влияние металлизации алмазов на показатели работоспособности буровых коронок // Науковi працi ДонНТУ. Сер. Гiрничо-геологiчна. 2011. No. 14(181). С. 158—163.Isonkin A.M., Bogdanov R.K. Vliyanie metallizacii almazov na pokazateli rabotosposobnosti burovykh koronok [Effect of diamond metallization on the performance of drilling bits]. Naukovi praci DonNTU. Ser. Girnicho-geologichna. 2011. No. 14(181). P. 158—163.Шарин П.П., Яковлева С.П., Гоголев В.Е., Васильева М.И. Структурная организация высокоизносостойких алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных порошков, полученных методом спекания с пропиткой медью // Перспект. матер. 2015. No. 6. С. 66—77.Sharin P.P., Yakovleva S.P., Gogolev V.E., Vasil’eva M.I. Strukturnaya organizatsiya vysokoiznosostoikikh almazosoderzhashchikh kompozitov na osnove tverdosplavnykh poroshkov, poluchennykh metodom spekaniya s propitkoi med’yu [Structural organization of highly wearresistant diamond-containing composites based on carbide powders obtained by sintering with copper impregnation]. Perspektivnye materialy. 2015. No. 6. P. 66—77.Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А., Олейник Г.С. Влияние диффузии и химических реакций на структуру и свойства буровых вставок. 2. Результаты аттестации структурного состояния сверхтвердых материалов состава алмаз— твердый сплав ВК6 // Физическая мезомеханика. 2006. Т. 9. No. 2. С. 107—116.Novikov N.V., Bondarenko N.A., Zhukovskii A.N., Mechnik V.A., Oleinik G.S. Vliyanie diffuzii i khimicheskikh reaktsii na strukturu i svoistva burovykh vstavok. 2. Rezul’taty attestatsii strukturnogo sostoyaniya sverkhtverdykh materialov sostava almaz-tverdyi splav VK6 [Influence of diffusion and chemical reactions on the structure and properties of drilling inserts. 2. Attestation results of the structural state of superhard materials of the diamond-carbide VK6 composition]. Fizicheskaya mezomekhanika. 2006. Vol. 9. No. 2. P. 107—116.Qiu W.Q., Liu Z.W., He L.X., Zeng D.C., Mai Y.-W. Improved interfacial adhesion between diamond film and copper substrate using a Cu (Cr)-diamond composite interlayer // Mater. Lett. 2012. Vol. 81. P. 155—157.Qiu W.Q., Liu Z.W., He L.X., Zeng D.C., Mai Y.-W. Improved interfacial adhesion between diamond film and copper substrate using a Cu (Cr)-diamond composite interlayer. Mater. Lett. 2012. Vol. 81. P. 155—157.Artini C., Muolo M.L., Passerone A. Diamond—metal interfaces in cutting tools: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. No. 7. P. 3252—3264.Artini C., Muolo M.L., Passerone A. Diamond—metal interfaces in cutting tools: a review. J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. No. 7. P. 3252—3264.Hsieh Y.-Z., Chen J.-F., Lin S.-T. Pressureless sintering of metal-bonded diamond particle composite // J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 5383—5387.Hsieh Y.-Z., Chen J.-F., Lin S.-T. Pressureless sintering of metal-bonded diamond particle composite. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 5383—5387.Molinari A., Marchetti F., Cialanella S., Scardi Р., Tiziani A. Study of the diamond-matrix interface in hotpressed cobalt-based tools // Mater. Sci. Eng. 1990. Vol. A130. P. 257—262.Molinari A., Marchetti F., Cialanella S., Scardi Р., Tiziani A. Study of the diamond-matrix interface in hot-pressed cobalt-based tools. Mater. Sci. Eng. 1990. Vol. A130. P. 257—262.Сидоренко Д.А., Левашов Е.А., Логинов П.А., Швындина Н.В., Скрылева Е.А., Ускова И.Е. О механизме самопроизвольного плакирования алмаза карбидом вольфрама в процессе спекания инструмента с наномодифицированной металлической связкой Сu—Fe— Co—Ni // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 5. С. 53—63.Sidorenko D.A., Levashov E.A., Loginov P.A., Shvyndina N.V., Skryleva E.A., Uskova I.E. O mekhanizme samoproizvol’nogo plakirovaniya almaza karbidom vol’frama v protsesse spekaniya instrumenta s nanomodifitsirovannoi metallicheskoi svyazkoi Su—Fe—Co—Ni [Mechanism of spontaneous diamond plating with tungsten carbide during the sintering of a tool with nanomodified Cu—Fe—Co—Ni metal bond]. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2015. Vol. 5. P. 53—63.Локтюшин В.А., Гуревич Л.М. Получение нанотолщинных металлических покрытий на сверхтвердых материалах методом термодиффузионной металлизации // Изв. Волжск. гос. техн. ун-та. 2009. Т. 11. No. 3. С. 50—54.Loktyushin V.A., Gurevich L.M. Poluchenie nanotolshchinnykh metallicheskikh pokrytii na sverkhtverdykh materialakh metodom termodiffuzionnoi metallizatsii [Obtaining nano-thick metal coatings on superhard materials by thermal diffusion metallization]. Izv. Volzhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2009. Vol. 11. No. 3. P. 50—54.Tillmann W., Kronholz C., Ferreira M., Knote A., Theisen W., Schütte P., Schmidt J. Diamond-metal-matrix interaction in diamond tools, fabricated by conventional and current induced short-time sintering processes // Int. J. Powder Metall. 2011. Vol. 47. No. 4. P. 29—36.Tillmann W., Kronholz C., Ferreira M., Knote A., Theisen W., Schütte P., Schmidt J. Diamond-metal-matrix interaction in diamond tools, fabricated by conventional and current induced short-time sintering processes. International J. Powder Metal. 2011. Vol. 47. No. 4. P. 29—36.Tillmann W., Ferreira M., Steffen A., Rüster K., Möller J., Bieder S., Paulus M., Tolan M. Carbon reactivity of binder metals in diamond-metal composites — characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction // Diam. Relat. Mater. 2013. Vol. 38. P. 118—123.Tillmann W., Ferreira M., Steffen A., Rüster K., Möller J., Bieder S., Paulus M., Tolan M. Carbon reactivity of binder metals in diamond-metal composites — characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Diam. Relat. Mater. 2013. Vol. 38. P. 118—123.Uemura M. An analysis of the catalysis of Fe, Ni or Co on the wear of diamonds // Tribol. Inter. 2004. Vol. 37. P. 887—892.Uemura M. An analysis of the catalysis of Fe, Ni or Co on the wear of diamonds. Tribol. Inter. 2004. Vol. 37. P. 887—892.Li W.-S., Zhang J., Dong H.-F., Chu K., Wang S.-C., Liu Y., Li Y.-M. Thermodinamic and kinetic study on interfacial reaction and diamond graphitization of Cu—Fe-based diamond composite // Chin. Phys. B. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 018102.Li W.-S., Zhang J., Dong H.-F., Chu K., Wang S.-C., Liu Y., Li Y.-M. Thermodinamic and kinetic study on interfacial reaction and diamond graphitization of Cu—Fe-based diamond composite. Chin. Phys. B. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 018102.Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds: PhD Thesis. University of Nottingham, 2003.Margaritis D.-P. Interfacial bonding in metal-matrix composites reinforced with metal-coated diamonds: PhD thesis. University of Nottingham, 2003.Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N. F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools // Proc. Int. Conf. on Stone and Concrete Machining (ICSCM). 2015. Vol. 3. P. 21—30.Tillmann W., Tolan M., Lopes-Dias N.F., Zimpel M., Ferreira M., Paulus M. Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools. In: Proc. Inter. Conf. on Stone and Concrete Machining (ICSCM). 2015. Vol. 3. P. 21—30.Romansky A. Factors affecting diamond retention in powder metallurgy diamond tools // Arch. Metal. Mater. 2010. Vol. 55. No. 4. P. 1073—1081.Romansky A. Factors affecting diamond retention in powder metallurgy diamond tools. Arch. Metal. Mater. 2010. Vol. 55. No. 4. P. 1073—1081.Bushmer C.P., Crayton P.H. Carbon self-diffusion in tungsten carbide // J. Mater. Sci. 1971. Vol. 6. P. 981—988.Bushmer C.P., Crayton P.H. Carbon self-diffusion in tungsten carbide. J. Mater. Sci. 1971. Vol. 6. P. 981—988.Шарин П.П., Никитин Г.М., Лебедев М.П., Атласов В.П., Попов В.И. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей: Пат. 2607393 (РФ). 2017.Sharin P.P., Nikitin G.M., Lebedev M.P., Atlasov V.P., Popov V.I. Sposob polucheniya kompozitsionnoi almazosoderzhashchei matritsy s povyshennym almazouderzhaniem na osnove tverdosplavnykh poroshkovykh smesei [A method of obtaining a composite diamond-containing matrix with increased diamond retention based on carbide powder mixtures]: Pat. 2607393 (RF). 2017.Шарин П.П., Яковлева С.П., Гоголев В.Е., Попов В.И. Строение и прочность переходной зоны при твердофазном высокотемпературном взаимодействии алмаза к карбидообразующими металлами — хромом и кобальтом // Перспект. материалы. 2015. No. 7. С. 47—60.Sharin P.P., Yakovleva S.P., Gogolev V.E., Popov V.I. Stroenie i prochnost’ perekhodnoi zony pri tverdofaznom vysokotemperaturnom vzaimodeistvii almaza s karbidoobrazuyushchimi metallami — khromom i kobal’tom [Structure and strength of transition area from natural diamond to chromium and cobalt carbide-forming metals under high-temperature interaction]. Perspektivnye materialy. 2015. No. 7. P. 47—60.Шарин П.П., Лебедев М.П., Гоголев В.Е., Ноговицын Р.Г., Атласов В.П., Слободчиков П.А. Способ изготовления алмазного инструмента: Пат. 2478455 (РФ). 2012.Sharin P.P., Lebedev M.P., Gogolev V.E., Nogovicyn R.G., Atlasov V.P., Slobodchikov P.A. Sposob izgotovleniya almaznogo instrumenta [A method of diamond tool fabrication]: Pat. 2478455 (RF). 2012.Цыпин Н.В., Симкин Э.С., Костенецкая Г.Д. Металлографическое исследование взаимодействия алмазов с металлами при высоких температурах // Адгезия и пайка материалов. 1979. No. 4. С. 78—80.Tsypin N.V., Simkin E.S., Kostenetskaya G.D. Metallograficheskoe issledovanie vzaimodeistviya almazov s metallami pri vysokikh temperaturakh [Metallographic study of diamonds interaction with metals at high temperatures]. Adgeziya i paika materialov. 1979. No. 4. P. 78—80.Стасюк Л.Ф., Кушатлова И.П., Ускокович Д.П., Крстанович И., Радич С.М., Ристич М.М. Реакционное спекание в системе алмаз — карбид титана — хром под высоким давлением // Гласник хемиjског друштва Београд. Bulletin de la societe chimique Beograd. 1984. T. 49. No. 9. С. 563—569.Stasyuk L.F., Kushatlova I.P., Uskokovich D.P., Krstanovich I., Radich S.M., Ristich M.M. Reaktsionnoe spekanie v sisteme almaz — karbid titana — khrom pod vysokim davleniem [Reactive sintering in the diamond — titanium carbide — chromium system under high]. Glasnik hemijskog drushtva Beograd. Bulletin de la societe chimique Beograd. 1984. Vol. 49. No. 9. P. 563—569.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.