Состав и структура переходной зоны «алмаз – низкоуглеродистая сталь», полученной в процессе их контактного нагрева в вакууме при температуре эвтектики Fe–C

Исследованы структура, элементный и фазовый составы продуктов, образующихся при контактном взаимодействии алмаза с низкоуглеродистой сталью в вакууме при температуре плавления эвтектики Fe–C. В качестве контактных пар были использованы цилиндрические таблетки, изготовленные из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,1 мас.%, и кристаллы природного алмаза в форме пирамиды (или усеченной пирамиды). Кристаллы алмаза были установлены плоским основанием на горизонтальную поверхность стальных таблеток. При этом на вершину кристаллов алмаза прикладывалась нагрузка. Спекание контактных образцов осуществлялось в вакуумной печи при максимальной температуре нагрева ~1165 °C. После выдержки при этой температуре в течение 5 мин печь выключалась, температура в ее камере снижалась в режиме свободного охлаждения. Спеченные образцы «алмаз – стальная таблетка» изучены методами оптической и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа и рамановской спектроскопии. Установлено, что при заданном в эксперименте температурно-временном режиме нагрева в зоне контакта «алмаз – стальная таблетка» образуется расплав эвтектики Fe–C, тонкий слой которого при застывании приваривает кристалл алмаза к стальной таблетке. Прочность их сцепления такова, что приваренные образцы без разъединения выдерживают интенсивные циклические нагрузки в процессе шлифовки и полировки при изготовлении продольных шлифов образцов, необходимых для металлографических исследований. Показано, что эвтектический сплав Fe–C представляет собой серый чугун с феррито-перлитной металлической основой и графитовыми включениями с пластинчатым строением. Микротвердость застывшей эвтектики Fe–C составила ~1714 МПа. Исходная стальная таблетка с ферритоперлитной структурой при спекании в контакте с алмазом проходит цементацию. Наиболее интенсивную цементацию претерпевает нерасплавившийся верхний слой таблетки толщиной ~110 мкм, примыкавший при спекании к расплаву эвтектики Fe–C. Микротвердость этого слоя ~4945 МПа. По мере углубления в стальную таблетку наблюдается постепенный переход ее строения от перлитно-цементитной, перлитной и далее к ферритоперлитной микроструктуре исходной стали. При этом микротвердость изменяется от ~4945 до 1570 МПа.

алмаз, железоуглеродистые сплавы, эвтектика, расплав, микроструктура, чугун, феррит, перлит, цементит

1. Семенов А.П., Поздняков В.В., Лапшина В.А. Контактное эвтектическое плавление алмаза и графита с металлами триады железа. Докл. Академии наук СССР. 1968. Т. 181. No. 6. С. 1368—1371.

2. Семенов А.П., Поздняков В.В., Крапошина Л.Б. Трение и контактное взаимодействие графита и железа с металлами и сплавами. М.: Наука, 1974.

3. Kolesnichenko G.A., Naidich Yu.V., Petrischev V.Ya., Sergeenkova V.M. Kinetics of contact melting in iron-carbon systems. Powder Metall. Met. Ceram. 1996. Vol. 35. No. 9—10. P. 529—532.

4. Pant U., Meena H., Shivagan D.D. Development and realization of iron-carbon eutectic fixed point at NPLI. MAPAN. J. Metrol. Soc. India. 2018. Vol. 33. P. 201—208.

5. Гуревич Ю.Г. К теории эвтектических сплавов и эвтектического (контактного) плавления. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2010. No. 8. C. 8—10.

6. Hsieh Y.-Z., Lin S.-T. Diamond tool bits with iron alloys as the binding matrices. Mater. Chem. Phys. 2001. Vol. 72. P. 121—125. DOI: 10.1016/S0254-0584(01)00419-9.

7. Tillmann W., Ferreira M., Steffen A., Rüster K., Mŏller J., Bieder S., Paulus M., Tolan M. Carbon reactivity of binder metals in a diamond-metal composites — characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Diamond Relat. Mater. 2013. Vol. 38. P. 118—123.

8. Букалов С.С., Михалицын Л.А., Зубавичус Я.В., Лейтес Л.А., Новиков Ю.Н. Исследование строения графитов и некоторых других sp 2 углеродных материалов методами микро-спектрометрии КР и рентгеновской дифрактометрии. Росс. хим. журн. 2006. Т. 50. No. 1. С. 83—91.

9. Korepanov V.I., Hamagachi H., Osawa E., Ermolenkov V., Lednev I.K., Etzold B., Levinson O., Zousman B., Eprella C.P., Chang H.-C. Carbon structure in nanodiamonds elucidated from Raman spectroscopy. Carbon. 2017. No. 121. P. 322—329.

10. Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond. Philosoph. Trans. Royal Soc. London. Ser. A. 2004. Vol. 362. No. 1824. P. 2477—2512. DOI: 10.1098/rsta.2004.1452.

11. Mochalin V., Osswald S., Gogotsi Y. Contribution of functional groups to Raman specrum of nanodiamond powders. Chem. Mater. 2009. Vol. 21. No. 2. P. 273—279. DOI: 10.1021/cm802057q.

12. Sidorenko D.A., Zaitsev A.A., Kirichenko A.N., Levashov V.V., Kurbatkina V.V., Loginov P.A., Rupasov S.I., Andreev V.A. Interaction of diamond grains with nanosized alloying agents in metal-matrix composites as studied by Raman spectroscopy. Diamond Relat. Mater. 2013. Vol. 38. P. 59—62. DOI: 10.1016/j.diamond.2013.05.007.

13. Сонин В.М., Чепуров А.И., Жимулев Е.И., Чепуров А.А., Соболев Н.В. Поверхностная графитизация алмаза в расплаве K 2 CO 3 при высоком давлении. Докл. Академии наук. 2013. Т. 451. No. 5. С. 556—559.

14. Шарин П.П., Яковлева С.П., Гоголев В.Е., Попов В.И. Строение и прочность переходной зоны при твердофазном высокотемпературном взаимодействии алмаза с карбидообразующими металлами — хромом и кобальтом. Перспект. материалы. 2016. No. 7. С. 47—60.

15. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.

16. Fourlakidis V., Diaconu L.V., Diószegi A. Effect of carbon content on the ultimate tensile strength in gray cast iron. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 649. P. 511—516. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.649.511.

17. Diószegi A., Fourlakidis V., Svensson I.L. Fracture mechanics of gray cast iron. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 649. P. 517—522. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.649.517.

18. Bartocha D., Janerka K., Suchon J. Charge materials and technology of melt and structure of gray cast iron. J. Mater. Process. Technol. 2005. Vol. 162—163. P. 465—470. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.050.

19. Salawu E.Y., Ajaui O.O., Inegbenebor A., Akinlabi S., Akinlabi E. Influence of pulverized palm kernel and egg shell additives on the hardness, coefficient of friction and microstructure of grey cast iron material for advance applications. Results Eng. 2019. Vol. 3. P. 100025. DOI: 10.1016/j.rineng.2019.100025.

20. Oloyede O., Cochrane R.F., Mullis A.M. Effect of rapid solidification on the microstructure and microhardness of BS1452 grade 250 hypoeutectic grey cast iron. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 707. P. 347—350. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.08.214.

21. Залкин В.М., Крапошин В.С. Строение железоуглеродистых расплавов. О стабильности цементита в расплавах. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2010. No. 1. C. 15—18.

22. Герасимова Л.П., Гук Ю.П. Контроль качества конструкционных материалов. М.: Интермет Инжиниринг, 2010.