НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича

АВРАМЧУК СВІТЛАНА КОСТЯНТИНІВНА

УДК 621.762:666.233.54

ОСОБЛИВОСТІ ОТРИМАННЯ, СТРУКТУРА, СКЛАД ТА ВЛАСТИВОСТІ РОЗПИЛЕНИХ ПОРОШКІВ СПЛАВІВ Ni-Mn

ДЛЯ СИНТЕЗУ АЛМАЗІВ

Спеціальність: 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича

НАН України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Волкогон Володимир Михайлович, Інститут проблем

матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Уварова Ірина

Володимирівна, Інститут проблем матеріалознавства

ім.І.М.Францевича НАН України, завідувач відділом;

кандидат технічних наук, доцент Бойко Петро Антонович

Національний Технічний Університет України

“Київський політехнічний інститут”, доцент

Провідна організація: Інститут надтвердих матеріалів ім.В.М.Бакуля НАН

України, м. Київ

Захист відбудеться 02.04.2001 р. о 14 год. на засіданні Спеціалізованої ради Д.26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України за адресою:

03142, м.Київ, вул.Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України

Автореферат розісланий 01.03.2001 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради Д.26.207.03 ,

доктор технічних наук

Р.В.Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Ефективність технологій виробництва синтетичних алмазів визначається їх економічною доцільністю та технологічною довершеністю, які залежать від багатьох факторів в ланцюгу технологічного процесу, одним з головних є ефективність застосування вихідних матеріалів — графіту та метала-розчинника, які повинні забезпечити максимальну ступінь перетворення графіту в алмаз, і т. і. При цьому технологія виробництва повинна забезпечувати отримання алмазів потрібної якості та необхідного розподілу їх за розмірами.

Поліпшити технологічний процес виробництва алмазів, додержуючись поставлених вимог, можливо лише за рахунок цілеспрямованої дії на процес синтезу шляхом керування кількістю центрів кристалізації алмазів та швидкістю росту їх кристалів. Змінюючи параметри процесу синтезу алмазів (тиск та температуру) чи співвідношення та фракційного складу вихідних компонентів реакційної суміші (графіт — метал-розчинник), в певній мірі можна впливати на зародкоутворення та ріст кристалів, але, як свідчать відомі експериментальні дані, на процес синтезу та властивості отримуваних кристалів алмазу, поряд зі згаданими факторами, значний вплив мають структура та склад метала-розчинника і присутні в ньому домішки. Максимальну ступінь перетворення графіту в алмаз потрібної якості можна забезпечити лише в тому випадку, коли застосовувані при цьому порошки метала-розчинника будуть мати відповідні геометричні розміри, структуру та стан поверхні і мінімальний вміст домішок.

Діюча в промисловому виробництві алмазів технологія приготування метала-розчинника системи Ni-Mn, що заснована на точінні попередньо виплавленого в форму зливка та подальшому подрібненні стружки, не забезпечує йому необхідного комплексу властивостей, позаяк частинки порошку мають велику неоднорідність за структурою та хімічним складом, внаслідок неконтрольованого розчинення домішок в процесі приготування та твердіння зливка сплаву Ni-Mn. Крім того, вона відзначається великою трудомісткістю та низьким виходом кінцевого продукту.

Все це свідчить про те, що оптимізувати процес синтезу алмазів можливо лише в випадку забезпечення використовуваним при цьому порошкам сплаву Ni-Mn однорідності за структурою та хімічним складом, для чого потрібно розробити відповідну технологію їх отримання. Вирішити таке завдання можливо при застосуванні в процесі отримання порошків методу надшвидкісного твердіння розплаву, який забезпечує не тільки отримання порошків з необхідними параметрами, але також значно розширює можливості рафінування сплаву за рахунок великої швидкості охолодження, яка має місце при цьому методі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України роботи в цьому напрямку проводились в рамках Державної науково-технічної програми 5 "Ресурсозбереження", розділ 5.2.6. “Виробництво інструментальних матеріалів, виготовлення на їх основі інструменту та оснастки для машинобудування України”, затвердженої Постановою Державного комітету по науково-технічному прогресу при Кабінеті Міністрів України (№12 від 4.05.1992р.), наукової тематики Інституту проблем матеріалознавства НАН України по проекту 5.43.07/09І-92 (04.07.08/00ІК-95) “Надтверді матеріали та інструмент на їх основі”, а також програми спільних робіт Інституту проблем матеріалознавства АН УРСР та Інституту надтвердих матеріалів АН УРСР по темі “Дослідження впливу способу отримання та диспергування металів - розчинників на особливості синтезу монокристалічних алмазів” на 1990-1991 р.р. Результати цих досліджень лягли в основу даної дисертації, автор якої є виконавцем робіт по вищезгаданій тематиці.

Метою роботи є розробка технологічних принципів отримання порошків сплаву Ni-Mn з застосуванням надшвидкісного твердіння розплаву, які забезпечать поліпшення технічних показників процесу синтезу алмазу за рахунок цілеспрямованого керування структурою, фазовим та хімічним складом порошків сплаву.

Завданням досліджень було: вивчення особливостей відцентрового розпилення порошків сплаву Ni-Mn при швидкості кристалізації розплаву в діапазоні 103-108 K/с; дослідження закономірностей формування структури та складу розпилених порошків сплаву в залежності від режимів процесу; вивчення технологічних та фізичних характеристик розпилених порошків сплаву Ni-Mn та комплексне їх дослідження в порівняні зі стружкою Ni-Mn при синтезі алмазів, включаючи вивчення фізичних та механічних характеристик синтезованих алмазних порошків; розробка технологічних принципів отримання розпилених порошків Ni-Mn та рекомендацій щодо їх практичного застосування.

Наукова новизна. В роботі вперше:

- встановлено закономірності формування гранулометричного порошків сплавів Ni-Mn при відцентровому розпиленні з коловою швидкістю обертання електроду від 12,5 м/с до 37,5 м/с. Показано, що переважний вміст потрібних фракцій 250-500 мкм має місце при коловій швидкості розпилюваного електроду в діапазоні 20 – 37,5 м/с;

- вперше встановлено закономірності структуроутворення порошків сплаву Ni-Mn-С відцентровим методом в діапазоні швидкостей охолодження 103 -108 К/с. Показано, що при швидкості охолодження розпилених порошків 103 -104 К/с виникає дендритна дрібнокристалічна структура, а при швидкості охолодження до 106 к/с спостерігається гомогенізація твердого розчину з виникненням рівновісних зерен розміром 5-8 мкм, при цьому високодисперсні карбіди настільки рівномірно розподіляються в структурі сплаву, що вона являє собою квазіевтектику;

- вперше встановлено конгруентність плавлення розпилених порошків сплаву Ni-Mn-С при синтезі алмазів, за рахунок чого має місце підвищення загального виходу алмазів. Запропоновано модель структури розпилених порошків сплаву Ni-Mn-С, в якій кожне карбідне включення оточене зоною інтерметаліду, який поступово переходить в g-твердий розчин в більш віддалених від карбіду областях;

- комплексними дослідженнями показано, що в порівнянні зі стружкою сплаву Ni-Mn застосування при синтезі алмазів розпилених порошків забезпечує підвищення ступеню перетворення графіту в алмаз за рахунок однорідної дисперсної структури та меншого вмісту шкідливих домішок.

Практична цінність роботи:

- розроблено технологічні принципи отримання відцентровим розпиленням порошків сплаву Ni-Mn, які дозволяють цілеспрямовано впливати на структурний стан та склад сплаву і, таким чином, підвищити ступінь перетворення графіту в алмаз на 20-25%;

- запропоновано деформаційну обробку прокаткою розпилених порошків, що дає змогу за рахунок зміни форми забезпечити їм потрібні технологічні характеристики та отримувати пресовані зразки;

- застосування розпилених порошків сплаву Ni-Mn дозволяє збільшити загальний вихід алмазів при синтезі на 10-12% та забезпечити при цьому підвищення їх міцності при статичному навантаженні на 5-7%.

Особистий внесок автора. Спільно з к.т.н. Кулаком Л.Д. та м.н.с. Кузьменко М.М. проведено експериментальне дослідження процесів відцентрового розпилення порошків сплаву Ni-Mn, рентгенівські дослідження виконано спільно з к.т.н. Делеві В.М. та к.т.н. Тимофєєвою І.І., комплексне дослідження поведінки розпилених порошків Ni-Mn в умовах синтезу алмазів проведено спільно з к.т.н. Кацай М.Я., вивчення магнітних характеристик синтезованих алмазів виконувалось спільно з к.т.н. Невструєвим Г.Ф. Особливості структури вивчено за допомогою м.н.с. Труневич Л.В., технологічні та фізичні характеристики розпилених порошків, особливості їх деформаційної обробки, міцність синтезованих алмазів, обробку результатів експериментів автор виконував самостійно. Постановку завдання досліджень, планування експериментів та осмислення результатів роботи виконано спільно з керівником дисертації.

Апробація роботи. Основні результати та положення дисертаційної роботи доповідались на виїзному засіданні Наукової Ради ДКНТ СРСР по проблемі “Теорія та практика застосування високих тисків в народному господарстві” (1990р., м. Махачкала), XV (18-20 квітня 1990р.) та XVI (24-26 квітня 1991р.) Міжнародних конференціях молодих вчених “Отримання, властивості та застосування надтвердих матеріалів. Планування, організація, управління та історія науки” (м. Київ), Республіканському семінарі “Вплив високих тисків на речовину” (1992р., м. Бердянськ), Міжнародному семінарі-виставці “Сучасні матеріали, технології, обладнання та інструменти в машинобудуванні” (Наука-виробництву'99) (20-23 квітня 1999р., м. Київ), семінарі країн СНД “Фізико-хімічні та механічні властивості алмазів” (21-25 червня 1999р., м. Київ), Міжнародній конференції “Перспективні матеріали” (3-7 жовтня 1999р., м. Київ) та IV Міжнародній науково-методичній конференції “Інтеграція освіти, науки та виробництва” (24-27 травня 2000 р. м. Луцьк).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 6 статей та 5 тез доповідей.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 179 сторінок, вона містить 153 сторінки машинописного тексту, включаючи 14 таблиць, 46 рисунків та список використаних джерел з 123 робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних стосовно стану досліджень системи Ni-Mn в якості метала-розчинника при синтезі алмазів. З метою правильного розуміння процесів, що мають місце при плавленні та твердінні сплавів, вивчення їх фазового складу та прогнозування активності в процесах утворення алмазів, розглянуто діаграму стану рівноваги бінарних систем Ni-Mn, Ni-C та Mn-C, а також потрійної системи Ni-Mn-C за умов атмосферного тиску та тиску, що відповідає області стабільності алмазу.

Вивчення впливу тиску на рівновагу розплаву з графітом, алмазом та карбідом Mn7C3 в системі Mn-C свідчить про те, що тиск стабілізує рівновагу розплаву з карбідом Mn7C3 та алмазом. В умовах синтезу алмазів карбід Mn7C3 плавиться конгруентно і рівновага р – Mn7C3-Crp описується евтектичною діаграмою стану.

Детально розглянуто систему Ni-Mn-C в умовах атмосферного тиску та при Р=6 ГПа. Виникнення карбіду Mn7C3 залежить від умов твердіння розплаву, коли його кількість збільшується при підвищенні швидкості твердіння, при цьому за всіх умов в карбіді розчинюється близько 1,3 ат. % нікелю. Під тиском карбід Mn7C3 стає більш стійким і збагачується вуглецем до стехіометричного співвідношення, а вміст нікелю підвищується до 2,2 ат.%.

Проаналізовано роботи, які висвітлюють роль металів-розчинників в процесах утворення зародків та росту кристалів алмазу, що дозволяє правильно зрозуміти механізм синтезу та розробити методи цілеспрямованої дії на цей процес шляхом надання сплаву потрібних характеристик.

Розглянуто вплив структури, фазового складу сплаву Ni-Mn та вмісту в ньому домішок на процес синтезу алмазів. Наявність крупних карбідів, деяких домішок та неоднорідність сплаву негативно впливають на зародкоутворення та ріст кристалів алмазу. Збільшення вуглецю приводить до зростання центрів кристалізації алмазу та зменшенню кількості алмазів крупної фракції не змінюючи швидкості перетворення “графіт-алмаз”.

Наявність кисню в металі-розчиннику знижує розчинність графіту в розплаві за рахунок адсорбції на міжфазній межі розплав-графіт, перешкоджаючи процесу зародкоутворення. Азот, навпаки, сприяє збільшенню центрів кристалізації.

Зроблено критичний аналіз технології приготування диспергованого сплаву Ni-Mn в промислових умовах і на основі приведених даних зроблено висновок про перспективність підвищення ефективності процесу синтезу алмазів при використанні розпилених порошків сплаву Ni-Mn із застосуванням великих швидкостей охолодження при його кристалізації.

На основі проведеного літературного огляду сформульовано завдання досліджень.

У другому розділі приведено результати дослідження процесу отримання порошків сплаву Ni-Mn методом надшвидкісного твердіння розплаву при відцентровому розпиленні. Для розпилення порошків сплаву Ni-Mn в роботі використовували розроблену в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України установку відцентрового розпилення, схема якої зображена на рис.1. Плавлення заготовки, яка оберталась з коловою швидкістю до 50 м/с, здійснювали з торця за допомогою плазми. Краплі розплавленого металу під дією відцентрових сил відривались від заготовки і кристалізувались при контакті з, охолоджуваним водою, екраном або при вільному падінні в атмосфері інертних газів. В першому випадку порошки мали пластинчато-лускоподібну форму, а другому - сферичну . В залежності від швидкості обертання заготовки змінюється швидкість охолодження в межах 103-108 К/с, що в певній мірі впливає на структуру та хімічний склад розпилених порошків. Швидкістю обертання заготовки визначається також фракційний склад розпилених порошків. На рис.2 показано розподіл розпилених порошків за розміром в залежності від швидкості обертання розпилюваної заготовки.

Видно, що збільшення швидкості приводить до зменшення розміру порошків основної фракції, яка складає для кожної фіксованої швидкості 70-85%. Вивчення хімічного складу та кількості домішок в порошках проведено методом нейтронно-активаційного аналізу. Він показав підвищений вміст кисню в стружці, що пояснюється технологією приготування зливка за атмосферних умов та окисленням стружки в процесі її отримання точінням зливка. При розпилюванні зливка спостерігається рафінування порошків і домішки кисню відсутні.

Рис. 1. Схема відцентрового розпилення металічних порошків: 1 – заготовка, що обертається; 2 – плазма; 3 – збірник з розпиленим порошком. Рис. 2. Фракційний склад порошків сплаву Ni – Mn розпилених відцентровим методом в залежності від колової швидкості обертання електроду: ѕ - сферичні; -  - ПЛФ.

Технологічні характеристики розпилених порошків, які приведено в табл.1, визначали за стандартними методиками. Геометричні характеристики порошків пластинчато-лускоподібної форми (ПЛФ) вимірювали за допомогою годинникового проектору ЧП-2, а товщину - за допомогою оптичного мікроскопу з вимірювальною сіткою по поперечному їх розтину на мікрошліфах. Порошки ПЛФ мали розмір в довжину 1?5 мм, ширину 0,5?1,5 мм при товщині 15?20 мкм. Вони мають добре розвинуту поверхню і питома поверхня визначена методом термічної десорбції та газопроникливості порошку складає 0,029 – 0,031 м2/г. В той же час питома поверхня стружки метала-розчинника має значення в 2 рази нижчі.

Таблиця 1.

Технологічні характеристики порошків сплаву системи Ni-Mn різного походження

Матеріал Метод отримання Форма часток Розміри порошків, мкм Текучість, с Насипна щільність, г/см3

Ж2,5 мм Ж5,0 мм Вільна засипка Утрушу-вання

Ni-Mn безвугле-цевий Відцентрове розпилення сфера -250 +250-500 +500-1000 +1000 24.1 25.5 - - 3.5 3.76 4.95 6.6 - 4.36 4.38 4.33 - 4.65 4.60 4.56

Ni-Mn безвугле-цевий Відцентрове розпилення ПЛФ +1000-2000 -1000 +2000 - - - - - - 0.75 0.81 0.49 0.92 1.00 0.70

Ni-Mn безвугле-цевий Газове розпилення ПЛФ -1250+400 -400+200 - - - - 0.77 1.47 0.84 1.62

Ni-Mn безвугле-цевий Стружка після точіння зливка голки -1600+500 -500+250 -250+80 - - 61.8 - - 9.2 2.68 1.76 2.44 2.92 2.27 3.02

Структуру та фазовий склад порошків метала-розчинника різного походження досліджували застосовуючи металографічний, рентгенофазовий та диференційно-термічний аналізи і вимірюванням мікротвердості. Мікроструктуру порошків Ni-Mn-С отриманих різними способами вивчали за допомогою металографічного мікроскопу “Neofot-21”. Як свідчать результати досліджень для структури стружки Ni-Mn-С характерною є наявність первинних карбідів розміром до 0,1 мм, що мають в розрізі багатогранну форму, невеликих острівців твердого розчину Ni-Mn-C дендритної форми та евтектики (рис.3а). Розпилені порошки сплаву Ni-Mn при швидкості охолодження 103 -104 К/с характеризується дендритною мілкозернистою структурою (рис. 3б), а при швидкості охолодження до 106 К/с спостерігається гомогенізація твердого розчину і виникнення рівновісних зерен розміром 5-8 мкм. Включення карбідів в твердому розчині не перевищує розміру 2 мкм. Мікротвердість окремих фаз структури розпилених порошків не вдалося виміряти із-за її дисперсності, а середній показник знаходиться на рівні евтектики вихідного зливка. В стружці найбільше значення мікротвердості мають карбідні зерна - ІЗ,7-І5,0 ГПа, евтектики — 7,3-9,75 ГПа, твердого розчину - 5,8-7,0 ГПа.

ґ400 ґ400

а б

Рис. 3. Мікроструктура сплаву Ni – Mn:

а) стружки зі зливка; б) розпилених порошків.

Фазовий склад порошків Ni-Mn визначали за допомогою дифрактометра ДРОН-3М, а вивчення розподілу компонентів в сплаві - рентгенівським мікроаналізатором "Мікроскан-5" шляхом сканування по досліджуваній ділянці зондом діаметром 0,5 мм з безперервним записом інтенсивностей на стрічці самописця. Топографія розташування окремих компонентів вивчалась при скануванні електронного зонду з отриманням відображення в відбитих електронах та в характеристичному рентгенівському випромінюванні. Встановлено, що розпилені порошки Ni-Mn характеризуються дуже рівномірним розподілом компонентів (рис. 4б).

Порівняльний аналіз результатів металографічних досліджень, вимірів мікротвердості та дифференціально-термічного аналізу дав змогу зробити висновок про те, що в сплаві системи Ni-Mn-C, виникнення інтерметаліду Ni-Mn з ?-твердого розчину має місце тільки в евтектичних зонах, де частина марганцю зв'язується в карбід Mn7C3 , а залишки твердого розчину збагачується при цьому нікелем до стехіометричного співвідношення. При розпиленні такого сплаву, завдяки високій швидкості охолодження, дисперсні карбідні виділення рівномірно розподілені по всій структурі, в зв'язку з цим відсутні окремі колонії і вся структура являє собою квазіевтектику. Це дає можливість стверджувати, що плавлення такого матеріалу в умовах синтезу алмазів буде проходити більш інтенсивно і одночасно по всьому об'єму частинок, що сприяє стабілізації умов синтезу в реакційному просторі апарату високого тиску. Структура безвуглецевого сплаву Ni-Mn являє собою однофазний ?-твердий розчин і розпилені порошки цього сплаву відзначаються досить значною пластичністю, що дозволяє піддавати їх деформаційній обробці.

Підвищена пластичність розпилених порошків дозволила застосувати деформаційну їх обробку з метою зміни форми сферичних порошків та надання їм необхідних технологічних. характеристик, а також пресування компактних зразків з порошків ПЛФ.

Деформаційна обробка сферичних порошків вузької фракції виконувалась за допомогою прокатного стану при розмірі щілини між валками 0 - 0, 5 мм. Максимальний питомий

тиск складав 700 МН/м2. При

цьому формуються лускоподібні

порошки, що мають потрібну насипну щільність та текучість. Запропонований прийом дає змогу, змінюючи ступінь деформування частинок порошку, управляти його технологічними характеристиками.

Порошки ПЛФ при зусиллі І500 МПа добре формуються, а спресовані зразки, в залежності від розміру вихідних порошків мають поруватість 20-25% і досить високу механічну міцність, що дає можливість вільно проводити з ним різні маніпуляції при спорядженні контейнерів апарату високого тиску, а також стабілізувати процес синтезу, за рахунок високої точності кількості сплаву, та збільшити вихід алмазу в результаті розміщення в реакційному

просторі більшої кількості шарів компонентів. В третьому розділі приведено дані вивчення особливостей синтезу та характеристик алмазів, які були отримані в присутності розпилених порошків сплаву Ni-Mn, а також результати порівняльних випробувань при синтезі алмазів порошків сплаву Ni-Mn, виготовлених за різних умов.

Дослідження та порівняння ефективності застосування порошків сплаву Ni-Mn, отриманих різними методами, проводили в режимах синтезу алмазів марок АС6 та АС32. Результати випробувань порошків сплаву Ni-Mn різного походження при синтезі алмазів марки АС6 свідчать про те, що за рахунок більшої питомої поверхні розпилених порошків сплаву Ni-Mn ступінь перетворення графіту в алмаз в їх присутності збільшується в порівнянні з використанням стружки сплаву на 20-25%, а вихід алмазів - на 10-12%, при цьому зусилля пресу знижується на І2-І5%. Більш інтенсивне протікання процесу синтезу в присутності розпилених порошків можна пояснити рівномірним розподілом вуглецю по об'єму частинок розпиленого сплаву, що сприяє більш швидкому досягненню пересичення розплаву для утворення зародків, а також відсутністю кисню, в той час в частинках стружки основна кількість вуглецю знаходиться в складі карбідів, які можуть досить довгий час знаходитись в стані рівноваги з розплавом, перешкоджаючи алмазоутворенню. Підвищення загального виходу алмазів з одного циклу забезпечується за рахунок збільшення площі контакту метал-графіт і досягається також за рахунок збільшення маси реакційної металовуглецевої суміші в контейнері АВТ, що стало можливим завдяки високій пластичності розпилених порошків.

Вивчено ефективність застосування розпилених порошків сплаву Ni-Mn при синтезі монокристалів алмазу. Коректність результатів забезпечувалась здійсненням процесу при наявності в одному досліді порошків сплава різного походження. Для цього в контейнер АВТ опоряджували одну половину шарів сплаву з розпиленого порошку, а другу - зі стружки. Хід процесу синтезу за різних температурних умов оцінювали шляхом вивчення еволюції морфології кристалів алмазу в різних зонах робочої зони АВТ.

Встановлено, що в зоні робочого об'єму АВТ, де розміщували розпилені порошки сплаву Ni-Mn інтенсивне виникнення алмазів спостерігається при температурі на 50-І00 К нижчій ніж в зоні зі стружкою сплаву. При температурі синтезу в центрі робочого об'єму, яка сприяє росту алмазів октаедричного габітусу в зоні зі стружкою сплаву, в зоні з розпиленими порошками сплаву кристали алмазу мають значну кількість дефектів росту (скелетність, сліди розчинення на гранях та ямок травлення), які обумовлені значним пересиченням та високою швидкістю росту граней, чому сприяє більш інтенсивне плавлення розпилених порошків сплаву та швидке розчинення графіту. Вихід алмазів при використанні розпилених порошків на І0-І2% вищий, ніж при використанні стружки. Максимум розподілу алмазів за розмірами більш розмитий і включає зернистості 3І5/250-200/І60, що складає 55-58% загального виходу.

Досліджено фізико-механічні властивості алмазів, отриманих в. присутності порошків сплаву системи Ni-Mn різного походження. Для оцінки якості алмазів вивчали їх магнітну сприйнятливість, як таку, що характеризує поведінку алмазів при нагріванні в процесі виготовлення інструмента, а також механічну міцність при статичному навантаженні. Величину магнітної сприйнятливості Х алмазних порошків визначали за методом Фарадея та розраховували за формулою:

Ч = ДP (м0m?H?dH/dz)-1 , м3кг

де ?Р – зміна ваги алмазного порошку в магнітному полі;

м0 – абсолютна магнітна сприйнятливість;

m – маса алмазного порошку, кг;

H?dH/dz – характеристика магнітного поля, А2/м3.

Магнітні характеристики для алмазних порошків, що були отримані в присутності порошків Ni-Mn різного походження приведено на рис. 5 та рис.6.

Рис. 5. Характер зміни магнітної сприйнятливості алмазних порошків, отриманих в присутності сплаву Ni 1) стружка зі зливка; 2) розпилених порошків ПЛФ. Рис. 6. Магнітний фракційний аналіз алмазних порошків, отриманих в присутності сплаву Ni – Mn: 1) стружка зі зливка; 2) розпилених порошків ПЛФ.

Встановлено, що на початковій стадії для алмазних порошків отриманих в присутності розпилених порошків Ni-Mn та для алмазів малих розмірів величина магнітної сприйнятливості нижча, ніж при застосуванні стружки. Це пояснюється тим, що магнітна сприйнятливість стружки сплаву Ni-Mn, яка має більшу впорядкованість у вихідному стані, вища ніж в розпилених порошках (15,5·10-8 та 14,7·10-7 м3/кг, відповідно) і при однаковій кількості вкраплень, що входять в кристали алмазу, величина X для алмазу, який синтезовано в присутності стружки, закономірно має більш високе значення. По мірі зростання зернистості, починаючи з фракції 315/250, їх магнітна сприйнятливість інтенсивніше зростає при використанні розпилених порошків сплаву Ni-Mn за рахунок більш високої швидкості росту кристалів за цих умов. Такий висновок підтверджується підвищенням загального виходу алмазів та вище приведеною еволюцією морфології синтезованих алмазів.

Дослідженням магнітних властивостей різних алмазних порошків після термічної обробки при Т=923-І070К на протязі 15 хвилин встановлено, що при цьому коефіцієнт зміни величини магнітної сприйнятливості Хт.о./Хв вищий у алмазів синтезованих в присутності розпилених порошків Ni-Mn, що також є підтвердженням більш високих швидкостей росту кристалів в даній системі, які супроводжуються захопленням більшої кількості вкраплень.

Оцінено ступінь однорідності алмазних порошків за фізико- механічними властивостями шляхом визначення їх магнітного фракційного аналізу після ситової класифікації, який полягає в розділенні алмазних порошків в магнітному полі з різною величиною напруженості на декілька продуктів з різною величиною магнітної сприйнятливості.

Встановлено, що застосування при синтезі алмазів розпилених порошків метала-розчинника Ni-Mn забезпечує отримання кристалів з більш стабільними характеристиками.

Вивчено механічну міцність алмазів згідно з загальноприйнятою методикою по ГОСТ 9206-80.

Показано, що механічна міцність алмазних кристалів при статичному навантаженні залежить від вмісту вкраплень, причому немагнітний продукт має більш високі значення. Деяке відхилення від цієї закономірності у алмазних порошків, які були синтезовані в присутності стружки Ni-Mn, пояснюється характером входження домішок в кристали, що приводить до підвищення їх дефектності та зниження механічної міцності. Більш високе значення міцності порошків з максимальною величиною магнітної сприйнятливості обумовлені наявністю металевої плівки на поверхні кристалів алмазу. Міцність алмазних порошків АС32, отриманих в присутності розпилених порошків сплаву Ni-Mn на 5-7% вища ніж в присутності стружки, що дозволило виділити з них біля 15% порошків, які відповідають маркам АС50 – АС80.

Досліджено вплив термічної обробки алмазних порошків при температурі 1073К протягом 15 хвилин на величину їх механічної міцності. Результати вимірювань приведені в табл. 2 свідчать про те, що алмази синтезовані із застосуванням розпилених порошків сплаву Ni-Mn мають після термічної обробки помітно вищі значення механічної міцності.

Приведені дані результатів досліджень показують перевагу застосування при синтезі алмазів розпилених порошків перед стружкою, отриманою зі зливків Ni-Mn.

Таблиця 2

Механічна міцність алмазів 125/100, отриманих в присутності сплаву системи Ni-Mn різного походження (до і після термічної обробки)

Партія Стан Величина механічної міцності, Н

Продукт магнітного фракційного аналізу

1 2 3 4 5 6

Конт-рольна Вихідний 18,79 15,67 16,83 14,4 13,38 17,0

Після термообробки 20,9 16,15 16,71 19,09 18,31 17,4

Дослідна Вихідний 19,29 15,62 16,62 17,2 19,66 17,12

Після термообробки 18,15 18,08 19,13 22,23 22,14 22,41

Четвертий розділ висвітлює розробку технологічного процесу отримання порошків метала-розчинника Ni-Mn методом відцентрового розпилення.

Приведено дані по модернізації дослідно-промислової установки для розпилення порошків, згідно з чим спрощуються технічні ускладнення при виникненні потреби розпилення заготовок різних розмірів. Для цього передбачено механізм сканування нагрівача та вертикального переміщення екрану, а також змінено конструкцію притискування заготовки, що виключає потребу в держачі заготовки та спрощує її механічну обробку перед розпиленням.

На основі детального аналізу виконаних в роботі досліджень сформульовані вимоги до характеристик розпилених порошків метала-розчинника, який використовується при синтезі алмазів. Для отримання алмазів марки АС6 потрібні порошки сплаву Ni-Mn, які мають товщину 80-180 мкм, що забезпечується одноразовою прокаткою розпилених сферичних порошків діаметром 300-500 мкм.

Для синтезу кристалів алмазів марки АС32 та вище, в процесі приготування порошків метала-розчинника розпилення проводиться при швидкості обертання заготовки 12,5-18 м/с з використанням охолоджуваного водою екрану. Розміри частинок розпиленого порошку сплаву Ni-Mn при цьому складають 2000-3000 мкм при загальній товщині 30-50 мкм. Розпилені порошки метала-розчинника пластинчато-лускоподібної форми, які виникають при цьому, формуються в диски потрібних розмірів в залежності від типу апарату високого тиску, що застосовується в кожному конкретному випадку. Схема отримання розпилених порошків метала-розчинника для синтезу алмазів різних марок приведена на рис.7.

За результами досліджень розроблено технологічну інструкцію ТІ 086.88.25165.00030 на отримання розпилених порошків сплаву Ni-Mn та технічні умови ТУ У 88.086.059-2000.на розпилені порошки

Рис 7. Технологічна схема отримання розпилених порошків

сплаву Ni-Mn.

Розпилені порошки сплаву Ni-Mn пройшли апробацію в ІНМ НАН України (акт випробувань від 05.06.1996 р.), яка підтвердила високу їх ефективність при застосуванні в процесах синтезу алмазів різних марок.

Очікуваний економічний ефект від застосування розробки складе 7553 грн. при виробництві 1 млн. каратів алмазу марки АС 6.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

 Робота присвячена рішенню важливої науково-технічної задачі – розробці технологічних принципів отримання порошків сплаву Ni-Mn з необхідним комплексом властивостей шляхом цілеспрямованого керування структурою, складом та станом їх поверхні з метою поліпшення технічних пеказників процесу синтезу алмазів в присутності цих порошків.

1. Комплексне експериментальне дослідження особливостей розпилення порошків сплаву Ni-Mn відцентровим методом в умовах надшвидкісного твердіння розплаву в діапазоні 103 – 108 К/с та їх застосування при синтезі дозволило розробити технологічні принципи отримання порошків сплавів Ni-Mn, що дало можливість суттево підвищити ступінь перетворення графіту в алмаз при синтезі на 20 – 25 %..

2.. Вперше вивчено закономірності структуроутворення розпилених порошків сплаву Ni-Mn-С в умовах надшвидкісного твердіння розплаву. Показано, що завдяки високим швидкостям кристалізації, дисперсні карбідні виділення рівномірно розподіляються по всій структурі, в зв'язку з чим відсутні окремі евтектичні колонії і вся структура являє собою квазіевтектику. При цьому кожне карбідне вкраплення оточене зоною інтерметаліду, структура якого поступово переходить в структуру ?-твердого розчину в більш віддалених від карбіду областях. Це дає підстави стверджувати, що плавлення такого матеріалу в умовах синтезу алмазів буде проходити більш інтенсивно і одночасно по всьому об'єму частинок, сприяючи стабілізації умов синтезу в реакційному просторі апарату високого тиску.

Встановлено, що застосування відцентрового розпилення забезпечує формування однорідної дисперсної зернової структури з рівномірним розподілом компонентів в об'ємі сплаву та рафінування його від різних шкідливих домішок, що сприяє підвищенню ступеню перетворення графіту в алмаз.

3. Показано, що цілеспрямоване керування структурним станом та складом розпилених відцентровим методом порошків сплаву Ni-Mn забезпечує можливість поліпшення технічних показників процесів синтезу алмазів за рахунок підвищення загального виходу алмазних порошків на 10-12% та їх міцності при статичному навантаженні на 5-7%.

4. Визначено технологічні режими процесу розпилення порошків сплаву Ni-Mn відцентровим методом для отримання їх певної форми та фракційного складу. Показано, що підвищення колової швидкості заготовки від 20 м/с до 37,5 м/с сприяє зміні фракційного складу розпилюваних порошків в бік переважного вмісту фракцій від 500 мкм до 250 мкм.

5. Встановлено, що розпилені порошки сплаву Ni-Mn на відміну від стружки, мають високу пластичність, яка забезпечує умови для створення максимальної ефективної площі контакту метал-графіт і, таким чином, підвищити загальний вихід алмазів. Крім цього, такий стан розпилених порошків дає можливість застосовувати до них деформаційну обробку з метою отримання певних технологічних характеристик порошків сферичної форми, а також пресування порошків лускоподібної форми в компактні зразки для оптимізації схеми пошарового спорядження контейнера апарату високого тиску при синтезі монокристалів алмазу.

 Відпрацьовано методику деформаційної обробки розпилених сферичних порошків плаву Ni-Mn прокаткою при максимальному питомому тиску 700 МН/м2, яка забезпечує їм потрібні технологічні характеристики, та процес пресування лускоподібних порошків при зусиллі до 1500 МПа, що забезпечує підвищення виходу алмазів зернистістю 315/250  200/160 до 55 -58%.

Основний зміст дисертації опублікований в роботах

1. Аврамчук С.К., Волкогон В.М. Некоторые особенности морфологии и свойства алмазов, синтезированных в присутствии распыленных порошков сплава Ni – Mn // Сверхтвердые материалы. – 1999. – N6. – C.46 – 53.

2. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства порошков системы Ni – Mn – С / Сегеда С.К., Кузьменко Н.Н., Волкогон В.М., Кулак Л.Д. // Сверхтвердые и композиционные материалы и покрытия, их применение: Сб.науч.тр. – Киев: ИСМ АН УССР. – 1991. – С.35 – 38.

3. Особенности формирования порошков металла-растворителя системы Ni – Mn в зависимости от условий получения / Сегеда С.К., Кузьменко Н.Н., Волкогон В.М., Кулак Л.Д. // Новые разработки в области сверхтвердых материалов и покрытий: Сб.науч.тр. – Киев: НТК ИСМ им. В.Н. Бакуля АН Украины. – 1992. – С.24 – 26.

4. Сегеда С.К., Волкогон В.М. К вопросу об оптимальном процессе получения распыленных порошков Ni – Mn для синтеза алмазов // Современные достижения в области физического материаловедения: Сб.науч.тр. – Киев: ИПМ АН Украины. – 1992. – С.70–74.

5. Влияние условий получения металла-растворителя на некоторые физико-механические характеристики синтезируемых алмазов / Сегеда С.К., Кузьменко Н.Н., Волкогон В.М., Кулак Л.Д. // Новые разработки в области сверхтвердых материалов и покрытий:Сб.науч.тр. – Киев: НТК ИСМ им. В.Н. Бакуля АН Украины. – 1992. – С.21 – 24.

6. Сегеда С.К., Волкогон В.М. Влияние термической обработки на некоторые физико-механические свойства алмазов, полученных в присутствии сплава различного происхождения // Современные достижения в области физического материаловедения: Сб.науч.тр. – Киев: ИПМ АН Украины. – 1992. – С.75 – 80.

7. Рентгеноструктурное исследование порошков сплава системы Ni – Mn, используемых при синтезе алмазов / Волкогон В.М., Клочков Л.Н., Сегеда С.К., Тельникова Н.П., Тимофеева И.И. // Матер. Респ. научно-техн. совещ. “Проблемы синтеза и применения сверхтвердых материалов в народном хозяйстве”. – Махачкала: Даг. прав. НТО машиностр. – 1990. – С.7.

8. Влияние структурного состояния сплава Ni – Mn на магнитные характеристики синтетических алмазов / Сегеда С.К., Волкогон В.М., Кулак Л.Д., Невструев Г.Ф. // Матер. Респ. научно-техн. совещ. “Проблемы синтеза и применения сверхтвердых материалов в народном хозяйстве”. – Махачкала: Даг. прав. НТО машиностр. – 1990. – С.16.

9. Аврамчук С.К., Волкогон В.М. Эффективность использования порошков сплава Ni – Mn различного происхождения при синтезе алмазов // Тр. Междунар. семинар. “ Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении (наука производству '99)”. – Киев: АТМ Украины. – 1999. – С.4 – 5.

10. Avramtchuk S.K., Volkogon V.M. Structure, phase and chemical structure of the sprayed powders of on alloy Ni – Mn for synthesis of diamonds // Праці міжнар. конф. “< Anvanced materials >. Simposium A: ingeneering of composites: investigations technologies and perspectives”. – Київ: ІПМ НАН України. – 1999. – С 206.

11. Аврамчук С.К., Волкогон В.М. К вопросу о влиянии скорости кристаллизации на фазовый состав сплава Ni-Mn для синтеза алмазов// Тез. докл. IV Междунар. науч.-методич.конф. “Интеграция образования, науки и производства”.-Луцк:ВИЭМ,2000 – С.35.

Анотація. Аврамчук С.К. Особливості отримання, структура, склад та властивості розпилених порошків сплавів Ni-Mn для синтезу алмазів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.06. Порошкова металургія та композиційні матеріали. Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, 2001.

Виконано експериментальні дослідження процесу отримання методом відцентрового розпилення порошків сплаву системи Ni-Mn-C для синтезу алмазів, а також особливостей формування їх структури та складу. Встановлено, що відцентрове розпилення дозволяє отримувати порошки з рівномірним розподілом компонентів сплаву по всьому об`ємові та сприяє формуванню однорідної високодисперсної структури, яка забезпечує порошкам високу пластичність, а також супроводжується їх рафінуванням.

Вивчено фізичні та технологічні властивості розпилених порошків, можливість їх деформаційної обробки прокаткою, з метою керування технологічними характеристиками, та компактування.

Проведено порівняльні випробування при синтезі алмазів розпилених порошків сплаву Ni-Mn та сплаву, диспергованого шляхом токарної обробки зливка з подальшим подрібненням. Вивчені еволюція морфології та фізико-механічні характеристики алмазів. Показано високу ефективність та алмазоутворюючу здатність розпилених порошків, що дозволяє підвищити ступінь перетворення графіту в алмаз на 20-25%, вихід алмазів на 10-12% і їх механічну міцність на 5-7%.

Розроблено технологічні принципи отримання порошків сплаву Ni-Mn відцентровим розпиленням, які забезпечують потрібний склад та структурний стан сплаву і рекомендації щодо їх реалізації в промисловості.

Ключові слова: сплав Ni-Mn, відцентрове розпилення, структура, склад, властивості, синтез, алмаз, характеристики.

Annotation

Avramtchuk S.K. Peculiarity of Obtaining, structure, phase structure and chracteristics of the sprayed powders of an Ni-Mn alloys for sinthesis of diamonds. Manuscript.

Dissertation for degree competition of technical sciences candidate majoring in powder metallurgy and composite materials (05.16.06). The Institute of material science NAS of Ukraine. Kiev. 2001

The experimental researches of the production process carried out by centrifugal dusting of solvent metal powders belonging to the Ni-Mn-C system for the diamond synthesis have been done.

The peculiarities of the forming process of their structure and composition have also been analysed. It has been determined that owing to the centrifugal dusting it's possible to obtain the powders with even distribution of alloy's components all over the volume. The centrifugal dusting promotes the forming of homogeneous high-dispersed structure, which provides the powders with high plasticity and this process is accompanied by their refining.

Dusted powders physical and technological characteristics have been studied. The possibility of their deformational rolling for the controlling the technological characteristics and compaction.

Comparative tests during the diamond synthesis of dusting powders of the Ni-Mn alloy with the alloy, dispersed by ingot's turning treatment with following grinding have been carried out.

Morphology's evolution and physical and mechanical characteristics of diamonds have been studied.

The high effectiveness and the dusted powders ability for diamond creation are shown.

It makes possible to increase the degree of change from graphite into diamond for 20-25 per cent, to make the diamonds outlet 10-12 per cent more and to make their mechanical strength 5-7 per cent more.

The technologies of Ni-Mn alloy powders obtaining by centrifugal dusting have been worked out. It provides them with necessary composition and structural state; the recommendations as to their realisation in industry have also been worked out.

Key words: alloy Ni-Mn, centrifugal dusting, structure, composition, characteristics, synthesis, diamond.

Аннотация. Аврамчук С.К. Особенности получения, структура, состав и свойства распыленных порошков сплавов Ni-Mn для синтеза алмазов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06. Порошковая металлургия и композиционные материалы. Институт проблем материаловедения им. И.М.Францевича НАН Украины, Киев, 2001.

Выполнены экспериментальные исследования процесса получения порошков сплава системы Ni-Mn-C методом центробежного распыления с высокоскоростным затвердеванием расплава в диапазоне скоростей кристаллизации 103-108 К/с. Установлено, что центробежное распыление позволяет получать порошки с