Способ получения сверхтвердого абразива с покрытием - RU2378231C2
Код документа: RU2378231C2
Описание
Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытий на сверхтвердый абразивный материал, в частности на абразивные частицы.
Абразивные частицы, в частности алмаза и кубического нитрида бора, широко используются для изготовления различных отрезных, сверлильных, шлифовальных, полировальных и иных абразивных и режущих инструментов. В таких инструментах абразивные частицы обычно заключены в связывающий их материал (связку), состоящий из различных металлов, таких как Fe, Co, Ni, Сu и их сплавы (металлические связки). Вместо металлической связки в зависимости от конкретного назначения и применения абразива в качестве связки можно также использовать смолу (смоляную связку) или стекловидный материал (стекловидную связку).
Использование абразивных частиц для изготовления абразивного инструмента связано с определенными проблемами. Процесс изготовления режущих инструментов, например процесс спекания содержащих алмазные частицы сегментов режущих пил может происходить в присутствии кислорода, либо растворенного в металлическом порошке, который образует связку, либо содержащегося в газообразном виде в воздухе. При температуре спекания такой кислород оказывает агрессивное воздействие на поверхность алмазных частиц, снижая их прочность. В некоторых случаях в качестве связки могут использоваться металлы, которые обычно применяют в качестве растворителей/катализаторов для синтеза алмазов. В качестве примера таких металлов можно назвать Fe, Co и Ni. В расплавленном состоянии эти металлы могут растворять алмаз, который при охлаждении выпадает в осадок и образует графит. Графитизация поверхности алмаза не только снижает прочность абразивных частиц, но и может привести к ослаблению связей, удерживающих их в связке.
Для улучшения свойств абразивных частиц в настоящее время на алмазные частицы наносят покрытие из переходных металлов групп IVa, Va и VIa Периодической таблицы элементов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Сr, Мо и W) или их сплавов и/или их соответствующих карбидов. Снабженные покрытием алмазы широко используют, в частности, для изготовления отрезного, шлифовального и сверлильного абразивного инструмента с металлической связкой.
Для надежной защиты алмазных частиц покрытие должно образовывать барьер между ними и связкой. Иными словами, покрытие должно быть непроницаемым и плотным, а компоненты связки не должны проходить через него и не вступать в контакт с поверхностью алмазных частиц. Одной из причин прохождения компонентов связки через покрытия является, как известно, твердофазная диффузия. Кроме того, при неполном (не сплошном) покрытии или при наличии в нем трещин или пор компоненты связки могут проходить сквозь покрытие и попадать на поверхность алмазных частиц. Сначала покрытие может быть плотным и непроницаемым, однако во время спекания могут происходить фазовые превращения, например, вследствие образования сплава элементов покрытия с компонентами связки, приводящие к образованию обладающего меньшей плотностью сплава или даже к образованию пористого покрытия, через которые компоненты связки могут попасть на поверхность алмазных частиц.
Интенсивность некоторых из описанных выше процессов, снижающих качество абразива, может зависеть от времени или температуры. При малой продолжительности спекания ее может оказаться недостаточной для проявления подобных отрицательных эффектов, однако при спекании в агрессивных условиях, например, при большой продолжительности процесса спекания или при спекании при высокой температуре, качество абразива по этим причинам может заметно снизиться.
Наносить слои металлического покрытия на абразивные частицы можно различными методами, например методами конденсации из паровой фазы (КПФ), описанными у L. Holland, Chapman и Hall в "Vacuum Deposition of Thin Films", 1-е изд., 1956. Для нанесения таких покрытий можно использовать и методы химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ), описанные, например, у M.J.Hampden-Smith и Т.Т.Kodas в "Chemical Vapor Deposition", т.1, 1995, № 1. Для этой же цели можно использовать и методы термодиффузии, предусматривающие смешение абразивных частиц с окисленными металлическими порошками и нагревание полученной смеси в инертной атмосфере (обычно в вакууме) и описанные, например, у V.G.Chuprina (В.Г.Чуприной) (Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics ("Советская порошковая металлургия и металлокерамика", 1992, т., 31, № 7, сс.578-583, и там же, 1992, т.31, № 8, сс.687-692). При нанесении покрытий методами осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенида металла на покрываемые частицы в соответствующей газовой атмосфере (например, в неокислительной атмосфере инертного газа, водорода и/или углеводорода и/или при пониженном давлении) воздействуют галогенидом образующего покрытие металла (например, Ti). Получать галогенид металла можно из соответствующего металла также непосредственно в процессе нанесения покрытия.
Смесь затем подвергают нагреву, при котором содержащийся в галогениде металл, в частности Ti, переносится на поверхность частиц, где он высвобождается и химически связывается с частицами. Для нанесения на алмазы покрытия из переходных металлов групп IVa, Va и VIa Периодической таблицы элементов можно также использовать расплавы галогенидов щелочных металлов, как это описано, например, у Oki и Tanikawa в Proceedings of 1stInternational Conference on Molten Salt Chemistry and Technology, 1983, с.265. В основе этого способа нанесения покрытия лежат такие же химические процессы, что и при нанесении покрытий методами ХОПФ.
В патенте US 5024680 описан абразивный алмазный материал с многослойным покрытием, предназначенным для более прочного удержания алмазных частиц в связке. Предложенный в этом патенте абразивный материал с покрытием имеет первый слой из карбида прочного карбидообразующего металла, предпочтительно хрома, химически связанного с алмазом, и второй металлический слой из стойкого к окислению карбидообразующего металла, предпочтительно вольфрама, тантала или молибдена, химически связанного с первым металлическим слоем. Покрытие может иметь и третий слой из сплава металла, например никеля. Абразивный материал с таким многослойным покрытием получают путем нанесения на абразивный материал первого слоя металла его осаждением из паровой фазы (нанесение этого слоя методом химического осаждения из паровой фазы считается неэффективным), на который затем методом химического осаждения из паровой фазы наносят второй слой металла.
Хорошо известно, что такие элементы, как Fe, Co и Ni, могут графитизировать алмаз. При использовании для нанесения покрытия карбида хрома он не способен достаточно надежно предотвращать графитизацию алмаза указанными элементами, например железом, что ограничивает эффективность подобного покрытия из карбида хрома.
Второй слой покрытия имеет сравнительно большую толщину. Поэтому второй слой должен быть соединен с первым слоем химическими связями, для образования которых требуется либо использовать процессы горячего нанесения покрытия, либо выполнять отдельную операцию нагрева.
В патенте US 5232469 описаны абразивные алмазные частицы с многослойным покрытием, повышающим износостойкость изготовленного из них абразивного инструмента. Такое покрытие содержит один однородный первичный слой из карбидообразующего металла, предпочтительно хрома, химически связанного с поверхностью абразивных алмазных частиц. В этом патенте указано, что пригодным для нанесения подобного первичного слоя методом является метод диффузионного солевого насыщения в ретортах. В качестве другого, пригодного для нанесения первичного слоя метода в указанном патенте упоминается метод химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ), в частности, химического осаждения из паровой фазы при низком давлении (ХОПФНД). На первичный слой методом химического осаждения наносят по меньшей мере один вторичный, не образующего карбиды слой. Обычно такой слой состоит из никеля/фосфора или кобальта/фосфора.
Нанесение наружного слоя методом химического осаждения ограничивает выбор возможных материалов для его нанесения сравнительно небольшим количеством переходных металлов, таких как Ni и Со. Таким металлам при всех их положительных качествах, которыми они могут обладать в составе композиционного покрытия, присущ и определенный недостаток, связанный с возможностью их проникновения через нижний слой карбида металла и катализа ими графитизации алмаза в процессе последующего спекания. В результате же графитизации происходит отслаивание покрытия от поверхности алмазных частиц.
Другая проблема, возникающая при нанесении наружного слоя из никеля или хрома, связана с тем, что такие металлы обычно присутствуют в связках, используемых для скрепления между собой отдельных, снабженных покрытием алмазных частиц. Все эти факторы в конечном итоге практически сводят на нет все преимущества, связанные с нанесением этих металлов на алмаз в качестве дополнительного покрытия.
В настоящем изобретении предлагается способ получения сверхтвердого абразива с покрытием, заключающийся в том, что на поверхность(и) абразивного материала методом горячего нанесения покрытия сначала наносят внутренний слой из элемента, способного (индивидуально или в сочетании с другими элементами) образовывать карбиды, нитриды или бориды, а затем наносят по меньшей мере один наружный слой из материала, выбранного из группы, включающей карбиды металлов, нитриды металлов, бориды металлов, оксиды металлов и карбонитриды, боронитриды и борокарбонитриды металлов, посредством реактивного распыления с использованием химически активного газа, в результате которого обеспечивается осаждение соединения активного газа и распыляемого элемента.
Обычно для нанесения внутреннего слоя используют металлы групп IVа, Va, VIa, IIIb и IVb Периодической таблицы элементов, к которым, в частности, относятся ванадий, молибден, тантал, индий, цирконий, ниобий, вольфрам, алюминий, бор и кремний.
Наносить внутренний слой или внутреннее покрытие можно любым пригодным для этой цели методом горячего нанесения покрытий, который приводит к образованию химических связей между металлом внутреннего слоя и подложкой, т.е. абразивным материалом, и в качестве примеров которого можно назвать методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов, методы ХОПФ или методы нанесения покрытий термодиффузией.
Метод нанесения наружного слоя следует выбирать с таким расчетом, чтобы полученное им покрытие обладало определенным сбалансированным набором химических и физических свойств, позволяющим достичь компромисса между предъявляемыми к нему, часто достаточно противоречивыми требованиями. Связанные с этим преимущества заключаются:
- в возможности нанесения на сверхтвердый абразивный материал наружного слоя большей толщины по сравнению с толщиной, достижимой при горячем нанесении покрытия, и тем самым придания такому слою более высокой устойчивости к нежелательным, но возможным воздействиям, а также способности выдерживать более высокие температуры и способности препятствовать прохождению сквозь него агрессивных элементов, например, в связку компонента абразивного инструмента, с обеспечением таким путем защиты подложки или ее частей от химического воздействия, в частности от окисления или графитизации;
- в возможности нанесения наружного слоя определенного состава, препятствующего прохождению через него агрессивных элементов и защищающего тем самым внутренний слой и подложку (абразивные частицы) от разрушения из-за химического воздействия или иных ухудшающих качество абразива процессов;
- в возможности нанесения наружного слоя определенного состава, стойкого к окислению или к агрессивному воздействию элементов связки на последующих стадиях технологического процесса, в частности, во время спекания, поскольку в противном случае в отсутствие у наружного слоя одного или обоих этих свойств оно не смогло бы выполнять свои основные функции (способность удерживать и защищать подложку от внешних воздействий), и
- в возможности улучшить совместимость всего покрытия со связкой и, как следствие этого, повысить прочность связей между ним и связкой.
Нанесение наружного слоя методом реактивного (ионного) распыления может предусматривать подачу в распылительную камеру упомянутого химически активного газа, содержащееся в котором соединение и распыляемый в камере элемент осаждаются в результате на подложку в виде их соединения. В качестве примера наружного слоя можно назвать карбид или нитрид титана, кремния или алюминия, образующийся при добавлении в распылительную камеру углеводорода или азота соответственно.
Сверхтвердый абразивный материал обычно представляет собой абразивный материал на основе алмаза или кубического нитрида бора (cBN) и может быть представлен в виде абразивных частиц алмаза или cBN, подложек из поликристаллического алмаза (ПКА), подложек из термостабильного поликристаллического алмаза (ТСПКА), подложек из поликристаллического нитрида бора, полученной методом ХОПФ алмазной пленки или монокристаллических алмазных подложек.
Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытий на самые разнообразные сверхтвердые абразивные материалы, однако для упрощения ниже рассмотрен только один вариант его возможного осуществления, в частности нанесение покрытия на алмазный абразив.
В качестве алмазных абразивных частиц используют те же частицы, которые обычно используют для изготовления спеканием абразивных инструментов с металлической связкой. Обычно такие частицы имеют одинаковые размеры от 0,1 до 10 мм. В качестве примеров таких алмазных абразивных частиц можно назвать микронные абразивные частицы размером от 0,1 до 60 мкм, абразивные частицы размером от 40 до 200 мкм для шлифовальных кругов, абразивные частицы размером от 180 мкм до 2 мм для пил, монокристаллы размером от 1 до 10 мм, изготовленные методом ХОПФ вставки площадью несколько квадратных миллиметров для режущих дисков диаметром до 200 мм, вставки из ПКА площадью несколько квадратных миллиметров для режущих дисков диаметром до 104 мм, абразивные частицы из cBN размером от 0,1 до 60 мкм, а для шлифовальных кругов - размером от 40 до 200 мкм, вставки из поликристаллического нитрида бора (PCBN) размером в несколько миллиметров для режущих дисков диметром до 104 мм.
На алмазные частицы сначала горячим методом наносят внутренний слой из металла либо его карбида, нитрида или карбонитрида. На частицы из cBN внутренний слой обычно наносят из нитрида, борида или боронитрида металла. При горячем нанесении покрытия покрытие на основе металла наносят на служащие подложкой или основой частицы алмаза в соответствующих высокотемпературных условиях, в которых между покрытием и алмазом образуются прочные связи. В качестве примера типичных методов горячего нанесения покрытия, которые можно использовать в этих целях, можно назвать методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов, методы ХОПФ или методы нанесения покрытий термодиффузией. Предпочтительны при этом методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов и методы ХОПФ.
При нанесении покрытия методами осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенида металла на покрываемые частицы в соответствующей газовой атмосфере (например, в неокислительной атмосфере инертного газа, водорода и/или углеводорода и/или при пониженном давлении) воздействуют галогенидом, образующего покрытие металла (например, Ti). Получать галогенид металла можно из соответствующего металла также непосредственно в процессе нанесения покрытия.
Смесь затем подвергают нагреву, при котором содержащийся в галогениде металл, в частности Ti, переносится на поверхность частиц, где он высвобождается и химически связывается с частицами.
Наружный слой или наружные слои можно осаждать на абразивные частицы методом холодного нанесения покрытий, а именно, методом конденсации из паровой фазы (КПФ), таким как реактивное (ионное) распыление. Метод КПФ представляет собой низкотемпературный процесс, выделяющегося при котором количества тепла недостаточно для образования заметного количества карбида при его осаждении непосредственно на поверхности алмазных абразивных частиц. Поэтому при индивидуальном применении этого метода получаемое покрытие сравнительно слабо сцепляется с алмазными частицами. При нанесении покрытия методом реактивного распыления в реакционную камеру подают обладающий химической активностью газ, например газообразный С, N или О, вступающий во взаимодействие с которым металл, например Ti, осаждается на алмазные частицы в виде его устойчивого карбида, нитрида или диоксида. Соотношение между различными соединениями можно регулировать путем изменения количества подаваемого в распылительную камеру газа. Таким путем можно, в частности, менять соотношение в нанесенном покрытии между Ti и С. Помимо этого образующий покрытие материал можно также одновременно распылять из двух или нескольких точек, получая покрытие с разным соотношением между образующими его соединениями или покрытие разного состава. Рассмотренный выше способ позволяет наносить на алмазные частицы наружный слой или наружные слои большей толщины, чем метод горячего нанесения покрытий, используемый для нанесения внутреннего слоя, толщина которого ограничена скоростью диффузии проходящего через само покрытие углерода. Нанесение наружного слоя описанным выше способом позволяет, кроме того, регулировать его свойства и эксплуатационные характеристики.
В одном из вариантов осуществления изобретения наружный слой покрытия имеет тот же состав, что и его внутренний слой, например, также выполнен из карбида титана. Несмотря на один и тот же состав обоих слоев использование для их осаждения различных методов позволяет модифицировать микроструктуру второго слоя и сделать его, например, более крепким (монолитным) и поэтому менее проницаемым. Толстое покрытие из карбида титана обладает более высокой устойчивостью к нежелательным, но возможным воздействиям и способно выдерживать более высокие температуры или воздействие более агрессивной внешней среды. Увеличение толщины покрытия из карбида титана позволяет увеличить также продолжительность реакции, протекающей во время изготовления абразивного инструмента, и избежать, например, диффузии металла в связку сквозь покрытие и агрессивного воздействия металла на алмазные частицы. Поэтому алмазные частицы с подобным покрытием из карбида титана можно использовать в условиях, которые в последнее время считались слишком агрессивными для традиционных абразивных инструментов.
Нанесение наружного слоя методом КПФ в этом варианте осуществления изобретения позволяет также использовать для нанесения отдельных слоев покрытия различающиеся по своему составу карбиды титана или наносить покрытия с градиентом состава карбида титана. Наносить такие слои можно реактивным распылением или напылением карбида титана. Подобный подход позволяет за счет согласования свойств и постоянной решетки образующего наружный(-ые) слой(-и) карбида титана с образующим внутренний слой карбидом титана одновременно повысить прочность сцепления наружного(-ых) слоя(-ев) из карбида титана и с внутренним слоем из карбида титана, и с металлической связкой. Иными словами, предлагаемый в изобретении способ позволяет использовать покрытия из карбида титана для изготовления абразивного инструмента, в котором традиционно не удавалось создать прочных связей между абразивными частицами и металлической связкой. Одним из примеров такого абразивного инструмента может служить алмазный абразивный инструмент с покрытием из карбида вольфрама, который используется для предотвращения графитизации поверхности алмазных частиц.
В другом варианте осуществления изобретения внутренний слой покрытия наносят из карбида титана методом ХОПФ, а наружный слой или наружные слои наносят из карбонитрида металла, в частности из карбонитрида титана, который особенно пригоден для изготовления абразивного материала при его спекании в агрессивных условиях. Такой материал особенно пригоден для образования надежного барьера, препятствующего диффузии Со, Fe и Ni из содержащей их металлической связки, и поэтому может использоваться при низком содержании Сu в Fe, Со и Сu или железа или при высоком содержании железа при изготовлении абразивного инструмента методом горячего прессования. Оптимизировать свойства наружного слоя можно путем соответствующего изменения соотношений Ti:(C,N) и C:N. Подобная возможность в свою очередь позволяет наносить карбонитрид титана несколькими слоями с различным его содержанием в каждом из слоев либо наносить карбонитрид титана методом КПФ одним слоем с градиентом его содержания по толщине слоя. Тем самым в свою очередь обеспечивается возможность использовать покрытие из карбонитрида титана для изготовления тех абразивных инструментов, в которых традиционно не удавалось создать прочных связей между покрытиями из карбонитрида титана и металлической связкой. Одним из примеров такого покрытия, обладающего высокой химической стойкостью, является покрытие из карбонитрида титана и алюминия. Для придания покрытию необходимых химических и/или физических свойств можно плавно (созданием градиента) или дискретно (нанесением нескольких слоев) изменять соотношение между металлом и неметаллом, соотношение между металлами или соотношение между неметаллами.
В другом варианте осуществления изобретения наружный слой можно наносить из металла, выбранного из группы металлов и их сплавов, включающей переходные металлы групп IVa, Va, VIa Периодической таблицы элементов, такие как вольфрам, титан, хром, молибден и цирконий, и переходные металлы первого ряда (от Ti до Сu), в частности немагнитные металлы и их сплавы, пригодные для магнетронного распыления. В качестве сплавов для нанесения наружного слоя можно использовать сплавы упомянутых выше металлов с металлами платиновой группы и металлами группы Ib Периодической таблицы элементов. Примерами таких сплавов являются сплавы меди или никеля с титаном и никеля с хромом. При использовании вольфрама нанесенное из него покрытие будет препятствовать образованию связей между покрытием из карбида титана и связкой. Абразивные частицы абразива с таким покрытием можно поэтому использовать при спекании компонентов абразивного инструмента в агрессивных условиях с применением в качестве связующих материалов бронз или материалов, содержащих черные металлы. Такие покрытия способны, кроме того, образовывать более прочные связи с металлической связкой. Изменение состава наружного слоя позволяет далее регулировать химическую стойкость, степень диффузии, температуру плавления внутреннего слоя и его склонность к образованию сплавов с металлами, содержащимися в связке. Ниже изобретение проиллюстрировано на примерах, не ограничивающих его объем.
Пример 1
На частицы выпускаемого фирмой Element Six алмазного абразива с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, обычными, хорошо известными в данной области методами путем химического осаждения из паровой фазы наносили покрытие с получением покрытых слоем TiC алмазных частиц. Затем алмазные частицы с нанесенным на них методом ХОПФ покрытием из TiC использовали в качестве подложки на второй стадии нанесения на них покрытия.
3000 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и крупной металлической пластиной из чистого титана в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана до 5000 Вт. Титан наносили на алмазные частицы ионным распылением двумя циклами продолжительностью по 160 мин каждый и после первого цикла нанесения покрытия перед продолжением процесса брали образцы алмазных частиц для их исследования. Алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.
Далее после второго цикла нанесения покрытия такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.
При визуальной проверке нанесенное на алмазные частицы покрытие имело металлический серый цвет. Такая окраска была распределена равномерно на каждой частице, и все частицы выглядели одинаково. Покрытие на всех частицах выглядело равномерным и сплошным. Анализ на СЭМ в свою очередь показал, что покрытие состоит из равномерно нанесенных агломерированных частиц и имеет слегка шероховатую структуру. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 3,4%. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,77%. Остальная часть из 3,4% приходилась, таким образом, на долю слоя титана, нанесенного поверх слоя TiC. После этого частицы разрушали и на СЭМ исследовали структуру поперечного сечения нанесенного на них покрытия, при этом были четко видны только два слоя, различавшихся между собой своей микроструктурой. Слой, нанесенный методом КПФ поверх нанесенного методом ХОПФ слоя TiC, имел толщину порядка 1 мкм. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены алмаз, TiC и Ti. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 100%.
Пример 2
Покрытие из TiC на алмазные частицы наносили методом ХОПФ аналогично примеру 1. Затем эти алмазные частицы с покрытием из TiC использовали в качестве подложки на второй стадии нанесения на них покрытия. 500 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и металлической пластиной из чистого титана в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана до 5000 Вт. Ионное распыление титана продолжали в течение 120 мин. Алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.
Далее такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.
При визуальной проверке нанесенное на алмазные частицы покрытие имело металлический серый цвет. Такая окраска была распределена равномерно на каждой частице, и все частицы выглядели одинаково. Покрытие на всех частицах выглядело равномерным и сплошным. Анализ на СЭМ в свою очередь показал, что покрытие состоит из равномерно нанесенных агломерированных частиц и имеет слегка шероховатую структуру. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 3,77%. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,77%. Остальная часть из 3,77% приходилась, таким образом, на долю слоя титана, нанесенного поверх слоя TiC. После этого частицы разрушали и на СЭМ исследовали структуру поперечного сечения нанесенного на них покрытия. В этом случае также были видны два слоя, различавшихся между собой своей микроструктурой. Слой, нанесенный методом КПФ поверх нанесенного методом ХОПФ слоя TiC, имел толщину порядка 2 мкм. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены алмаз, TiC и Ti. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 100%.
Пример 3
Покрытие из TiC на алмазные частицы наносили методом ХОПФ аналогично примеру 1. Затем эти алмазные частицы с покрытием из TiC использовали в качестве подложки на последующей стадии нанесения на них покрытия. 1000 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и крупной пластиной из чистого кремния в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана при давлении аргона, равном 20 стандартным кубическим сантиметрам, до 5 А (400 В). Путем подачи в распылительную камеру газообразного бутана давление в ней доводили до 30 стандартных кубических сантиметров. Ионное распыление кремния, реагирующего с углеродом, продолжали в течение 5 ч. Алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.
Далее такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.
При визуальной проверке такое нанесенное на алмазные частицы покрытие создавало между ними радужный эффект с оттенками красного, зеленого, голубого и золотистого цветов. Покрытие на всех частицах выглядело равномерным и сплошным. Анализ на СЭМ показал, что покрытие нанесено равномерно и имеет ровную структуру. На полученных изображениях четко была видна двухслойная структура, в которой толщина слоя SiC составляла около 0,25 мкм. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 0,59%. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,45%. Остальная часть из 0,59% приходилась, таким образом, на долю слоя SiC, нанесенного поверх слоя TiC. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены алмаз, TiC и предположительно SiC. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 78%, а на долю Si приходилось 22%.
Пример 4
Покрытие из TiC на алмазные частицы наносили методом ХОПФ аналогично примеру 1. Затем эти алмазные частицы с покрытием из TiC использовали в качестве подложки на последующей стадии нанесения на них покрытия. 1000 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и крупной пластиной из чистого алюминия в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана при давлении аргона, равном 20 стандартным кубическим сантиметрам, до 8 А (290 В). После этого в камеру подавали кислород до тех пор, пока измеренная величина оптической эмиссии плазмы не достигла 30%. Ионное распыление алюминия, реагирующего с кислородом, продолжали в течение 1 ч. Алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.
Далее такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.
При визуальной проверке подобное нанесенное на алмазные частицы покрытие не слишком отличалось от нанесенного на них ранее методом ХОПФ покрытия из TiC. При более тщательной проверке на частицах можно было увидеть тонкое белое покрытие молочного цвета. Анализ на СЭМ показал, что покрытие нанесено очень тонким гладким слоем поверх нанесенного ранее на алмазные частицы методом ХОПФ слоя TiC. Покрытие не имело явно выраженной двухслойной структуры, а его общая толщина составляла около 0,6 мкм. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 0,69%. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,45%. Остальная часть из 0,69% приходилась, таким образом, на долю слоя Al2O3, нанесенного поверх слоя TiC. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены алмаз и TiC. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 85%, а на долю Аl приходилось 15%.
Пример 5
Покрытие из TiC на алмазные частицы наносили методом ХОПФ аналогично примеру 1. Затем эти алмазные частицы с покрытием из TiC использовали в качестве подложки на последующей стадии нанесения на них покрытия. 1000 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и крупной пластиной из чистого алюминия в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана при давлении аргона, равном 20 стандартным кубическим сантиметрам, до 6 А (290 В). После этого в камеру подавали газообразный С4Н10 до тех пор, пока измеренная величина оптической эмиссии плазмы не достигла 50%. Ионное распыление алюминия, реагирующего с углеродом, продолжали в течение 1 ч. Алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.
Далее такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.
При визуальной проверке такое нанесенное на алмазные частицы покрытие имело серо-коричневый цвет с отраженным радужным эффектом. Покрытие на всех частицах выглядело равномерным, гладким и сплошным. Анализ на СЭМ показал, что покрытие нанесено равномерным тонким слоем и имеет сравнительно ровную структуру. Покрытие не имело явно выраженной двухслойной структуры, а его общая толщина составляла около 0,25 мкм. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 0,71%. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,45%. Остальная часть из 0,71% приходилась, таким образом, на долю слоя А1С, нанесенного поверх слоя TiC. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены только алмаз и TiC. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 77%, а на долю А1 приходилось 23%.
Реферат
Описан способ получения сверхтвердого абразива с покрытием, в частности покрытого абразива на основе алмаза или кубического нитрида бора (cBN). При осуществлении этого способа сначала на первой стадии на поверхность(и) абразивного материала методом горячего нанесения покрытия наносят внутренний слой из элемента, способного (индивидуально или в сочетании с другими элементами) образовывать карбиды, нитриды или бориды. Метод горячего нанесения выбирают из группы, включающей методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов, методы химического осаждения их паровой фазы (ХОПФ) и методы нанесения покрытий термодиффузией. Обычно для нанесения внутреннего слоя используют, в частности, ванадий, молибден, тантал, индий, цирконий, ниобий, вольфрам, алюминий, бор и кремний. На внутренний слой методом реактивного распыления с использованием химически активного газа наносят по меньшей мере один наружный слой из материала, выбранного из группы, включающей карбиды металлов, нитриды металлов, бориды металлов, оксиды металлов и карбонитриды, боронитриды и борокарбонитриды металлов, например карбид или нитрид титана, кремния или алюминия. Технический результат изобретения - улучшение качества абразива. 8 з.п. ф-лы.
