resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)resar-642Research ArticleМеталлургия и материаловедение. МатериаловедениеMetallurgy and materials science. Materials scienceПовышение эксплуатационных характеристик твердосплавных алмазосодержащих композитов при диффузионной металлизации алмазной компоненты в процессе спекания с пропиткой. II Структурно-фазовое состояние переходной области алмаз-матрицаEnhancement of Operating Characteristics of Hard-Alloy Diamond-Containing Composites due to Diffusive Metallization of Diamond Component During the Process of Sintering with Impregnation. Part II. Structural and Phase Organization of Interfacial Layers Between Diamond and MatrixШаринПетр ПетровичSharinPetr Petrovich

ШАРИН Петр Петрович – к.ф.-м.н., в.н.с.

psharin1960@mail.ruЯковлеваСофья ПетровнаYakovlevaSofia Petrovna

ЯКОВЛЕВА Софья Петровна – д.т.н., зав. отд.

spyakovleva@yandex.ruВинокуровГеннадий ГеоргиевичVinokurovGennadiy Georgievich

ВИНОКУРОВ Геннадий Георгиевич – к.т.н., в.н.с.

psharin1960@mail.ruПоповВасилий ИвановичPopovVasiliy Ivanovich

ПОПОВ Василий Иванович – к.ф.-м.н., с.н.с.

psharin1960@mail.ruИнститут физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАНРоссияLarionov Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RASRussian FederationCеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation2017220120252226369Copyright © Шарин П.П., Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Попов В.И., 20252025Шарин П.П., Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Попов В.И.Sharin P.P., Yakovleva S.P., Vinokurov G.G., 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://resar.elpub.ru/jour/article/view/642

Проведенные исследования относятся к области фундаментально-прикладных вопросов межфазного взаимодействия и формирования границ наполнитель-матрица при синтезе композиционных систем. Изучены факторы, определяющие прочность закрепления алмаза в твердосплавной матрице высокоресурсных алмазно-абразивных композитов (АК), полученных по гибридной технологии спекания с термодиффузионной металлизацией алмазных частиц и самодозируемой пропиткой легкоплавким металлом. Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния, атомно-силовой микроскопии изучены химический состав, морфология и распределение продуктов взаимодействия, природа образующихся углеродных фаз в зоне контакта алмаз-матрица. Выявлено, что повышение физикохимической адгезии алмаза с матрицей при синтезе АК по разработанной технологии обусловлено формированием (в результате термохимического травления металлическим расплавом на начальных стадиях спекания) развитой наносубмикронной шероховатости поверхности алмаза, образованием на ней металлокарбидного покрытия (МП) островкового типа, плотным заполнением имеющихся промежутков нанотолщинными прослойками металла-инфильтрата. Свободный углерод (графит) обнаруживается в небольших количествах в виде отдельных включений микронной размерности. Выявленная многоуровневая иерархия высокоструктурированных морфологических форм элементов переходного слоя обеспечила монолитность и прочность соединения алмаз-матрица.

The conducted study belongs to a field of fundamental and application-oriented issues of interphase interaction and formation of interfacial layers between a filler and matrix during the synthesis of composite systems. We have studied the factors determining the strength of a diamonds retention in a hard-alloy matrix of a high-resource abrasive composites obtained by the hybrid synthesis technology with thermaldiffusion metallization of diamond particles and sintering by a scheme of the self-metering impregnation. Chemical composition, morphology and distribution of the reaction products, the nature of the resulting carbon phases in the contact zone between the diamond and matrix are investigated using scanning electron microscopy, X-ray phase analysis, Raman spectroscopy and atomic force microscopy. It is found that the increase of physical and chemical adhesion of diamond with the matrix during the synthesis of composites by the developed technology occurs due to the formation (as a result of the thermochemical etching by the metal fusion at the initial stages of sintering) of high nanoand submicronic roughness of the diamond surface, formation of island-type metallized coating, dense filling of gaps by nanoscale layers of metal-infiltrate. Free carbon (graphite) is found in small quantities in the form of micron dimension separate inclusions. The revealed multilevel hierarchy of the high-structured morphological forms of the elements of the transitional layers has provided the solidity and strength of the joint between diamond and matrix.

алмазные композитыприродный алмазтвердосплавная матрицаметаллизированное покрытиеспеканиепропиткамежфазная границаграфитизацияалмазоудержание.diamond compositesnatural diamondhard-alloy matrixmetallized coatingsinteringim- pregnationinterphase boundarygraphitizingdiamond retentionАвторы выражают благодарность ведущему инженеру ИФТПС СО РАН Ачикасовой В.С. и ведущему инженеру ИГАБМ СО РАН Поповой С.К. за помощь при проведении исследований методами растровой электронной микроскопии.ReferencesШарин П.П., Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Попов В.И. Повышение эксплуатационных характеристик твердосплавных алмазосодержащих композитов при диффузной металлизации алмазной компоненты в процессе спекания с пропиткой. Ч. 1. Обоснование эффективности гибридной технологии синтеза // Наука и образование. 2016. № 4. С. 93–100.Шарин П.П., Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Попов В.И. Повышение эксплуатационных характеристик твердосплавных алмазосодержащих композитов при диффузной металлизации алмазной компоненты в процессе спекания с пропиткой. Ч. 1. Обоснование эффективности гибридной технологии синтеза // Наука и образование. 2016. № 4. С. 93–100.Исонкин А.М., Богданов Р.К. Влияние металлизации алмазов на показатели работоспособности буровых коронок // Науковi працi ДонНТУ. Серiя «Гiрничо-геологiчна». 2011. № 14. С. 158–163.Исонкин А.М., Богданов Р.К. Влияние металлизации алмазов на показатели работоспособности буровых коронок // Науковi працi ДонНТУ. Серiя «Гiрничо-геологiчна». 2011. № 14. С. 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 // Перспективные материалы. 2015. № 6. C. 66–77.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 // Перспективные материалы. 2015. № 6. C. 66–77.Schubert T., Trindade B., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications // Materials Science and Engineering. 2008. V. 475, № 1–2. P. 39–44.Schubert T., Trindade B., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications // Materials Science and Engineering. 2008. V. 475, № 1–2. P. 39–44.Яхутлов М.М., Карамурзов Б.С., Беров З.Ж., Батыров У.Д., Нартыжев Р.М. Направленное формирование межфазной границы алмаз-матрица с использованием нанопокрытий // Известия Кабардино-Балкарского госуниверситета. 2011. Т. 1, № 4. С. 23–25.Яхутлов М.М., Карамурзов Б.С., Беров З.Ж., Батыров У.Д., Нартыжев Р.М. Направленное формирование межфазной границы алмаз-матрица с использованием нанопокрытий // Известия Кабардино-Балкарского госуниверситета. 2011. Т. 1, № 4. С. 23–25.Найдич Ю.В., Уманский В.П., Лавриненко И.А. Исследование прочности сцепления алмаза с металлом //Сверхтвердые материалы. 1984. № 6. С. 19–23.Найдич Ю.В., Уманский В.П., Лавриненко И.А. Исследование прочности сцепления алмаза с металлом //Сверхтвердые материалы. 1984. № 6. С. 19–23.Шарин П.П., Никитин Г.М., Лебедев М.П., Атласов В.П., Гоголев В.Е., Попов В.И. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 2015132568 от 04. 08. 2015.Шарин П.П., Никитин Г.М., Лебедев М.П., Атласов В.П., Гоголев В.Е., Попов В.И. Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 2015132568 от 04. 08. 2015.Шарин П.П., Никитин Г.М., Лебедев М.П., Махарова С.Н., Гоголев В.Е., Атласов В.П. Способ соединения монокристалла алмаза с металлами. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 2015141663 от 30. 09. 2015.Шарин П.П., Никитин Г.М., Лебедев М.П., Махарова С.Н., Гоголев В.Е., Атласов В.П. Способ соединения монокристалла алмаза с металлами. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 2015141663 от 30. 09. 2015.Шарин П.П., Лебедев М. П., Гоголев В.Е., Ноговицын Р.Г., Слободчиков П.А. Способ изготовления алмазных инструментов. Патент РФШарин П.П., Лебедев М. П., Гоголев В.Е., Ноговицын Р.Г., Слободчиков П.А. Способ изготовления алмазных инструментов. Патент РФ№2478455. Опубл. 10. 04. 2013.№2478455. Опубл. 10. 04. 2013.Lauer J.L. In: Handbook of Raman Spectroscopy. Eds. I.R. Lewis, H.G.M. Edwards. Inc. N-Lauer J.L. In: Handbook of Raman Spectroscopy. Eds. I.R. Lewis, H.G.M. Edwards. Inc. N-Y. Basel: Marsel Dekker, 2001. Ch. 2. P. 863–917.Y. Basel: Marsel Dekker, 2001. Ch. 2. P. 863–917.Тихомиров С.В., Кимстач Т.Б. Спектроскопия комбинационного рассеяния – перспективный метод исследования углеродных наноматериалов // Аналитика. 2011. № 1. С. 28–32.Тихомиров С.В., Кимстач Т.Б. Спектроскопия комбинационного рассеяния – перспективный метод исследования углеродных наноматериалов // Аналитика. 2011. № 1. С. 28–32.Ножкина А.В. Влияние металлов на фазовое превращение алмаза в графит // Сверхтвердые материалы. 1988. № 3. С. 11–15.Ножкина А.В. Влияние металлов на фазовое превращение алмаза в графит // Сверхтвердые материалы. 1988. № 3. С. 11–15.Lin Z., Queeney R. A. Interface bonding in a diamond/metal matrix composite // Proceedings of the International Powder Metallurgy Conference (Orlando, FL, USA, 1988). 20. P. 443–450.Lin Z., Queeney R. A. Interface bonding in a diamond/metal matrix composite // Proceedings of the International Powder Metallurgy Conference (Orlando, FL, USA, 1988). 20. P. 443–450.Sung C. M., Tai M. F. Reactivities of transition metals with carbon: Implications to the mechanism of diamond synthesis under high pressure // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 1997. 15 (4). Р. 237–256.Sung C. M., Tai M. F. Reactivities of transition metals with carbon: Implications to the mechanism of diamond synthesis under high pressure // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 1997. 15 (4). Р. 237–256.

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