Поликристаллический алмаз

Поликристаллический алмаз (ПКА, англ. Polycrystalline Diamond, PCD) — это синтетический сверхтвёрдый композиционный материал, состоящий из множества мелких кристаллов алмаза, спечённых между собой при высоких температурах и давлениях с использованием металлической связки (обычно кобальта). В отличие от монокристаллического алмаза, ПКА не имеет единой кристаллической решётки, что придаёт ему изотропность свойств (одинаковость характеристик по всем направлениям) и повышенную вязкость разрушения. Материал применяется для изготовления режущих инструментов, буровых коронок, волок и абразивных элементов, работающих в условиях интенсивного износа.

История

Первые успешные попытки синтеза поликристаллического алмаза были предприняты в середине XX века, сразу после создания промышленных методов получения синтетических алмазов. В 1950-х годах шведская компания ASEA и американская General Electric независимо друг от друга разработали технологии синтеза алмазных порошков. Однако получение прочного поликристаллического агрегата потребовало решения проблемы спекания: отдельные кристаллы алмаза не соединяются друг с другом без специальных добавок из-за высокой химической инертности.

В 1960-х годах была предложена технология спекания алмазных микропорошков с металлическими катализаторами (кобальт, никель, железо) при давлениях 5–7 ГПа и температурах 1400–1600 °C. В 1970-х годах компания De Beers (ЮАР) начала промышленный выпуск ПКА под торговой маркой Syndite. В СССР аналогичные разработки велись в Институте сверхтвёрдых материалов (ИСМ) НАН Украины (Киев) и других научных центрах; в 1980-х годах был освоен выпуск поликристаллических алмазов марок АСПК (алмаз синтетический поликристаллический) и «Карбонадо».

Совершенствование технологии в 1990–2000-х годах позволило создавать ПКА с контролируемой зернистостью (от 1 до 50 мкм) и различным содержанием связки, что расширило области применения материала.

Физико-химические свойства

Структура

Поликристаллический алмаз состоит из хаотически ориентированных микрокристаллов алмаза (размером 1–50 мкм), соединённых между собой тонкими прослойками металлической связки (обычно кобальта, реже — никеля или керамики). Связка выполняет роль матрицы, обеспечивающей прочность спекания и передачу нагрузки. Содержание металлической фазы составляет от 3 до 15 % по массе.

Твёрдость и износостойкость

Твёрдость ПКА по шкале Мооса составляет 10 (максимальная), а по Виккерсу — 50–80 ГПа, что несколько ниже, чем у монокристаллического алмаза (100–120 ГПа), но значительно выше, чем у твёрдых сплавов (10–20 ГПа). Износостойкость ПКА в 10–100 раз превышает износостойкость твёрдосплавных инструментов при обработке абразивных материалов (стеклопластик, керамика, камень).

Термическая стойкость

При нагреве на воздухе выше 600–700 °C алмаз начинает окисляться, а металлическая связка теряет прочность. Поэтому ПКА-инструмент обычно работает с охлаждением (водой, маслом) или в среде инертного газа. В вакууме или инертной атмосфере материал сохраняет прочность до 1200 °C.

Анизотропия

В отличие от монокристалла, ПКА изотропен: его свойства (твёрдость, теплопроводность, модуль упругости) одинаковы во всех направлениях. Это исключает проблему сколов по плоскостям спайности, характерную для природных алмазов.

Классификация

По типу связки

Металлическая связка (кобальт, никель) — наиболее распространённый тип, обеспечивает высокую прочность и ударную вязкость.
Керамическая связка (карбид кремния, нитрид кремния) — применяется для высокотемпературных операций, но обладает меньшей вязкостью.
Безсвязочный ПКА (спекание без добавок) — получают при очень высоких давлениях (10–15 ГПа) и температурах; используется для специальных целей, например, в алмазных наковальнях.

По размеру зёрен

Мелкозернистый (1–5 мкм) — для чистовой обработки, получения гладкой поверхности.
Среднезернистый (5–15 мкм) — универсальный, для большинства операций.
Крупнозернистый (15–50 мкм) — для черновой обработки и бурения твёрдых пород.

По форме выпуска

Круглые пластины (диски) — для токарной и фрезерной обработки.
Сектора (сегменты) — для буровых коронок и отрезных кругов.
Стержни — для свёрл и концевых фрез.
Порошки — для абразивной обработки и полировки.

Технология производства

Производство ПКА включает несколько этапов:

Подготовка шихты — смешивание алмазного микропорошка (синтезированного при высоких давлениях) с порошком металла-связки (обычно кобальта) в заданной пропорции.
Предварительное прессование — формирование заготовки нужной формы (таблетки, пластины) под давлением 100–200 МПа.
Спекание — нагрев заготовки в камере высокого давления (аппарат типа «белт» или «тороид») до 1400–1600 °C при давлении 5–7 ГПа в течение 5–30 минут. В процессе спекания кобальт плавится и заполняет поры между алмазными зёрнами, образуя прочную связь.
Охлаждение и разгрузка — медленное снижение температуры и давления для предотвращения растрескивания.
Механическая обработка — резка, шлифовка и полировка заготовки до требуемых размеров и шероховатости. Обработка ПКА возможна только с использованием алмазного инструмента или лазера.

Применение

Режущий инструмент

ПКА используется для изготовления резцов, фрез, свёрл, зенкеров и развёрток. Основные области применения:

Обработка цветных металлов и сплавов (алюминий, медь, латунь, титан) — высокая стойкость к налипанию и износу.
Обработка композиционных материалов (стеклопластик, углепластик, кевлар) — ПКА не затупляется абразивными волокнами.
Обработка керамики, камня, бетона — для резки и фрезерования твёрдых хрупких материалов.
Деревообработка — для чистовой обработки твёрдых пород дерева и ДСП.

Буровой инструмент

ПКА применяется в буровых коронках (PDC-биты, от англ. Polycrystalline Diamond Compact) для бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин. Такие коронки обеспечивают высокую скорость проходки в мягких и среднетвёрдых породах (песчаник, известняк, сланец). В России ПКА-буровые коронки выпускаются, в частности, на ОАО «Волгабурмаш» (Самара) и АО «Буровые технологии» (Пермь).

Абразивный инструмент

Поликристаллические алмазные порошки используются для изготовления шлифовальных кругов, полировальных паст и алмазных лент. Они эффективны при обработке твёрдых сплавов, стекла, керамики, полупроводниковых материалов.

Волоки

Волоки из ПКА применяются для волочения проволоки из меди, алюминия, стали и тугоплавких металлов. Они обеспечивают высокую точность диаметра и длительный срок службы (в 10–50 раз больше, чем твёрдосплавные волоки).

Научные исследования

ПКА используется в ячейках с алмазными наковальнями для создания сверхвысоких давлений (до 500 ГПа) в лабораторных условиях. Также материал применяется в качестве окон для рентгеновского излучения и детекторов частиц.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая износостойкость (в 10–100 раз выше, чем у твёрдых сплавов).
Изотропность свойств — отсутствие спайности, стойкость к сколам.
Возможность получения сложных форм (пластины, стержни, сегменты).
Хорошая теплопроводность (отвод тепла из зоны резания).

Недостатки

Высокая стоимость (в 5–20 раз дороже твёрдосплавного инструмента).
Хрупкость при ударных нагрузках — ПКА не рекомендуется для обработки с прерывистым резанием.
Ограниченная термостойкость (окисление на воздухе выше 600 °C).
Сложность механической обработки (требуется алмазный инструмент или лазер).

Сравнение с другими сверхтвёрдыми материалами

Материал	Твёрдость по Виккерсу, ГПа	Термостойкость, °C	Износостойкость (отн. тв. сплава)	Применение
Поликристаллический алмаз (ПКА)	50–80	600–700 (на воздухе)	10–100	Режущий, буровой, абразивный инструмент
Монокристаллический алмаз	100–120	600–700	50–200	Резцы для прецизионной обработки, волоки
Кубический нитрид бора (КНБ, CBN)	40–50	1000–1200	5–20	Обработка закалённых сталей, чугуна
Твёрдый сплав (WC-Co)	10–20	800–900	1	Универсальный инструмент

Производители

Основные мировые производители поликристаллического алмаза:

Element Six (Великобритания/Люксембург) — дочерняя компания De Beers, бренды Syndite, PCD.
Sumitomo Electric Industries (Япония) — бренд Sumidia.
Sandvik Hyperion (Швеция) — бренд Compax.
ILJIN Diamond (Южная Корея).
АЛРОСА (Россия) — выпускает ПКА на предприятиях в Якутии и Москве.
ОКБ «Алмаз» (Россия, Москва) — производит ПКА для бурового инструмента.

Интересные факты

Поликристаллические алмазы, полученные спеканием, часто называют «карбонадо» по аналогии с природным чёрным алмазом (карбонадо), который также имеет поликристаллическую структуру. Однако природный карбонадо встречается крайне редко и не используется в промышленности.
В 2010-х годах разработана технология получения ПКА с добавлением наноалмазов (размер зёрен менее 100 нм), что позволяет повысить прочность и износостойкость материала.
ПКА-инструмент позволяет увеличить скорость резания алюминиевых сплавов до 3000–5000 м/мин (против 500–1000 м/мин для твёрдосплавного инструмента).

Источники

Новиков Н. В., Богатырёва Г. П., Волошин М. Н. и др. Синтетические сверхтвёрдые материалы. — Киев: Наукова думка, 1986. — Т. 1: Синтез сверхтвёрдых материалов.
Шульженко А. А., Гаргин В. Г., Бочечка А. А. Поликристаллические алмазы и их применение в промышленности. — Киев: ИСМ НАН Украины, 2005.
Энциклопедия «Машиностроение». Том IV-2: Инструмент и технологическая оснастка. — М.: Машиностроение, 2010.
Технические условия ТУ 2-036-001-2010 «Пластины режущие из поликристаллического алмаза» (Россия).
Данные производителей: Element Six, Sandvik Hyperion, АЛРОСА.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →