Способ изготовления растворителя для синтеза монокристаллических алмазов

 

Использование: для производства монокристаллических синтетических алмазов, применяемых для изготовления алмазного инструмента. Сущность изобретения: рельеф получают путем спекания предварительно спрессованной из порошков заготовки при температуре, составляющей 0,60-0,95 температуры плавления составляющей материала заготовки, для которой эта температура минимальна, в течение 0,25-4,0 ч. Обеспечивается при более высокой степени превращения графита в алмаз повышение однородности получаемого продукта по маркам и зернистостям с одновременным увеличением содержания монокристаллов крупных фракций, а также возможность регулирования максимума распределения алмазов по зернистостям. 1 с.п.ф-лы.

Изобретение относится к области производства монокристаллических синтетических алмазов, применяемых для изготовления различного вида алмазного инструмента.

Известен способ изготовления растворителя углерода для синтеза алмазов в виде частичек металла или сплава нескольких металлов (металлов и неметаллов), получаемых механическим дроблением слитка (например, порезкой на токарном ставке), распылением расплава и т.д. Полученные частицы растворителя смешивают затем с неалмазным углеродам и полученную смесь подвергают воздействию высокого давления и температуры в области термодинамической стабильности алмаза (1).

Недостатком способа изготовления растворителя является н возможность получения с его использованием алмазов крупных фракций, а также достаточно низкое содержание в продукте синтеза алмазов правильней формы.

Указанный недостаток частично устраняется в способе изготовления растворителя в виде дисков, которые располагают в реакционном сосуде послойно с неалмазным углеродом (2). В этом случае увеличиваются размеры получаемых алмазов и улучшается их форма.

Диски растворителя вырезают из фольги различной толщины, получаемой холодной или горячей прокаткой слитков растворителя.

Однако данный растворитель обладает очень неоднородной структурой вследствие текстурирования при прокатке, вследствие чего получаемые монокристаллы имеют очень широкий диапазон размеров, причем содержание крупных монокристаллов незначительно.

Наиболее близким до технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления растворителя, включающий изготовление заготовки путем прокатки и доследующее нанесение на ее поверхность рельефа в виде чередующихся выступов и впадин, обращенных к углеродному материалу, причем предпочтительным вариантом изобретения является тот, в котором растворитель состоит из нескольких частей, между которыми находится неалмазный углерод (3). При этом рельеф на поверхности заготовки изготавливают механически, например фрезерованием, штамповкой или волочением, а также плотной или редкой навивкой спирали из проволоки,либо укладкой металлических шариков.

Выступающие части растворителя при послойном снаряжении с неалмазным углеродом находятся в контакте с более горячим графитом и плавятся раньше остальной массы растворителя. Следовательно, здесь осуществляется более ранее зарождение и предпочтительный рост алмазов.

Однако учитывая, что заготовка перед механической обработкой уже обладает текстурой вследствие прокатки (т.е. кристаллические зерна удлинены в направлении прокатки), то выступающие части растворителя неравноценны, они могут попадать как на центр зерна, так и на границу двух и более зерен. Эти участки значительно отличаются коэффициентом диффузии углерода в твердой фазе, что приводит к достаточно большему разбросу времени начала плавления выступающих частей, а следовательно, зарождению и росту кристаллов.

Это приводит к достаточно низкой степени превращения графита в алмаз при синтезе монокристаллов крупных фракций, большой неоднородности получаемого продукта но маркам и зернистостям, а также низкому содержанию алмазов крупных фракций (с размером кристаллов более 315 мкм), что является недостатком способа изготовления растворителя.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования способа изготовления растворителя для синтеза монокристаллических алмазов, в котором при более высокой степени превращения графита в алмаз повышается однородность получаемого продукта по маркам и зернистостям с одновременным увеличением содержания монокристаллов крупных фракций, а также обеспечивается возможность регулирования максимума распределения алмазов по зернистостям.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления растворителя для синтеза монокристаллических алмазов, включающем приготовление заготовка растворителя и нанесение на ее поверхность рельефа в виде чередующихся выступов и впадин, рельеф получают спеканием предварительно спрессованной из порошков заготовки при температуре, составляющей 0,60-0,95 температуры плавления составляющей материала заготовки, для которой эта температура минимальна в течение 0,25-4,0 часов.

Указанные выше технические результаты достигаются при использовании растворителя для синтеза монокристаллических алмазов, т.е. при высоких термодинамических параметрах в процессе интенсивного контактного взаимодействия растворителя с углеродом (графитом), причем указанные выше технические результаты достигаются за счет новых свойств, приобретенных растворителем в процессе его изготовления по заявляемому способу. Рассмотрим это подробнее. В процессе изготовления растворителя по заявляемому способу за счет диффузионных процессов формируются равноосные изометричные зерна.

Те из них, которые находятся в поверхностном слое растворителя и образуют его рельеф в виде чередующихся сферических выступов и впадин и которые в дальнейшем являются центрами кристаллизации алмазов, причем параметры процесса спекания (температура и время) определяют размеры этих зерен, а следовательно, и их количество на единицу площади растворителя и высоту выступов, что представляет возможность управления процессом синтеза путем изменения параметров процесса спекания в заявляемых пределах. Кроме того, образующиеся зерна близки по размерам, т.е. получаемые центры кристаллизации практически равноценны. Указанные факторы и обеспечивают решение поставленной нами задачи.

Исходя из изложенного, объясняется выбор нами параметров процесса спекания. Температура, составляющая 0,60 температуры плавления составляющей материала заготовки, для которой эта температура минимальна, является нижним пределом температурного диапазона, где начинают проявляться диффузионные процессы, формируются зерна и заготовка растворителя приобретает некоторую механическую прочность, причем время 0,28 часа является минимальным, в течение которого диффузионные процессы становятся заметными для тяжелых атомов, традиционно применяемых для изготовления растворителей металлов, и проявляются в процессе синтеза алмазов.

Повышение температуры спекания ускоряет диффузионные процессы и приводит к увеличению размеров зерен, т.е. к уменьшению их количества на единицу площади поверхности растворителя.

При температуре, превышающей 0,95 температуры плавления, размер зерен становится слишком большим (большой радиус кривизны сферы), т.е. практически поверхность растворителя становится гладкой. В этом случае количество центров кристаллизации заметно снижается, что препятствует достижению указанных выше технических результатов.

Длительность процесса спекания, равная 4 часам, является предельной, так как с течением времени диффузионные процессы замедляются и, как доказали наши исследования, увеличение времени процесса спекания свыше 4 часов практически не влияет на структуру растворителя, а следовательно, и на результаты синтеза, т. е. с точки зрения решаемой задачи не влияет на процесс синтеза, но ухудшает экономические показатели процесса.

При изготовлении заготовки могут использоваться порошки металлов, неметаллов (например, углерода (графита) или бора), химических соединений (например, карбидов, нитридов, силицидов), а также порошки предварительно подготовленных сплавов, причем наличий в заготовке растворителя порошка, по крайней мере, одного металла или сплава нескольких металлов обязательно.

Взятые в выбранном массовом соотношении необходимые порошки смешивают в смесителе в течение 1-2 часов, а затем прессуют из смеси заготовки растворителя необходимого размера. Давление при прессовании заготовки порядка 5000-6600 кГс/см².

Так как обычно температуры плавления указанных выше неметаллов и соединений значительно выше температур плавления металлов и сплавов, то температура спекания заготовки растворителя определяется температурой плавления того металла или сплава в составе заготовки растворителя, для которого эта величина является наименьшей.

Заявляемый способ иллюстрируется приведенными ниже примерами конкретного осуществления изобретения, данными в сравнении с известным способом изготовления растворителя по прототипу.

Во всех случаях применяли растворитель, содержащий 17,5 маc. кобальта, 29,5 маc. никеля и 53,0 маc. железа. Для приготовления растворителя по изобретению использовали порошки кобальта марки ПК-1 ГОСТ 9271-79, никеля марки ДНК-1 ГОСТ 9722-79, железа марки ПЖ2М ГОСТ 9849-74. Отметим, что минимальную температуру плавления, равную 1455^oС, в этой композиции имеет никель.

Компоненты растворителя, взятые в указанном массовом соотношении, загрузли в смеситель и смешивали в течение 1 часа для получения гомогенной смеси, из которой прессовали диски-заготовки диаметром 31 мм и массой 2,5 г. Усилие прессования 50 тc. Полученные заготовки спекали при заявляемых температурах и времени процесса в инертной или восстановительной среде, а затем при необходимости механической обработкой доводили диаметр изделий до 30 мм. При этом толщина диска составляла 0,55 мм.

Полученные изделия применяли для синтеза алмазов. Реакционную ячейку аппарата высокого давления формировали путем послойного расположения в контейнере точеных дисков толщиной 1,5 мм из графита марки МГ ОСЧ 7-3 по ТУ 48-20-90-82 и полученных спеченных дисков растворителя углерода.

Подготовку растворителя по прототипу осуществляли следующим образом. Брали фольгу-прокат с гладкой поверхностью того же состава Со (17,5) Ni (29,5) Fе (53,0) толщиной 0,50 мм, специальным штампом вырубали из нее диски диаметром 30 мм, а затем на последние наносили резцом кольцевые концентричные царапины треугольного сечения глубиной от 0,1 до 0,3 мм, при этом расстояние между вершинами выступов не превышало 0,5 мм.

Реакционная ячейка аппарата высокого давления в этом случае формировалась так же, как описано выше.

Снаряженный контейнер помещали в аппарат высокого давления, в котором создавали давление 5,0 ГПа и температуру 1270^oС. Нагрев осуществляли путем пропускания через ячейку электрического тока в течение 15 мин.

После отключения нагрева происходило охлаждение реакционной ячейки с синтезированными алмазами. Через 2-5 мин после отключения нагрева сникали давление в аппарате и извлекали продукт синтеза, катаный сначала подвергли дроблению, а затем обработке кислотами и окислителями для выделения из него алмазов. Полученное алмазнее сырье подвергали дроблению для разделения сростков и рассеву по зернистостям в соответствии с ГОСТ 9206-80, а также для каждой зернистости в соответствий с ГОСТ 9206-80 определяли марку алмазных порошков.

Пример 1. Температура спекания заготовки растворители 1160^oС (0,80 от 1455^oС температуры плавления никеля), время спекания 2 часа.

Выполнено 30 циклов синтеза алмазов. Выход алмазов за один рабочий цикл составлял 4,4 г, что соответствует степени превращения графита в алмаз 27,0 мас. содержание и марки наиболее дефицитных в инструментальном производстве зернистостей в продукте синтеза составляло соответственно,мас. 250/200 - 19,1 АС80; 315/250 17,2 АС80; 400/315 16,1 АС80; 500/400 8,3 - АС65. При этом общее содержание порошков крупных фракций в продукте синтеза составляло 25,2 маc.

Были приготовлены растворители (примеры 2-7) того же состава при граничных и при выходе за граничные значениях параметров процесса спекания и выполнен синтез алмазов с их использованием аналогично примеру 1. Данные по кинетике процесса, а такие по фракционному и марочному составу полученных порошков сведены в таблицу (прилагается).

Пример 8 (по прототипу). Диски растворителя вырублены из сплава (фольга-прокат), на их поверхность резцом нанесен рельеф, как описано выше.

Выделено 20 циклов синтеза алмазов, выход алмазов за один цикл составлял 3,1 г, что соответствует степени превращения графита в алмаз 19,0 мас. Содержание и марки зернистостей в продукте синтеза, мас. 250/200 16,9 - АС80, 315/250 11,0 АС65; 400/315 6,8 АС50; 500/400 1,3 АСЗ2. Общее содержание порошков крупных фракций в продукте синтеза составляло 9,4 мас.

Как видно из таблицы, применение заявляемого способа изготовления растворителя позволяет в 1,15-4 раза повысить степень превращения графита в алмаз при синтезе монокристаллических алмазов по сравнению со способом по прототипу. При этом в 1,7-2,6 раза увеличивается содержание в продукте синтеза алмазов крупных фракций (крупнее 315 мкм).

Кроме того, повышается однородность фракционного и марочного состава получаемых алмазных порошков. Эти видно из следующего. Во всех примерах 1-8 максимум распределения по зернистостям наблюдался для зернистости 250/200, причем содержание порошков указанной зернистости для способа изготовления растворителя по изобретению (примеры 1-3) и прототипу (пример 6) отличается крайне незначительно. С увеличением размеров монокристаллов их содержание в продукте синтеза во всех случаях уменьшалось. Но если для способа по прототипу содержание зернистости 500/400 в 13 раз меньше, чем содержание зернистости 250/200, то для способа по прототиу эта величина не превышает 5,3 (пример 2), т.е. применение способа изготовления растворителя, который заявляется, радикально изменяет форму кривой распределения продукта синтеза по зернистостям.

Кроме того, из таблицы следует, что алмазы, получаемые с применением растворителя по изобретению, по прочности не менее, чем на одну марку превосходят алмазы, получаемые с использованием растворителя по прототипу, причем и здесь разброс по маркам для алмазов различных зернистостей значительно уже: для прототипа от АСЗ2 до АС80, для способа по изобретению - от АС65 до АС80, что и говорит о значительно более высокой однородности получаемого в последнем случае продукта по маркам.

Далее, согласно таблице, выход на границы заявляемых параметров изготовления растворителя хотя бы по одному фактору значительно ухудшает технические данные процесса синтеза по перечисленным выше показателям по сравнению с прототипом (примеры 4-5, 7).

Исключение составляет пример 6, показатели которого практически не уступают примеру 1. Но как указывалось выше, увеличение времени спекания заготовок растворителя свыше 4,0 часов не влияет на процесс синтеза с точки зрения решаемой задачи, но ухудшает его технико-экономические показатели, что и подтверждает пример 6.

Таким образом, данное изобретение позволяет значительно повысить качество получаемых алмазных порошков и тем самым существенно расширить область применения их в инструментальном производстве.

Формула изобретения

Способ изготовления растворителя для синтеза монокристаллических алмазов, вкючающий изготовление заготовки растворителя и нанесение на ее поверхность рельефа в виде чередующихся выступов и впадин, отличающийся тем, что рельеф получают спеканием предварительно спрессованной из порошков заготовки при температуре, составляющей 0,60 0,95 температуры плавления составляющей материала заготовки, для которой эта температура минимальна, в течение 0,25 4,00 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2