Способ получения алмазосодержащего материала

 

Способ получения алмазосодержащего материала относится к области получения новых материалов, а конкретно - сверхтвердых материалов. Способ состоит в пропитке кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. заготовки, сформированной из алмаза или шихты, состоящей из алмаза и ковалентного или металлоподобного карбида (алмаз 15 - 95 мас. %, карбид 5 - 85 мас. %), в которую после формовки введен углерод в количестве 2 - 20 мас. %. Способ обеспечивает упрощение технологии получения алмазосодержащего материала, повышение производительности, обеспечивает возможность варьирования концентрацией алмаза при обработке материалов различных классов. 1 табл.

Изобретение относится к области получения новых материалов, а конкретно сверхтвердых материалов.

Алмазсодержащие поликристаллические материалы, в которых зерна алмаза связаны неметаллической тугоплавкой матрицей получают, как правило, путем спекания в камерах высокого давления (в условиях стабильности алмаза) исходных алмазных зерен размером 1 60 мкм в присутствии небольших добавок неметаллов [1] Известен способ получения поликристаллического алмазного материала [2] спеканием частиц алмаза размером 0,1 5 мкм с предварительно нанесенным алмазно-графитовым покрытием толщиной 5 30 при 1200 1900^oC и давлении 40 77 кбар. Недостатком способа является сложность отдельных стадий технологического процесса, таких как нанесение алмазно-графитового слоя столь малых толщин, спекания при высоких давлениях, требующего сложного оборудования. Кроме того высокая концентрация алмаза (близкая к 100%) в получаемом материале не только повышает его стоимость, но и ограничивает области применения: для ряда не очень твердых материалов (стекло, ситалл и др.) целесообразно применение материалов с меньшим содержанием алмаза в объеме.

Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления, повышение производительности процесса, обеспечение возможности варьирования содержания алмаза в получаемом материале.

Поставленная цель достигается тем, что связывание зерен алмаза в алмазосодержащий материал осуществляют пропиткой заготовки кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. при этом заготовка сформована из алмаза или шихты, состоящей из алмаза и карбида при следующих соотношениях: алмаз 15 - 95 мас. карбид 5 85 мас. и в нее в сформованном виде введен углерод, покрывающий зерна материалов в заготовке, в количестве 2 20 мас. Проведение процесса пропитки при давлениях выше 1000 мм рт.ст. нецелесообразно из-за усложнения технологического оборудования. Введение в шихту менее 5 мас. карбидов нецелесообразно, т.к. это усложняет технологию получения материалов (вводя дополнительную стадию введения карбида) не приводя к существенному изменению состав и свойства материала, на что собственно и направлено введение в шихту карбида. Введение в шихту более 85 мас. карбида существенно ухудшает абразивные свойства алмазсодержащего материала. Введение в заготовку более 20 мас. углерода не позволяет осуществлять пропитку кремнием в связи с активным образованием большого количества карбида кремния в приповерхностных слоях заготовки и блокированием пор образующимся карбидом кремния, кремний не поступает во внутренние области заготовки и пропитка им оказывается неполной. Введение менее 2 мас. пироуглерода нецелесообразно, т.к. приводит к снижению содержания алмаза в композите за счет образования карбида кремния не из пироуглерода, а из алмаза.

Сущность предлагаемого решения состоит в следующем.

Из порошка алмаза или шихты, полученной смешением порошка алмаза с порошком ковалентного или металлоподобного карбида, взятых в соотношениях: алмаз 15 95 мас. карбид 5 85 мас. формуют заготовку алмазсодержащего материала. При этом используют временное связующее для облегчения процесса формования (вода, этиловый спирт и др.). После этого заготовку помещают в реактор и из газовой фазы вводят в нее углерод, обеспечивая покрытие им зерен исходных материалов. Содержание углерода после его введения в заготовке составляет 2 20 мас. Затем полученный полуфабрикат помещают в печь и пропитывают жидким кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. (в вакууме или в инертном газе). Образующийся на этой стадии карбид кремния (за счет реакции между кремнием и углеродом), связывает использование первоначально зерна в единый материал.

Пример 1. Из алмазного порошка марки АСМ 40/28 формуют заготовки диаметром 24 мм и высотой 3 мм. В качестве временного связующего при формовании используют этиловый спирт. Заготовки сушат на воздухе в течение 6 ч. Далее помещают их в реактор и обрабатывают в среде метана при 950^oC в течение 10 ч. Содержание углерода в заготовке при этом составляет 8 мас. Затем заготовки помещают в печь, которую вакуумируют до давления 10^-3 мм рт.ст. нагревают до 1500^oC и сверху подают расплавленный кремний. После остывания печи извлекают полученный материал.

При исследовании образца на изнашивание на приборе ИМ-1 с помощью алмазного круга АЧК 150·20·32А16Б1 100% без СОЖ при нагрузке 1 кг и V= 20 м/с и времени испытания 15 с износ составил 4 мкм/с.

Пример 2. Приготавливают шихту, состоящую из алмаза марки АСМ 100/80-95 г, карбида титана 14/10 5 г. Полученную шихту тщательно перемешивают и формуют из нее заготовки диаметром 24 мм и высотой 3 мм, используя в качестве временного связующего этиловый спирт. В дальнейшем поступают аналогично примеру 1.

Примеры 3 5. выполняли аналогично примеру 2. Отличия в осуществлении примеров представлены в таблице.

Применение предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества: 1. Предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности получения алмазного материала в 15 30 раз.

2. Предлагаемый способ осуществляется проще прототипа, т.к. не требует использования сложного оборудования (камер сверхвысоких давлений).

3. Способ обеспечивает возможность варьирования концентрации алмаза в материале, что важно для использования при обработке материалов различных классов.

Источники информации: 1. В. П. Поляков, А.В.Ножкина, Н.В.Чириков. Алмазы и сверхтвердые материалы, М. Металлургия, 1990, с. 327.

2. А.с. СССР N 549935, 1983, кл. B 24 D 3/02 (прототип).

Формула изобретения

Способ получения алмазосодержащего материала, включающий покрытие алмазных частиц углеродом и связывание их при температуре выше 1000^o С, отличающийся тем, что предварительно формуют заготовку из алмаза или шихты, состоящей из алмаза и ковалентного или металлоподобного карбида, при следующем соотношении компонентов, мас.

Алмаз 15 95 Карбид 5 85 покрытие алмазных частиц углеродом осуществляют в объеме сформованной заготовки до содержания углерода 2-20 мас. а связывание зерен осуществляют пропиткой кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст.

РИСУНКИ

Рисунок 1