Способ получения алмазной плёнки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама


 


Владельцы патента RU 2634098:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и материалов, а именно к способу получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта. Осуществляют подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода. Подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно. Затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта. Затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (H2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава. В частных случаях осуществления изобретения ультразвуковую обработку проводят в наноалмазной суспензии, содержащей нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм. Обеспечиваются повышение зародышеобразования алмазной фазы и получение пленки на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащей дополнительных примесей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и материалов.

Необходимыми условиями для получения сплошных алмазных пленок на твердосплавных материалах являются правильная подготовка поверхности, а также оптимизация параметров синтеза пленки. Так, для повышения плотности зародышеобразования известны несколько вариантов обработки поверхности твердого сплава карбида вольфрама. Прежде всего это химическое воздействие на сам сплав и его поверхностную связку в виде кобальта. Классическим вариантом обработки является поочередная обработка в смеси Мураками и кислоте Каро. А для повышения плотности зародышеобразования, а также равномерного роста алмазной пленки на твердом сплаве производят обработку в алмазных суспензиях, приготовленных из детонационных алмазов в среде ацетона, изопропилового спирта, воды. Однако данные методы не позволяют на сегодняшний день получить высокую степень зарождения алмазной фазы и добиться ее равномерного роста.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающий подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода (см. US 5855974 А1, 05.01.1999). Данный способ принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - подготовка поверхности упомянутого твердого сплава, газофазное химическое осаждение углерода.

Недостатками способа, принятого за прототип, является наличие частичек металлов на поверхности твердого сплава после процесса ультразвуковой обработки, и при дальнейшем синтезе алмазной пленки происходит ухудшение ее свойств.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение зародышеобразования алмазной фазы и получение пленки на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащей дополнительных примесей.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающем подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода, согласно изобретению подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и Н2О2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ-излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава.

Предпочтительнее, при осуществлении ультразвуковой обработки в наноалмазной суспензии использование нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазного порошка, синтезированного CVD методом, с размером 90-120 нм.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу: подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ-излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава, ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии проводят с использованием нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазного порошка, синтезированного CVD методом, с размером 90-120 нм.

Последовательная обработка поверхности твердого сплава в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно позволяет полностью убрать кобальтовую связку с подготавливаемой поверхности.

Проведение ультразвуковой обработки в суспензиях с добавлением не металлических порошков, а нанометрового порошка оксидной керамики состава ZrO2-Y2O3-CeO2, который в процессе синтеза пленки вступает в химическую реакцию с газовой средой, становясь катализатором роста алмазной пленки и с увеличением времени синтеза разлагается и улетучивается с поверхности, позволяет повысить степень зародышеобразования алмазной фазы на твердом сплаве.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить зародышеобразование алмазной фазы и получить пленку на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащую дополнительных примесей.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 показан этап зарождения пленки.

На фиг. 2 показана структура пленки на изломе.

На фиг. 3 показана структура пленки.

На фиг. 4 показана раман-спектроскопия полученной пленки.

Способ включает в себя получение сплошной алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% Со путем газофазного химического осаждения углерода в микроволновом реакторе (MW CVD), с предварительной обработкой изделий в алмазно-керамической суспензии. В качестве подложек был выбран промышленный сплав ВК-6, который находит широкое распространение в обработке металлов и композитов. А содержание кобальта в твердом сплаве является оптимальным для создания необходимого пленки, без потери функциональных свойств материала подложки. Предложен новый вариант обработки поверхности твердого сплава, включающий последовательную обработку в концентрированной H2SO4 смеси H2O2:H2SO4 (1:3) и H2O2 с выдержкой на каждом этапе. Он позволяет равномерно удалить кобальт из поверхностного слоя твердого сплава без охрупчивания самого материала.

Для повышения плотности зародышеобразования предлагается использовать вместо классической суспензии из детонационных алмазов суспензию с добавлением оксидной керамики состава ZrO2 - 2.2 мол %, Y2O3 - 3 мол. %, CeO2 и алмазов, полученных MW CVD методом. Выбор керамики такого состава обусловлен высокой твердостью, которая в процессе обработки в ультразвукой среде производит физико-химическую модификацию поверхности, а также входящим в состав оксидом церия, который является катализатором углеродных реакций и в процессе осаждения пленки ускоряет ее рост (фиг. 1). Оптимальная концентрация керамического порошка в суспензии 0,2 мас. % на мл. Выбранные параметры синтеза пленки: мощность СВЧ-излучения 700 Вт, давление в камере 25 Торр, состав газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расход газа 150 см3/мин, температура образца 720°С, выбраны на основании многократных экспериментов и позволяют получать пленку с минимальными дефектами в структуре. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить степень зародышеобразования алмазной фазы на твердом сплаве.

Пример осуществления изобретения

Для проведения испытаний был взят твердый сплав состава WC-6% Co, нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 (синтезированный в лабораторных условиях обратным осаждением аммиаком из водно-этанольных растворов соответствующих солей) с размером частиц 18-21 нм, и алмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм.

Предварительно создали шлифованную поверхность твердого сплава на алмазных пастах, с последующей промывкой в ацетоне, в среде ультразвука в течение 10 минут. На следующем этапе удалили кобальтовую связку в поверхностном слое твердого сплава путем обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 (1:3) и H2O2, в течение 10, 40, 20 минут соответственно. После готовили суспензию, состоящую из ZrO2-Y2O3-CeO2 и алмазного порошка в среде изопропилового спирта. Обработку осуществляли в ультразвуке в течение 30 минут для равномерного распределения частиц на поверхности твердого сплава. После образец подвергли термической сушке на воздухе для удаления спирта с поверхности и поместили в камеру реактора. Синтез алмазной пленки осуществляли при следующих параметрах: мощность СВЧ-излучения 700 Вт, давление в камере 25 Торр, состав газовой смеси 99:1 (Н2:CH4), расход газа 150 см3/мин, температура образца 720°С, длительность синтеза 4 часа.

Определение фазового состава полученной пленки осуществляли на КР-спектрометре Bruker при длине волны 532 нм и мощности лазерного излучения 10 мВт с обработкой полученных данных в программе Opus 6.5. Микроструктурный анализ пленки исследовали на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss Ultra 55 (фиг. 2 и 3).

Средняя толщина пленки, рассчитанная при статистической обработке серии изображений 4.1±0.2 мкм. Средний размер алмазного зерна в пленке составляет 95±5 нм. В фазовом анализе полученной пленки присутствует узкий пик в районе 1334 см-1, с полушириной не более 12 см-1, что идентифицирует алмазную составляющую, линий, подтверждающих наличие оксидной керамики в составе, не выявлено (фиг. 4).

Способ позволяет получить сплошную алмазную пленку на твердом сплаве, без включения в ее состав частичек порошка, применяемых для повышения плотности зародышеобразования. Способ легко осуществить на стандартном оборудовании.

1. Способ получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающий подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода, отличающийся тем, что подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (H2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку проводят в наноалмазной суспензии, содержащей нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано, в частности, для синтеза тугоплавких соединений. Способ получения силицидов титана включает смешение газообразных галогенидов титана и кремния, взятых в мольном отношении от 5:3 до 1:2 при температуре от 450 до 1100°C в атмосфере инертного газа при нормальном давлении, синтез силицидов титана восстановлением смеси галогенидов титана и кремния в атмосфере инертного газа при нормальном давлении расплавленным цинком при температуре от 450 до 900°C или парами цинка при температуре от 900 до 1100°C, очистку силицидов титана отгонкой галогенидов цинка и металлического цинка в атмосфере инертного газа при температуре от 900 до 1100°C при нормальном давлении или в вакууме при температуре от 700 до 900°C.
Настоящее изобретение относится к способу получения покрытия из аморфного кремния на внутренней поверхности металлического субстрата и может быть использовано в газоносных системах отбора и хранения проб природного газа для подготовки субстрата, например сосуда для хранения газа или подводящего трубопровода, в системах контроля качества продукции в нефтяной и газовой промышленности, в коммерческих узлах учета, в системах измерений количества и показателей качества газа и сжиженных углеводородных газов на магистральных газопроводах.

Изобретение относится к области термозащитных и антиокислительных покрытий, и может быть использовано для повышения химической инертности и температуры эксплуатации материалов, используемых в авиакосмической промышленности, топливо-энергетическом комплексе и др.

Изобретение относится к способу алитирования внутренней поверхности канала (10) полого конструктивного элемента (1, 120, 130) гидравлической машины и к полому конструктивному элементу (1, 120, 130) гидравлической машины.

Изобретение относится к высокопрочному покрытию, нанесенному на изделие из металла, твердого сплава, металлокерамики или керамики методом термического химического осаждения из газовой фазы без дополнительного плазменного возбуждения, и способу нанесения указанного покрытия.

Изобретение относится к подложке для алмазного покрытия, наносимого методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), способу ее формирования и электродному стержню для формирования подложки упомянутым способом.
Изобретение относится к способу покрытия, по меньшей мере, внутренней поверхности поршневого кольца, а также к поршневому кольцу. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или DLC-слой, состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Ме - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.

Изобретение относится износостойкому одно- или многослойному покрытию, нанесенному методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении (LPCVD) без возбуждения плазмой на тело из металла, твердого сплава, кермета или керамики, и к способу его нанесения.

Изобретение относится к винтовой нажимной стальной пружине для поршневого кольца, выполненной с износостойким покрытием, которая может быть использована как компонент маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, с покрытием, а также к способу нанесения покрытия на скользящий элемент. Поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания выполнено из чугуна или стали и имеет износостойкое покрытие.
Изобретение относится к технологии осаждения алмазных пленок из газовой фазы CVD методом, а именно к способу получения легированного дельта-слоя в CVD алмазе. Алмазную подложку помещают в CVD реактор.

Изобретение относится к технологии производства цветных алмазов, которые могут быть использованы в оптике и для ювелирных целей. Монокристаллический CVD-синтетический алмазный материал содержит множество слоев, которое включает, по меньшей мере, две группы слоев, различающиеся по их составу дефектов и цвету, причем тип дефектов, концентрация дефектов и толщина слоев для каждой из упомянутых, по меньшей мере, двух групп слоев являются такими, что если окрашенный монокристаллический CVD алмазный материал перерабатывают в алмаз с круглой бриллиантовой огранкой, содержащий площадку и калету и имеющий глубину от площадки до калеты более 1 мм, то алмаз с круглой бриллиантовой огранкой имеет однородный цвет при рассматривании невооруженным глазом человека в стандартных окружающих условиях наблюдения в, по меньшей мере, направлении через площадку до калеты; упомянутые, по меньшей мере, две группы слоев содержат первую группу слоев, содержащих легирующую примесь бора в концентрации, достаточной для получения синей окраски, и вторую группу слоев, содержащих более низкую концентрацию легирующей примеси бора, первая группа слоев содержит некомпенсированную легирующую примесь бора в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5,00 ppm, а вторая группа слоев содержит легирующую примесь изолирующего замещающего азота в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5 ppm, причем показатель качества (FM) видимости индивидуальных слоев составляет не более 0,15 и рассчитывается как произведение: FM=толщина (мм) слоев для первой группы слоев × толщина (мм) слоев для второй группы слоев × концентрация (ppm) твердотельного бора в первой группе слоев × глубина (мм) круглой бриллиантовой огранки.

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (варианты). Выполнение реактора на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора и прикрепленного к его торцевой стенке круглого коаксиального резонатора, вдоль оси которых (соосно резонаторам) располагается реакционная камера в виде диэлектрической трубы, позволяет генерировать и поддерживать аксиально-симметричную плазму в реакционной камере только в одной единственной области резонатора около подложки.

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов и может быть использовано в качестве детекторов ядерного излучения в счетчиках быстрых частиц, а также в ювелирном деле.

Изобретение относится к подложке для алмазного покрытия, наносимого методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), способу ее формирования и электродному стержню для формирования подложки упомянутым способом.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при разработке технологии алмазных электронных приборов увеличенной площади. Способ включает закрепление на подложке монокристаллических алмазных пластин с ориентацией поверхности (100) и последующее нанесение на пластины эпитаксиального алмазного слоя, при этом перед закреплением на подложке на каждой монокристаллической алмазной пластине предварительно сполировывают края, создавая усеченную четырехгранную пирамиду с верхней плоскостью, ориентированной по кристаллографической плоскости (100), и с четырьмя боковыми гранями, ориентированными по плоскостям типа {311}, каждую усеченную пирамиду соединяют с подложкой таким образом, чтобы усеченные пирамиды соприкасались друг с другом своими боковыми гранями, а затем наносят на усеченные пирамиды алмазный эпитаксиальный слой.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического, полученного химическим осаждением из газовой фазы (ХОГФ), синтетического алмазного материала, который может быть использован в качестве квантовых датчиков, оптических фильтров, частей инструментов для механической обработки и исходного материала для формирования окрашенных драгоценных камней.

Изобретение относится к синтезу материала, в частности алмаза и полупроводника типа Si-Ge, посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD). Синтез алмаза осуществляют путем создания плазмы в вакуумной камере около субстрата, выполненного с возможностью размещения на нем синтезируемого алмаза, при этом в камеру вводят H2 и вещество-носитель углерода для получения в камере газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых затем синтезируется указанный алмаз.

Изобретение относится к технологии получения алмазов для ювелирных целей. Способ включает помещение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, в камеру для осуществления химического парофазного осаждения (CVD), подачу в камеру водорода, углеводородного газа, содержащего углерод, газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, оба из которых приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке, приложение электрического поля для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке, завершение процесса CVD в камере, огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза, очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение заданного периода времени, проведение окончательной огранки алмаза, полировки и придания цвета.

Изобретение относится к способу управления концентрацией и однородностью распределения легирующей примеси в синтетическом CVD-алмазном материале, используемом в электронных устройствах и датчиках.

Изобретение относится к химической промышленности. Взрывчатое вещество со скоростью детонации 6300 м/с или более размещают на периферии исходного вещества, содержащего ароматическое соединение с не более чем двумя нитрогруппами, например, динитротолуола, динитробензола или динитроксилола.
Наверх