close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3954

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3954
(13)
C1
7
(51) C 01B 31/06,
(12)
C 01B 21/064
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ,
В ЧАСТНОСТИ АЛМАЗА ИЛИ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
(21) Номер заявки: а 19980313
(22) 1998.04.01
(46) 2001.06.30
(71) Заявители: Институт физики твердого тела и
полупроводников НАНБ, Производственное
объединение "Кристалл" (BY)
(72) Авторы: Шипило В.Б., Олехнович Н.М.,
Целуевский М.С., Шипило Н.В., Старовойтов
А.С., Зайцев В.А., Горлач А.Г., Хомич П.М.
(BY)
(73) Патентообладатели: Институт физики твердого
тела
и
полупроводников
НАНБ,
Производственное объединение "Кристалл"
(BY)
(57)
Способ получения сверхтвердых материалов, в частности алмаза или кубического нитрида бора, включающий приготовление шихты из графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и
воздействие на шихту высокими давлением и температурой, отличающийся тем, что в качестве добавки в
шихту вводят материал, выбранный из группы, включающей шамот, каолин, базальт, цемент и их смеси, при
следующем соотношении компонентов, мас. %:
добавка
0,1-15,0
катализатор
5-75
графит или графитоподобный нитрид бора
остальное.
BY 3954 C1
(56)
RU 93043458 A, 1996.
BY 3954 C1
Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов (СТМ) и может быть использовано на заводах по выпуску алмазов и кубического нитрида бора (КНБ) и инструментов на их основе.
Известен способ получения алмазов [1], включающий приготовление шихты из графита, катализатора и
добавки, и последующее воздействие на шихту высокими давлением и температурой. В качестве катализатора для получения алмазов используют железо, кобальт, никель, марганец, хром, тантал, бор, медь, магний и
другие элементы из ряда переходных металлов, их смеси и сплавы, а в качестве добавки при получении алмазов используют пермангамат калия в количестве 0,1-2,5 мас. % или его смесь с солями железа.
Однако получаемые по известному способу порошки алмаза сильно отличаются друг от друга по зернистости и свойствам.
Способ по [1] является наиболее близким техническим решением к заявленному по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа и базового объекта.
Общим существенным признаком прототипа и заявленного решения является приготовление шихты из
графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и воздействие на шихту высокими
давлением и температурой.
Задачей настоящего изобретения является повышение выхода преимущественных фракций порошков алмаза и КНБ и их прочности.
Заявленный способ получения сверхтвердых материалов, в частности алмаза или кубического нитрида
бора, включает приготовление шихты из графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и воздействие на шихту высокими давлением и температурой, отличается тем, что в качестве добавки
в шихту вводят материал, выбранный из группы, включающей шамот, каолин, базальт, цемент и их смеси,
при следующем соотношении компонентов, мас. %: добавка 0,1-15,0; катализатор 5-75; графит или графитоподобный нитрид бора - остальное.
Сущность изобретения заключается в следующем. Согласно существующим представлениям о механизмах образования и роста алмазов и КНБ при каталитическом синтезе СТМ образуются и растут из пересыщенных углеродом или нитридом бора расплавов в области термодинамической устойчивости плотных модификаций указанных материалов. На процессы спонтанного зародышеобразования и роста кристаллов
большое влияние могут оказывать определенные добавки, изменяющие пересыщение и вязкость расплавов.
Экспериментально было установлено, что введение в исходную шихту одной или нескольких добавок шамота, каолина, базальта, цемента и их смесей существенным образом увеличивает выход преимущественных
фракций порошков СТМ и их прочность. Основными компонентами указанных добавок являются окислыSiO2, Al2O3, TiO2, Fе2O3, MgO, СаO. Эти окислы также являются основными примесями в природных алмазах. Следовательно, их введение в кристаллизационный расплав будет приближать его состав к составу кимберлитовых трубок, в которых образуются алмазы.
Увеличение выхода преимущественных фракций порошков СТМ и их прочности при введении в расплав
указанных добавок, независимо от природы расплава, может указывать, что микрочастицы указанных окислов или их составляющие (в условиях высоких давлений и температур происходит частичное разделение
окислов на атомы металла и кислорода) являются центрами кристаллизации новой фазы, которые при этом
взаимодействуют с вакансиями кристаллической решетки СТМ, увеличивая тем самым их прочность.
При введении в шихту добавки менее 0,1 мас. % либо более 15 мас. % уменьшается выход преимущественных фракций порошков алмаза и КНБ и их прочность. Содержание в шихте катализаторов менее 5 мас. %
либо более 75 мас. % также уменьшает выход и прочность порошков СТМ.
При получении порошков алмаза или КНБ использовались порошки графита либо графитоподобного
нитрида бора дисперсности 100-800 мкм, которые смешивались с порошками катализатора дисперсности
100-400 мкм и микропорошками (менее 60 мкм) шамота, каолина, базальта и цемента в количестве, указанном в формуле изобретения. Перемешанные порошки затем уплотнялись в прессформе при давлении 0,5
ГПа и помещались либо прямо в контейнер из литографского камня (для синтеза алмаза), либо в графитовый
нагреватель, размещенный в контейнере (для КНБ). Затем контейнер с шихтой устанавливался в центральное
углубление камеры высокого давления и подвергался сжатию до заданных параметров синтеза - Р = 4,0-6,0
ГПа, Т = 1300-1600 °С, t = 1-10 мин. После выдержки при указанных параметрах выключался ток нагрева,
снималось давление в камере и извлекался продукт синтеза в виде спека. Из полученных спеков выделялись
порошки СТМ, которые классифицировались по размерам и прочности.
Для получения порошков СТМ использовался и другой способ приготовления шихты - послойное расположение шайб из графита либо графитоподобного нитрида бора и катализатора, смешанного с добавками. В
этом случае размеры синтезируемых порошков были заметно большими, чем при объемном смешивании порошков.
Пример 1.
В качестве исходной шихты использовали две смеси:
2
BY 3954 C1
1) смесь графита марки МГ-1 ОСЧ фракции 400-800 мкм и никель-марганцевого катализатора (60
мас. %), фракции 100-400 мкм и 2) ту же смесь, но с добавкой 0,5 мас. % порошка шамота либо каолина, либо базальта, либо цемента, либо смеси шамота с цементом (1:1).
Указанные порошки перемешивались в "пьяной бочке" в течение часа, а затем прессовались под давлением 0,5 ГПа в таблетки. Спрессованные таблетки вставлялись во внутреннее отверстие контейнера из литографского камня и сдавливались до давления 5,0 ГПа. После создания давления включался нагрев и реакционная шихта нагревалась до 1450 °С. При Р = 5 ГПа и Т = 1450 °С шихта выдерживалась в течение 2-х
минут. По завершении синтеза отключали нагрев, снижали давление и извлекали спеки, содержащие алмазы,
графит и катализатор и продукты их взаимодействия. Полученные спеки дробили в щековой дробилке до
размера 1-2 мм, а затем продукт дробления подвергался химической обработке с целью выделения порошков
алмаза. Поскольку синтезированные порошки алмаза имели в своем составе ряд сростков и других дефектов,
то они подвергались избирательному механическому дроблению в шаровой мельнице.
После дополнительной химической очистки, отмывки и сушки порошки алмаза подвергались ситовой
классификации по зернистости на вибросите в течение 5 мин с последующим определением прочности порошков заданной зернистости. Прочность порошков определялась по результатам разрушения 50 зерен согласно ГОСТ 9206-80.
Результаты испытаний представлены на фигуре. Выход алмазных порошков в процентах указан на оси
ординат, а их зернистость - на оси абсцисс. Кривая 1 соответствует шихте, состоящей из графита и катализатора, а кривая 2 - той же шихте, но со следующими добавками (0,5 мас. %): - смеси шамота с цементом, ×
- шамотом, ♦ - цементом, + - базальтом, - каолином. Видно, что введение в шихту указанных добавок
значительно повышает выход преимущественных фракций порошков алмаза зернистости 100/80, 125/100 и
160/125, в то время как из шихты без добавок растут алмазы самых различных фракций. Наиболее эффективной добавкой в этом плане является смесь порошков шамота с цементом (выход фракции 125/100 составляет 37 %), затем по мере уменьшения выхода следует шамот (35 %), цемент (34 %), базальт (33 %), каолин
(32 %).
Преимущественные фракции (100/80, 125/100, 160/125) порошков алмаза, полученные из шихты, содержащей добавки, имели прочность 18,7; 21,8 и 30,4 ньютона, что соответствует марке алмаза АС32. Алмазы,
синтезированные без добавок, имели более низкую прочность (АС6-АС15) и отличались большим разбросом
величин прочности.
При послойном расположении шайб из графита и катализатора с добавками увеличение времени синтеза
приводило к увеличению зернистости и прочности преимущественных фракций алмазов с сохранением, выявленном на рисунке, закономерностей, т.е. приводило к смещению графиков вправо и вверх.
Пример 2.
Готовят шихту:
1) из графитоподобного нитрида бора зернистости 50-100 мкм (90 мас. %) и нитрида лития (10 мас. %) и
2) ту же смесь, но с добавками 1,5 мас. % порошка шамота либо каолина, либо базальта, либо цемента, либо
смеси шамота с цементом (1:1). После перемешивания из них формуют таблетки путем прессования порошков под давлением 0,5 ГПа. Спрессованную таблетку помещают во внутреннее отверстие графитового нагревателя, находящегося в контейнере из литографского камня, и подвергают сжатию до давления 4,5 ГПа в
твердосплавной камере высокого давления. Затем включают ток нагрева, который нагревает таблетку до
температуры 1600 °С, и выдерживают таблетку при указанной температуре в течение 3 минут. После выдержки ток выключают, снимают давление в камере и извлекают спек. Спек травят в азотной и соляной кислотах для удаления продуктов реакции, а затем обрабатывают при температуре 450 °С в течение 15 мин в
расплавленной щелочи для удаления непрореагировавшего графитоподобного нитрида бора. После промывания продукты реакции в виде порошка КНБ, как и алмазы, подвергали избирательному механическому
дроблению, ситовой классификации и измерению прочности.
Результаты испытаний показали, что порошки КНБ, полученные из шихты без добавок и с указанными
добавками, имели схожие закономерности изменения выхода от зернистости, как и для алмаза. Однако выход преимущественных фракций 80/63, 100/80 и 125/100 был ниже - порядка 20-25 %. Их прочность была на
уровне 10-15 Н. Порошки КНБ, синтезированные без добавок, отличались небольшой прочностью - от 3 до 5
ньютонов.
Ниже в таблице приведены примеры получения алмазов и КНБ по известному и заявляемому способам.
Как видно из приведенных данных таблицы, в результате введения в состав шихты шамота, каолина, базальта, цемента и их смеси (примеры 4-7, 10-12, 14-23) существенно увеличивается выход преимущественной
фракции алмаза и КНБ и ее прочность по сравнению с известными способами (примеры 1, 2). При запредельных количествах добавок либо катализаторов (примеры 3, 8, 9, 13) заметно снижаются выход и прочность порошков СТМ.
Использование заявляемого способа по сравнению с известными обеспечивает следующие техникоэкономические преимущества:
3
BY 3954 C1
1. В среднем при идентичных условиях синтеза увеличивается выход преимущественных фракций алмаза
и кубического нитрида бора примерно в два раза.
2. В среднем увеличивается прочность преимущественных фракций алмаза и кубического нитрида бора
примерно в 2-3 раза.
Источники информации:
1. Заявка 93043458, Россия, МПК C01B 31/06. Способ синтеза алмазов / А.Ф. Гетьман, В.И. Петренко,
Н.К. Ященко, В.В. Огородников - Заявл. 08.09.93, опубл. 20.03.96. - Бюл. № 8.
4
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
88 ГНБ
80 ГНБ
70 ГНВ
ГНБ
49,5 (Ni-Mn)
49,5 (Ni-Mn)
49,5 (Ni-Mn)
49,5 (Ni-Mn)
41,0 (Ni-Mn)
46,0 (Ni-Mn)
59,95 (Ni-Mn)
59,9 (Ni-Mn)
55 (Ni-Mn)
50 (Ni-Mn)
45 (Ni-Mn)
40 (Ni-Mn)
4 (Fe-Ni)
5 (Fe-Ni)
20 (Fe-Ni)
75 (Fe-Ni)
78 (Fe-Ni)
10 Li3N
15 МgВ2
20LiH
59 (Ni-Mn)
60 (Ni-Mn)
10 Li3N
катализатор
Состав исходной шихты, мас. %
0,5 шк
0,5 кб
0,5 цк
0,5 шб
9,0 шкц
4,0 шкбц
0,05 шц
0,1 шц
5 шц
10 шц
15 шц
20 шц
0,5 ц
0,5 ц
0,5 ц
0,5 ц
0,5 ц
2ц
5к
10 ш
1 бц
добавка
5
5
5
5
5
5
1450
1450
1450
1450
1450
1450
Р, ГПа
T, °С
Известные способы
5
1450
4,5
1600
Заявляемый способ
5
1450
5
1450
5
1450
5
1450
5
1450
5
1450
6
1550
6
1550
6
1550
6
1550
6
1550
4
1600
5
1650
4
1600
4,5
1400
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
4
4
4
4
3
2
5
10
2
3
t, мин
Параметры синтеза
5
шц - шамот + цемент (1:1), ц - цемент, ш - шамот, б - базальт, к - каолин, бц - базальт + цемент (1:1),
шк - шамот + каолин (1:1), кб - каолин + базальт (1:1), цк - цемент + каолин (1:1), шб - шамот + базальт (1:1),
шкц - шамот + каолин + цемент (3:3:3), шкбц - шамот + каолин + базальт + цемент (1:1:1:1)
18
19
20
21
22
23
40 МГ-1
40 МГ-1
40 МГ-1
40 МГ-1
40 МГ-1
40 МГ-1
95,5 ГМЗ
94,5 ГМЗ
79,5 ГМЗ
24,5 ГМЗ
21,5 ГМЗ
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
40 МГ-1
шайбы
50 ГМЗ
50 ГМЗ
50 ГМЗ
50 ГМЗ
50 ГМЗ
50 ГМЗ
40 МГ-1
90 ГНБ
графит
1
2
№
п/п
38
37
39
38
38
38
20
37
37
37
37
20
18
33
33
33
19
25
20
25
34
18
12
Выход преимущественной фракции
%
AC32
AC32
AC32
AC32
AC32
AC32
AC6-AC15
AC32
AC32
AC32
AC32
AC6-AC32
AC15
AC32
AC32
AC32
AC15
15 H
10 Н
15 H
AC100
AC6-AC15
2-5 H
Марка алмаза
Таблица
BY 3954 C1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
133 Кб
Теги
by3954, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа