close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6645

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6645
(13) C1
(19)
7
(51) C 01B 31/06
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛМАЗА
(21) Номер заявки: a 20000556
(22) 2000.06.13
(46) 2004.12.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт порошковой
металлургии" (BY)
(72) Авторы: Звонарев Евгений Владимирович; Сенють Владимир Тадеушевич;
Устинова Галина Петровна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(57)
Способ изготовления поликристаллического материала на основе алмаза, включающий смешивание ультрадисперсных порошков алмаза (УДА) с графитом при соотношении компонентов, мас. %:
УДА
60-80
графит
остальное,
формирование из полученной смеси заготовки и ее обработку, отличающийся тем, что
обработку ведут при давлении 4,0-4,5 ГПа, температуре 1300-1350 °С и времени выдержки 10-15 с.
BY 6645 C1
(56)
BY 970528 A, 1998.
SU 549935 A, 1983.
RU 2057066 C1, 1996.
RU 2050319 C1, 1995.
RU 2065834 C1, 1996.
Изобретение относится к области синтеза сверхтвердых материалов, в частности к получению заготовок из поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) на основе
алмаза. Полученный материал может применяться в качестве рабочих элементов алмазных фильер, а также в лезвийном инструменте. Одним из методов получения поликристаллов алмаза является их синтез из графита в присутствии металла-катализатора. Таким
способом получают поликристаллы карбонадо и баллас [1]. Кристаллизация алмаза при
использовании этого метода начинается при достижении в реакционном объеме пороговой температуры, составляющей, в зависимости от катализатора, 1100-1350 °С. При этих
условиях синтеза образуются крупнозернистые поликристаллы с содержанием включений
металла-катализатора свыше 10 мас. %. Эксплуатационные свойства таких поликристаллов невысоки. Чтобы синтезировать с помощью данного метода поликристаллы с более
мелким зерном и улучшить тем самым эксплуатационные характеристики поликристаллов, требуются давления более 12 ГПа. Однако обеспечить такие давления на практике за-
BY 6645 C1
труднительно. К тому же в синтезируемом материале остаются локализованные включения металла-катализатора, что снижает физико-механические свойства и термостойкость
таких ПСТМ.
К разновидности данного способа можно отнести метод [2], в соответствии с которым
металл-катализатор не поступает в реакционную зону до температуры 2300-2500 °С. Только
при достижении данных температур обеспечивается доступ катализатора к слою графита. В
этих условиях формируются мелкодисперсные (3-5 мкм) алмазные поликристаллы с небольшим (2-5 мас. %) содержанием катализатора. Однако и в данном случае скопления катализатора снижают свойства ПСТМ. Существенным недостатком данного метода является использование высоких давлений (более 7,7 ГПа) и температур (2300-2500 °С).
Известны методы получения алмазных ПСТМ без добавок металлов-катализаторов.
Таким образом получают, например, мегадаймонд путем спекания порошков алмаза зернистостью до 20 мкм при давлении свыше 7 ГПа и температуре 2200 °С [1]. Известен способ получения алмазных поликристаллов карбонита. Его получают спеканием порошка,
состоящего из эпитаксиальных наращенных алмазных частиц при давлении свыше 5 ГПа
и температуре более 1500 °С [3].
Способ синтеза термостойких поликристаллов алмаза с использованием неметаллических активирующих добавок предложен в [4]. В качестве добавки, активирующей превращение графит→алмаз, был выбран бор. Известно, что бор при высокой температуре
легко диффундирует в графите и, взаимодействуя с углеродом, образует карбид бора,
имеющий алмазоподобную структуру, присутствие которого в реакционной смеси активирует процесс алмазообразования, выполняя роль центров кристаллизации. Однако и в
этом случае используются давления выше 7 ГПа и температуры выше 2300 °С. При этом
синтезируемые поликристаллы обладают размерами зерна 3-10 мкм и линейными размерами до 6 мм, что также ограничивает области их использования.
Для снижения параметров синтеза поликристаллов используют активирующие добавки и связующие. В структуре данных ПСТМ зерна алмаза не образуют плотного сплошного алмаза, а разделены связкой, количество которой может достигать 50 мас. % и более.
Как правило, твердость этих материалов ниже, чем у однокомпонентных ПСТМ, что также сдерживает их практическое использование.
Таким образом, известные способы получения ПСТМ на основе алмаза не обеспечивают
получения мелкодисперсного (размер зерна менее 1 мкм) материала с высокими физикомеханическими и эксплуатационными свойствами без связующих и активирующих добавок
при сравнительно невысоких (давление менее 5 ГПа и температура менее 1400 °С) параметрах спекания.
Для решения этой проблемы предполагается использовать в качестве исходного компонента порошки ультрадисперсного алмаза с размером 4-6 нм, полученного методом детонационного синтеза, и графита, используемого для статического синтеза алмазных порошков.
В качестве прототипа выбран способ синтеза алмаза [5], включающий смешивание алмазных порошков с размером частиц 10-800 А состава: 30-95 мас. % алмаза кубической модификации (остальное - углерод) со связующим на основе тугоплавких соединений переходных металлов IV-VI групп или их эвтектических составов с металлами цирконием, хромом,
молибденом, железом при следующем соотношении компонентов, мас. %: ультрадисперсный
алмазный порошок - 40-60, связка - 60-40, формирование из них заготовок, размещение заготовок в контейнере высокого давления и спекание под высоким давлением.
Однако полученный указанным способом поликристаллический сверхтвердый материал обладает рядом недостатков.
Во-первых, размеры частиц порошка связующего на несколько порядков крупнее размеров микрокристаллитов ультрадисперсного алмаза, что отрицательно сказывается как
на качестве обрабатываемой поверхности, так и физико-механических характеристиках
компакта вследствие большого разброса в размерах зерен. Во-вторых, в связке присутст2
BY 6645 C1
вуют компоненты, например железо, которые снижают термостойкость алмазных поликристаллов вследствие растворения алмаза при высоких температурах обработки.
В-третьих, использование связки в количестве 60-40 мас. % существенно снижает
твердость спеченных поликристаллов из-за отсутствия сплошного плотного каркаса из
алмазных зерен и низкой прочностью связей между кристаллитами ультрадисперсного
алмаза и связки.
Для обеспечения высоких физико-механических свойств спекать такой композиционный материал необходимо при давлении более 8 ГПа и температуре более 2300 °С, что
снижает линейные размеры блоков и ведет к росту их себестоимости.
Технической задачей изобретения является формирование в процессе спекания материала с высокодисперсной структурой, не содержащего инородных (металлических и неметаллических) включений и получаемого при сравнительно невысоких для этого класса
материалов давлениях и температурах.
Техническим результатом изобретения является повышение физико-механических и
эксплуатационных характеристик ПСТМ на основе алмаза, снижение их себестоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления поликристаллического материала на основе алмаза, включающего смешивание
ультрадисперсных порошков алмаза с графитом при соотношении компонентов шихты
(мас. %):
УДА
60-80
графит
остальное,
формирование из полученной смеси заготовки и ее обработку при воздействии высоких
давления и температуры, обработку заготовки осуществляют при давлении 4,0-4,5 ГПа,
температуре 1300-1350 °С и времени выдержки 10-15 с. Характеристики порошка, используемого для спекания, приведены в таблице.
Размер
Химический состав (мас. %)
Удельная
Насыпной
криповерхность,
Углерод,
Несгораевес, г/см3
сталлиВодород Азот Кислород
∧
м г
общий
мый остаток
тов, им
4-6
300-350
0,5-0,7
92
до 0,6
до 1,4
до 5
до 1
При этом общий углерод состоит на 99 мас. % из алмазного углерода и 1 мас. % - неалмазных форм углерода.
Обработку заготовки осуществляют при давлениях 4,0-4,5 ГПа, температурах 13001350 °С и времени 10-15 с.
Сущность изобретения заключается в следующем. Установлено, что использование
добавок металлов-катализаторов, активирующих добавок металлов-катализаторов, активирующих добавок карбидов, нитридов, боридов и оксидов тугоплавких соединений при
получении ПСТМ на основе УДА существенно снижает физико-механические и эксплуатационные характеристики поликристаллов.
В то же время получение высокопрочных спеков из УДА без связки при сравнительно
невысоких давлениях (4-5 ГПа) и температурах (1300-1600 °С) не представляется возможным ввиду особенностей структуры данного вида алмаза. Спекание при давлении более 10 ГПа
и температуре более 2300 °С позволяет получать высокопрочные спеки, однако возможности практического обеспечения таких высоких Р- и Т-режимов существенно ограничены. Кроме того, линейные размеры получаемых спеков составляют менее 3 мм в диаметре, что не позволяет эффективно использовать их на практике.
3
BY 6645 C1
В то же время установлено, что спекание УДА и графита приводит к трансформации
последнего в алмаз без введения специальных добавок. При этом синтезируемый из графита алмаз с размером зерна 200-250 нм является связующим для исходных частиц УДА,
обеспечивая получение сплошного алмазного каркаса с высокодисперсной зеренной
структурой и высокими физико-механическими свойствами.
Использование высоких давлений 4,2-4,5 ГПа и температур 1300-1350 °С при времени
спекания 10-15 с обеспечивает практически полный переход внесенного графита в алмаз и
получение плотного поликристалла с высокодисперсной зеренной структурой. При давлениях ниже 4,2 ГПа и температурах ниже 1300 °С в спеке сохраняется значительное количество графита (20-40 мас. %), что снижает свойства поликристаллов. Использование давлений выше 4,5 ГПа снижает линейные размеры спеков и увеличивает их себестоимость.
Было установлено, что наиболее высокими характеристиками обладают образцы, в которых содержание внесенного графита до спекания составляло от 20 до 40 мас.. %. Вне
указанных пределов свойства поликристаллов снижаются - либо вследствие повышения
хрупкости из-за большого количества УДА и малого количества синтезируемого из графита связующего алмаза - менее 20 мас. % (при соотношении УДА - графит более чем
4:1), либо вследствие увеличения размеров зерен синтезируемого алмаза и неполного превращения графита в алмаз (при соотношении УДА - графит менее чем 3:2). В последнем
случае размер зерна синтезируемого алмаза достигает величины более 1 мкм, а количество непрореагировавшего графита составляет более 10 мас. %, что ухудшает также и эксплуатационные характеристики поликристаллов.
Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером.
Пример 1.
60 мас. %. ультрадисперсного алмаза глубокой степени очистки и 40 мас. % графита
любой марки, используемого для синтеза алмаза, помещали в смеситель и тщательно перемешивали в течение 2-3 ч.
Из полученной шихты формировали заготовки требуемых размеров (∅ 10-15 мм) путем прессования шихты в пресс-форме под давлением 3-5 т/см2. Для улучшения прессуемости можно добавить ЛВС. Затем заготовки помещали в контейнер высокого давления
из литографского камня или доломита, размещенного в камере высокого давления, и поднимали давление до 4,2-4,5 ГПа с любой скоростью. После этого производили нагрев до
температуры 1300-1350 °С и выдерживали при этой температуре в течение 10-15 с. Затем
температуру и давление снижали до первоначальных значений и извлекали заготовку,
представляющую собой поликристаллический спек с микротвердостью 30 ГПа, который
после механической обработки может служить в качестве рабочего элемента в лезвийном
инструменте или для изготовления алмазных фильер. Количество непрореагировавшего
графита в данном случае не превысило 5 мас. %.
Пример 2.
Смешивали 80 мас. % УДА глубокой очистки и 20 мас. % графита, предварительно
обработанного в аттриторе или шаровой мельнице в течение 3 ч. Смесь помещали в смеситель и перемешивали в течение 2-3 ч. Далее подготовку и спекание проводили аналогично тому, как это сделано в примере 1.
В результате получали образец с более мелкодисперсной и однородной структурой,
обладающий более высокой микротвердостью на уровне 40 ГПа. Доля непрореагировавшего графита составила 3 мас. %.
Пример 3.
Смешивали 70 масс. % УДА глубокой очистки и 30 мас. % графита с добавками 1015 мас. % 10 %-го водного раствора поливинилового спирта. Затем по примеру 1 смесь
перемешивали и прессовали заготовки. При этом, вследствие улучшения прессуемости,
давление компактирования заготовок снижалось до 2-2,5 т/см3.
4
BY 6645 C1
Основными преимуществами заявляемого способа изготовления алмазных поликристаллов по сравнению с известными являются следующие:
1. Процесс получения поликристаллов ведется без использования связующих, катализаторов, активаторов спекания, существенно понижающих физико-механические характеристики поликристаллов и их термостойкость.
Связующим, цементирующим УДА, является алмаз, который синтезируется из графита в процессе спекания.
2. В процессе термообработки формируется материал с высоко дисперсной зеренной
структурой, образованной УДА (размер кристаллитов 50 нм) и алмазом, синтезируемым
из графита (размер кристаллитов до 500 нм).
Сочетание высокой твердости, характерной для алмазных материалов, и мелкого размера
зерна позволяет производить высокоэффективную обработку керамики и труднообрабатываемых сплавов цветных металлов.
3. Синтез подобных ПСТМ на основе алмаза допускается проводить при достаточно
низких давлении, температуре и времени спекания - параметрах (4,0-4,5 ГПа, 1300 °С, 1015 с), что позволяет значительно упростить и удешевить оснастку для спекания, снизить
себестоимость поликристаллов, получать спеки больших линейных размеров.
Источники информации:
1. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов/Ред. кол.: Новиков Н.В. (отв. ред.) и др. -Киев: Наукова думка, 1986. - С. 175.
2. Мазуренко A.M., Ракицкий Э.Б., Ничипор В.В. и др. Регулируемый синтез пластин
алмаза: Сборник научных докладов. Техника и технологии высоких давлений. - Мн.:
Ураджай, 1990. - С. 319-323.
3. Герасименко В.К., Беспалько О.П., Бондаренко В.П., Беженарь Н.П. Новый поликристаллический сверхтвердый материал карбонит // Сверхтвердые материалы. - 1981. № 6. - С. 11-12.
4. Мазуренко A.M., Ракицкий Э.В., Ракицкая Л.И. Синтез термостойких поликристаллов алмаза. Сборник научн. докл. Техника и технологии высоких давлений. - Мн.: Ураджай, 1990. - С. 184-188.
5. Патент РБ 4122, МПК7 С01В31/06, В 22F3/02, 2001 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
185 Кб
Теги
патент, by6645
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа