close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8444

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8444
(13) C1
(19)
(46) 2006.08.30
(12)
7
(51) C 01B 31/06
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ОВАЛИЗАЦИИ ПОРОШКОВ АЛМАЗА
(21) Номер заявки: a 20031242
(22) 2003.12.30
(43) 2005.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт
физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Шипило Виктор Брониславович; Маковецкая Лидия Антоновна;
Игнатенко Олег Владимирович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(56) Клевцур С.А. и др. // Неорганические
материалы. 1981. - Т. 17. - № 6. - С. 985990.
BY 4502 C1, 2002.
Федосеев Д.В. и др. // Журнал физической химии. - 1974. - Т. XLVIII. Вып. 6. - С. 1528-1530.
Орап А.А. и др. // Сверхтвердые материалы. 1990. - № 2. - С. 43-46.
SU 1724572 A1, 1992.
BY 8444 C1 2006.08.30
(57)
Способ овализации алмазных порошков, включающий термообработку алмазных порошков в потоке воздуха, отличающийся тем, что перед термообработкой алмазный порошок смачивают катализатором окисления, в качестве которого используют 2-5 %
водный раствор нитрата щелочного металла или смеси нитратов щелочных металлов, при
этом катализатор окисления и алмазный порошок берут в массовом соотношении 1:(5-10),
а термообработку проводят при температуре 550-700 °C.
Изобретение относится к производству и обработке алмазного сырья, а именно к технологии получения алмазных овализованных синтетических порошков, и может быть использовано в промышленности при производстве порошков синтетических алмазов и
изготовлении алмазного инструмента.
Известно, что в технологический процесс производства алмазных шлифовальных порошков включают операцию овализации и корректировки формы алмазных зерен [1].
Порошки синтетических алмазов, синтезированные из порошкообразного графита при
высоких температурах (до 1200-1500 °С) в камерах высокого давления (при давлении
4,5-5 ГПа), содержат игольчатые (удлиненные), пластинчатые кристаллы, сростки и другие дефектные зерна. Тонкие фракции алмазных микропорошков (менее 10 мкм) содержат
до 30 % зерен, размеры которых больше или меньше размера зерен основной фракции.
Ввиду необходимости получения металлооптических поверхностей, например, металлические зеркала в лазерах должны иметь отражающую поверхность с минимальной
шероховатостью (до нескольких нанометров) и обладать высоким коэффициентом отражения, необходимости высокого качества поверхности оптических стекол в высокоточ-
BY 8444 C1 2006.08.30
ных оптических приборах, финишной операцией при их обработке является полирование
свободным абразивом в виде микропорошков из синтетических алмазов. Наличие крупных
по сравнению с основной фракцией алмазных кристаллов и дефектных зерен с острыми
углами ведет при полировке к образованию царапин, выколов, ухудшению шероховатости
обрабатываемой поверхности, а содержание мелких частиц - к снижению производительности. Поэтому необходимо иметь алмазные шлифпорошки максимально однородного
зернового состава с изометричностью формы частиц.
Овализация алмазных порошков позволяет увеличить в них содержание зерен основной фракции, повысить абразивную способность за счет ликвидации дефектных кристаллов и повышения коэффициента изометричности формы зерен.
В алмазной промышленности для дробления и овализации синтетических алмазов используют различного рода механические дробилки, в которых производится механическое
дробление алмазных зерен: роторные дробилки, вибрационные шаровые мельницы разного
типа и т.д. [1, с. 51]. При овализации порошков алмаза механическим способом с использованием механических дробилок берут алмазные порошки, предварительно расклассифицированные по зерновому составу на узкие классы [1, с. 56].
На Полтавском заводе искусственных алмазов и алмазного инструмента для дробления, упрочнения и корректировки формы алмазных зерен используется аппарат с вихревым слоем, где рабочими телами являются неравновесные ферромагнитные частицы,
увлекаемые вращающимся магнитным полем, в результате соударений друг с другом и с
зернами алмазных порошков происходит избирательное дробление алмазов [2]. Авторы [2]
показывают результаты распределения зернистостей и распределения прочности алмазных
зерен при обработке в вихревом аппарате синтетических алмазов крупностью +315 мкм
(друзы) и -315 - + 40 мкм всех зернистостей и показывают значительное преимущество
дробления в вихревом аппарате по сравнению с применяемой молотковой мельницей
МЛА-3.
В Институте сверхтвердых материалов АН Украины использован вихревой аппарат
для получения овализованных микропорошков синтетических алмазов [3].
По достигаемому техническому результату указанный способ [2, 3] близок к заявляемому. Сущность способа следующая. При овализации алмазных порошков с использованием
механического дробления берутся алмазные порошки, предварительно расклассифицированные по зерновому составу на узкие классы.
Основными технологическими операциями являются измельчение алмазного сырья
класса -60 мкм в механической шаровой мельнице; корректировка формы зерен; химическая очистка и отмывка от кислоты; предварительное разделение на классы (-60+14),
(-14+3) и (-3) мкм; дополнительная корректировка формы зерен и овализация в вихревом
аппарате (описан выше); повторная химическая очистка, отмывка от кислоты; предварительная классификация на центрифуге (содержание основной фракции не менее 40-50 %);
окончательная классификация по специальным режимам [3].
Каждая из этих операций довольно трудоемка.
Недостатками этого способа являются следующие.
1. Использование механического дробления алмазных зерен, в результате чего происходит дополнительное измельчение зерен исходного алмазного порошка и потеря алмазного продукта, увеличение микротрещин в зернах (снижение прочности шлифпорошков).
2. При дроблении в дробилках любого типа в алмазный продукт обработки вносятся
дополнительные загрязнения металлами, материалами футеровки дробильных камер, керамическими и другими трудно растворимыми в кислотах примесями, что вновь требует
традиционной химической очистки с использованием бихромата калия, концентрированных кислот и расплавов щелочей, что дополнительно требует времени и дополнительно
происходит загрязнение сточных вод токсичными веществами (например хромом).
2
BY 8444 C1 2006.08.30
3. Максимально достигаемое содержание основной фракции в макропорошках составляет 65-70 % и ниже [2].
4. При дроблении в вихревом аппарате в вихревом слое ферромагнитных частиц происходит смешивание алмазных порошков с ферромагнитным порошком, что требует дважды дополнительной химической очистки и отмывки от кислот (расход кислот и
промывной воды, дополнительные операции травления).
Известен способ термической овализации и окисления алмазных порошков кислородом воздуха [4, 5, 6].
Авторы работы [4] приводят результаты исследования процесса взаимодействия с кислородом воздуха синтетических алмазных порошков марок АС20, АС15, АС6 зернистостей 50/40, 160/125, 315/250 при изотермическом отжиге при температурах 500, 700, 800,
900, 1000 °С. При температуре 500 °С алмазные порошки практически не окисляются кислородом воздуха (выдержка 2,5 часа) и остаются в неизменном виде. Незначительное
окисление начинается при температурах 700-800 °С для всех зернистостей (выдержка до
2,5 часов). Заметное окисление с потерей массы для всех зернистостей происходит при
температурах 900-1000 °С. Наблюдается незначительная потеря массы (до 30 %) на начальной стадии при отжиге при 900 °С в течение 15-30 мин. При температурах 9001000 °С по истечении 1,5-2 часов алмазы сгорают практически полностью. В начальный
период окисления при температурах 900-1000 °С происходит резкое изменение поверхности кристаллов, что связывают с тепловым травлением верхних дефектных слоев алмазных зерен.
В работе [5] авторы изучали экспериментально процесс окисления кислородом воздуха порошков синтетического алмаза различной дисперсности, а именно микропорошков
синтетических алмазов марок АСМ 1/0 и АСМ 10/7 и графитизированной сажи при температурах 400-600 °С при больших толщинах слоя порошка в диффузионной области.
Графит и графитизированная сажа окисляются быстрее алмаза до 580 °С, а затем скорость
окисления алмазных порошков выше. Время окисления продолжалось от 1 часа до 6 часов. Получены уравнения кинетики окисления и скорости газификации алмаза. Наиболее
эффективен процесс в первые 2 часа и протекает по логарифмическому закону прямо пропорционально парциальной концентрации кислорода. Глубина эффективного проникновения реакции окисления в толщину слоя алмазного порошка составляет L = 0,4 см и
уменьшается по экспоненциальной кривой до L = 0,1 см при температуре 600 °С.
Используя результаты работы [5], авторы в работе [6] рассматривают термический
способ овализации алмазных порошков на воздухе и представляют модель процесса овализации в аналитическом виде. Как следует из работ [5, 6], практически при обжиге алмазных порошков на воздухе процесс овализации замедляется в тонком слое и глубоко в
слой алмазного порошка не проникает. В работе [6] предлагается для ускорения процесса
термической овализации применение виброкипящего слоя, чтобы увеличить доступ кислорода к внутренним слоям порошков.
Недостатками вышеуказанных способов термического окисления кислородом воздуха
кристаллов алмаза, приводящих к овализации синтетических алмазных шлифпорошков,
являются следующие.
1. При окислении на воздухе микропорошков алмаза с размерами зерен от 40 до
315 мкм процесс окисления эффективен при высоких температурах - выше 700-800 °С.
Однако при этих температурах происходит большая потеря массы обрабатываемого
алмазного порошка [4].
2. При окислении на воздухе микропорошков алмаза с размерами зерен от 1 до 10 мкм
процесс овализации протекает только в тонком поверхностном слое порошка не более
1-4 мм при времени окисления до 6 часов. Поэтому данный способ малоэффективен и
имеет низкий процент выхода овализованных кристаллов [5].
3
BY 8444 C1 2006.08.30
3. Предложение применить виброкипящий слой при термообработке для увеличения
доступа кислорода к внутренним слоям алмазного порошка [6] на практике трудно осуществить, и потому практического использования предлагаемый способ не получил.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ
термической овализации порошков алмаза, описанный в работе [6], который выбран в качестве прототипа.
Общим существенным признаком прототипа и заявляемого способа является термообработка алмазных порошков в потоке воздуха.
Задачей данного изобретения является овализация порошков алмаза без использования механической обработки, использование в техпроцессе экологически чистого сырья,
понижение температуры обработки, увеличение степени овализации во всем объеме обрабатываемых порошков алмаза.
В заявляемом способе овализации порошков алмаза, включающем термообработку
алмазных порошков в потоке воздуха, в отличие от известных способов и прототипа, перед термообработкой алмазный порошок смачивают катализатором окисления, в качестве
которого используют 2-5 % водный раствор нитрата щелочного металла или смеси нитратов щелочных металлов, при этом катализатор окисления и алмазный порошок берут в
массовом соотношении 1:(5-10), а термообработку проводят при температуре 500-700 °С.
В отличие от прототипа в заявляемом способе используют катализатор окисления, содержащий 2-5 % водный раствор нитрата щелочного металла или смеси нитратов щелочных
металлов, катализатор окисления и алмазный порошок берут в массовом соотношении
1:(5-10), а термообработку проводят при более низких температурах 500-700 °С, при которых окисляются кристаллы алмаза и образуются округлые формы, т.е. происходит овализация кристаллов алмазных порошков.
В результате применения предлагаемого способа происходит процесс сглаживания
граней и острых углов кристаллов алмазных порошков и достигается эффект овализации
порошков алмаза с использованием довольно простого и дешевого химико-термического
способа. Использование довольно низких температур 500-700 °С при термообработке в
предлагаемом способе исключает объемную графитизацию кристаллов алмаза и выжигание мелкодисперсных фракций алмазных порошков, т.е. исключаются потери алмазного
сырья.
Сущность изобретения заключается в следующем. Предварительно классифицированные по зерновому составу алмазные порошки смачивают 2-5 % водным раствором нитратов щелочных металлов KNO3, NaNO3 или их смеси, при этом катализатор окисления
берут в соотношении к массе алмазного порошка, равном 1:(5-10), и прокаливают в печи в
потоке воздуха при температуре 500-700 °С в течение 15-120 мин. Температура и время
термообработки определяются размерами кристаллов алмазных порошков и степенью
овализации, которую хотят получить. Затем алмазный порошок промывают теплой водой
(~50-60 °С), протравливают 15 % водным раствором соляной кислоты при температуре
(~60 °С) и высушивают.
Под степенью овализации α понимается количество овализованных алмазов, фиксируемых в поле зрения микроскопа для произвольной их выборки, к общему количеству
алмазов, находящихся в поле зрения микроскопа:
α=
[Cов ]
× 100%,
[C общ ]
где Сов - количество овализованных алмазов в поле зрения микроскопа; Собщ - общее количество алмазов в поле зрения микроскопа.
Увеличение микроскопа Р17 выбирается варьированием окуляров и объектива таким
образом, чтобы в поле зрения микроскопа наблюдалось не менее 20 кристаллов алмазов.
4
BY 8444 C1 2006.08.30
При использовании предлагаемого способа достигается степень овализации до 80-90 %
для всех зернистостей.
Преимущество предлагаемого способа по сравнению с аналогами и прототипом заключается в следующем.
1. Вследствие применения нитратов щелочных металлов или смеси нитратов щелочных металлов при термической обработке алмазных порошков в воздушной среде ускоряется процесс окисления алмазных порошков и овализация производится при низких
температурах 500-700 °С, при которых не происходит объемной графитизации кристаллов
алмазов и выгорания мелкодисперсных фракций, т.е. исключаются потери алмазного сырья. Процесс окисления контролируемый и регулируемый.
2. Заменяется механический способ овализации, используемый в настоящее время в
алмазной промышленности, который представляет собой многостадийный сложный процесс [2, 3] с применением большого количества концентрированных кислот и многократного помола, при которых происходят значительные потери алмазов, довольно простым в
исполнении термохимическим способом с использованием дешевого химического сырья и
кислорода воздуха как окислителя, и не требует специального сложного оборудования,
поскольку термообработка может производиться в печи сопротивления.
3. Вследствие смачивания алмазного порошка перед термообработкой водным раствором нитрата щелочных металлов каждый кристалл алмазного порошка обволакивается солевым раствором и происходит после высыхания воды разделение кристаллов алмаза друг
от друга. При этом KNO3, NaNO3 при Т > 400 °С разлагаются на нитриты и свободный
кислород, что дополнительно обеспечивает свободный доступ кислорода в толстый слой
алмазного порошка любой дисперсности, в том числе и в слой микропорошка, увеличивается степень контактирования алмазных кристаллов с кислородом и производится овализация порошков алмаза во всем объеме обрабатываемого алмазного порошка. Отпадает
необходимость создавать в порошке виброкипящий слой [6].
4. Продуктом окисления кристаллов алмаза кислородом является газообразный углекислый газ СО2, который удаляется с поверхности кристаллов алмазов потоком воздуха, и,
таким образом, продукты окисления алмаза не остаются в толще алмазного порошка и не
препятствуют дальнейшему окислению кристаллов алмаза.
Таким образом, обеспечивается высокая эффективность предлагаемого способа овализации алмазных порошков.
5. Продукт реакции окисления алмаза кислородом - газообразный углекислый газ является экологически чистым продуктом и удаляется из рабочего пространства термической печи вместе с воздушным потоком.
Предлагаемый способ овализации алмазных порошков довольно прост в исполнении,
используется в небольших количествах дешевое химическое сырье, не требуется сложного оборудования. При использовании предлагаемого способа производится овализация
кристаллов алмаза любой зернистости.
Примеры конкретной реализации предлагаемого способа.
Пример 1
Синтетический алмазный порошок марки АС15 зернистостью 125/100 в количестве 27 г
(135 карат) смачивают водным 2 мас. % раствором катализатора окисления KNO3 в соотношении 5:1, подсушивают, переносят на поддон из нержавеющей стали, размещают слоем толщиной до 5-10 мм. Затем поддон с алмазным порошком помещают в муфельную
печь, разогретую до температуры 600 °С при потоке воздуха через печь 5 л/ч и выдерживают при этой температуре в течение 60 мин. Затем вынимают из печи, охлаждают, смывают горячей (60°) водой в химический стакан, размешивают и дают алмазам осесть на
дно стакана. Сливают промывную воду, заливают 15 % водным раствором соляной кислоты,
производят травление. Когда реакция травления прекращается, доливают дистиллированной водой, отстаивают, сливают продукт травления, снова промывают водой до получе-
5
BY 8444 C1 2006.08.30
ния нейтральной среды. Затем алмазный порошок высушивают, проверяют степень овализации под микроскопом. При степени овализации 90 % потери алмазного порошка составляют 9 %.
Пример 2
Синтетический алмазный порошок марки АС15 зернистостью 125/100 в количестве 25 г
(125 карат) смачивают водным раствором 2 мас. % катализатора окисления NaNO3 при
соотношении 5:1. Далее производят техпроцесс, как описано в примере 1, при температуре обработки Т = 600 °С и времени обработки 60 мин. При степени овализации 80 % потери алмазного порошка составляют 7 %.
Пример 3
Синтетический алмазный микропорошок марки АСМ зернистостью 10/7 в количестве 7 г (35 карат) смачивают водным раствором катализатора окисления составом:
2,5 % KNO3 + 2,5 % NaNO3, в соотношении 5:1, переносят на поддон, размещают слоем
толщиной до 5 мм, помещают в муфельную печь, разогретую до Т = 500 °С при потоке
воздуха через печь 5 л/ч и выдерживают в течение 15 мин. Вынимают из печи, охлаждают,
смывают горячей (60 °С) водой в химический стакан, отстаивают, сливают промывную
воду, заливают 15 % водным раствором соляной кислоты, производят травление. Когда
реакция травления прекращается, доливают дистиллированной водой, отстаивают, сливают промывные воды и промывают микропорошок несколько раз до получения нейтральной среды. Затем микропорошок высушивают и определяют степень овализации под
микроскопом. При степени овализации 95 % потери алмазного микропорошка составляют
12-15 %.
Примеры конкретной реализации предлагаемого способа для синтетического алмазного порошка марки АС20 зернистостью 63/50 представлены в таблице.
Навеска Массовое соот№
алмаз- ношение алмазпри- ного
ного порошка и
мера порошкатализатора
ка, г
окисления
4
12,7
5:1
5
13,2
5:1
6
13,5
5:1
7
13,0
5:1
8
12,9
5:1
9
23,8
5:1
10
26,4
10:1
11
25,0
7:1
12
24,6
5:1
Условия термической обработки
Потери Степень
алмазно
- овалиКатализатор Темпера- Время
окисления, тура обра- обработ- го по- зации α,
%
мас. %
ботки, °С ки, мин. рошка, %
2 % KNO3
5 % KNO3
2 % NaNO3
5 % NaNO3
5 % KNO3
5 % KNO3
5 % KNO3
5 % KNO3
1,5 % KNO3
+3,5 % NaNO3
600
600
600
600
550
700
650
600
40
60
90
70
90
30
40
120
6
8
9
10
5
12
10
9
85
90
80
80
75
95
80
90
600
50
8
90
Понижение температуры обработки ниже 500 °С вызывает резкое уменьшение скорости окисления, что приводит к значительному увеличению времени термообработки. При
температурах выше 700 °С скорость окисления алмазов увеличивается, что приводит к
увеличению потерь алмазного порошка и уменьшению прочности зерен, т.е. понижению
марки алмазного порошка.
Оптимальное время термообработки 15-120 мин. При меньшем времени обработки не
достигается степень овализации 75 %, а при более длительном времени термообработки
увеличиваются потери массы алмазного порошка более 15 %.
6
BY 8444 C1 2006.08.30
Уменьшение концентрации водного раствора катализатора меньше 2 мас. % не дает
нужного эффекта овализации. Увеличение концентрации раствора катализатора более 5 мас. %
не вызывает значительных изменений степени овализации.
Соотношение массы катализатора к массе алмазного порошка, равное 1:(5-10), обусловлено созданием максимальной смачиваемости обрабатываемого алмазного порошка
раствором катализатора и экономией расхода катализатора.
Таким образом, в предлагаемом способе овализации алмазных порошков используют
дешевое химическое сырье, воздушную среду и производят овализацию алмазных порошков широкого диапазона зернистостей, в том числе микропорошков.
Производственные отходы техпроцесса экологически чистые.
Источники информации:
1. Никитин Ю.И. Кн.: Технология изготовления и контроль качества алмазных порошков. - Киев: Наукова думка, 1984. - С. 265.
2. Пивоваров М.С., Самойлова Л.М., Мошковский Е.И., Логвиненко Д.Д., Скрипник А.В.,
Шеляков О.П. Избирательное дробление и корректировка формы алмазных зерен в аппарате с вихревым слоем // Алмазы и сверхтвердые материалы. - 1975. - № 10. - С. 20-24.
3. Кошкин A.M., Нестеренко Т.М., Судомей Л.Н. Получение овализованных микропорошков из синтетических алмазов для финишного полирования металлических поверхностей // Сверхтвердые материалы. - 1990. - № 2. - С. 43-46.
4. Огородник В.В., Постолова Г.Г., Иваськевич Я.В., Филипченко С.И. Кинетические
исследования окисления алмазов // Физика и техника высоких давлений. - 1987. - Вып. 26. С. 65-67.
5. Федосеев Д.В., Успенская К.С. Окисление синтетического алмаза и графита // Физическая химия. - 1974. - Т. 48. - № 6. - С. 1528-1530.
6. Клевцур С.А., Лохов Ю.Н., Спасский М.Р., Евко Э.И. Термическая овализация микропорошков алмаза // Неорганические материалы. - 1981. - Т. 17. - № 6. - С. 985-990.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
117 Кб
Теги
by8444, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа