СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1996 года по МПК C01B31/06 

Настоящее изобретение относится к технологии получения сверхтвердых материалов и может быть использовано при изготовлении режущих элементов правящего, бурового, а также лезвийного инструмента для обработки цветных металлов.

Известен способ получения поликристаллического алмазосодержащего материала термобарической обработкой смеси алмазного порошка с добавками, выбранными из группы: кремний, титан, кобальт, бор, и др. содержание которых в смеси составляет 6-50 мас. (1).

Недостатком получаемых по этому способу поликристаллов является повышенное содержание в них металлических примесей, которые способствуют интенсивной графитизации поликристаллов при довольно низких температурах порядка 700 град.С, снижая эксплуатационные свойства поликристаллов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения поликристаллического алмазосодержащего материала, в котором производится термобарическая обработка шихты, содержащей алмазный порошок и бор (2). Улучшение эксплуатационных свойств поликристаллов достигается за счет исключения металлических примесей и снижения содержания в исходной шихте бора, а также за счет использования кремния в качестве связующего компонента.

Недостатком поликристаллов, получаемых по этому способу, является пониженная микротвердость поликристаллов из-за избытка кремния (8-15% массы шихты) и неоднородность свойств по объему. Получить однородную структуру довольно сложно, повышение давления свыше 9 ГПа технически сложно реализовать в приемлемых объемах. Кроме того, ввиду неоднородности структуры, не исключено образование в поликристаллах микротрещин.

Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных свойств и выхода годных поликристаллов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения поликристаллического алмазосодержащего материала, включающем термобарическую обработку в области термодинамической стабильности алмаза шихты, содержащей углеродсодержащее вещество, бор и связующее, в качестве углеродсодержащего вещества в шихте используют графит или его смесь с алмазом, в качестве связующего раствор вещества, графитизирующегося при отжиге, при следующих соотношениях компонентов, мас.

графит или его смесь с алмазом 85,0 99,4;
бор 0,1 10,0;
вещество, графитизирующееся при отжиге (содержание по углероду) - 0,5 5,0.

и перед термобарической обработкой компоненты шихты перемешивают, сушат, гранулируют, прессуют заготовки, отжигают в вакууме при остаточном давлении 10^-4 10^-6 мм рт.ст. при температуре 600 -1500^oС. Кроме того, термобарическую обработку осуществляют при давлении 70-130 кбар и температуре 2000-2500^oС, используют графит в виде порошка с зернистостью 0,05 10,0 мкм, содержание воды в шихте, подвергаемой термобарической обработке, составляет 0,001 0,15 мас. используют связующее с зольностью 0,001 0,1 мас. используют порошок алмаза с зернистостью 300-2000 мкм.

При вакуумном отжиге заготовок происходят следующие процессы:
разложение связующего и графитизация углерода, содержащегося в нем, что обеспечивает однородность смеси и измельчение графита,
удаление адсорбированных поверхностью примесей, в частности воды, которая, как показали наши исследования, отрицательно влияет на фазовый переход графита в алмаз, повышая давление и температуру, необходимые для осуществления фазового перехода графит-алмаз, и препятствуя спеканию поликристалла,
диффузия бора в объем частиц графита, что обеспечивает более однородное распределение бора в объеме заготовки и интенсифицирует процесс фазового превращения.

При несоблюдении условий, указанных в формуле, поставленная цель не достигается. Так, при содержании в исходной смеси менее 0,5 мас. связующего, исходные заготовки плохо компактируются, увеличивается размер зерен в поликристаллах. При содержании более 5 мас. увеличивается пористость исходных заготовок при вакуумном отжиге. Наличие в заготовках, подвергаемых термобарической обработке, более 0,1 мас. воды приводит к повышению параметров (температура Т, давление Р) синтеза и снижению физико-механических свойств поликристаллов, увеличению брака.

Процесс получения поликристаллов алмазосодержащего материала в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Вначале приготавливают исходную смесь, для которой используют графит спектральной чистоты, аморфный бор в необходимых пропорциях, добавляют раствор связующего, например, каучука в бензине. Перемешивание осуществляют в вибромельнице, при этом происходит дополнительное измельчение компонентов шихты. В случае, когда зернистость компонентов соответствует требованиям, перемешивание осуществляется в мешалке без измельчения. Полученную, тщательно перемешанную, шихту сушат для удаления растворителя и гранулируют. Из шихты прессуют заготовки, которые подвергают вакуумному отжигу.

Заготовки, полученные после вакуумного отжига, представляют собой гомогенную смесь частиц углеродсодержащего материала (графит, алмаз) и бора. При этом каждая частица будет покрыта тонким слоем графита, образующегося в результате графитизации углерода, содержащегося в пластификаторе. Ввиду различия в структуре порошка графита и графитовой пленки превращение последней в алмаз при термической обработке происходит медленнее и идет через этап совершенствования кристаллической структуры. Таким образом, пленка на начальном этапе будет блокировать границы образующихся зерен алмаза и препятствовать их росту за счет собирательной рекристаллизации, что позволяет получать поликристаллы с мелкозернистой структурой.

Ниже приведены примеры выполнения способа.

Пример 1. Для получения поликристаллов алмазосодержащего материала использовали: порошок графита зернистостью 10-50 мкм, полученный измельчением графитовых стержней марки МГ-ОСЧ, порошок синтетического алмаза зернистостью 1-2 мкм, аморфный бор, связующее раствор поливинилацетата (ПВА) в воде. Концентрация раствора связующего составляла 10,7 гр высушенного ПВА на литр воды. Указанные компоненты брали в следующих количествах: порошок графита 40 г, порошок алмаза 100 карат (20 г), бор аморфный 1,25 г, раствор связующего 120 мл, что составляет 1,3 г (содержание по углероду). В процентном соотношении смесь будет содеpжать, мас. порошок графита 64, порошок алмаза 32, бор аморфный 2, связующее 2 (содержание по углероду).

Смесь, составленную из указанных компонентов, перемешивали в вибромельнице в течение 8 часов. Затем смесь просушивали в сушильном шкафу при температуре 300 град. С, гранулировали и прессовали из нее исходные заготовки в виде цилиндра диаметром 7,2 мм и высотой 4 мм. Заготовки отжигали в вакуумной печи при температуре 900 град.С и остаточном давлении 5х10 мм рт.ст. в течение 4 часов. После отжига заготовки помещали в устройство высокого давления и высокой температуры и подвергали воздействию давления 77 кбар и температуры 2300 град.С в течение 20 сек. Затем нагрев отключали, давление снижали до атмосферного и извлекали поликристалл алмаза из устройства.

Полученный поликристалл представлял собой цилиндр Д 6,8 мм высотой 2,5 мм. При этих условиях было синтезировано 50 поликристаллов, из них 47 признано годными, 3 поликристалла расслоились. Десять поликристаллов, синтезированных при данных условиях, шлифовали по диаметру и торцам, один торец полировали. Исследовали фазовый состав, микроструктуру, микротвердость, абразивную стойкость, термостойкость.

Фазовый состав изучался на рентгеновском дифрактомере ДРОН-3 в Cи-излучении. Микроструктурный анализ, проводимый по фрактограммам сколов поликристаллов, показал однородность микроструктуры поликристалла по объему. Размер зерен составляет 0,5-2 мкм. Вид сколов при разрушении поликристаллов показывает, что разрушение происходит преимущественно по зернам алмаза, что указывает на прочную связь зерен в поликристалле.

Микротвердость поликристаллов, измеряемая на микротвердость ПМТ-3 с использованием алмазной пирамидки с углом при вершине 136 град. и нагрузке на идентор 150 Г, составила 140 ГПа. Колебания значений микротвердости по всей поверхности шлифа не превышали ошибки измерения, что указывает на однородность свойств поликристаллов.

Испытания абразивной стойкости проводились при обтачивании абразивного круга из карбида кремния зеленого марки К363С (МСМ2К1), имеющего диаметр 250 мм, ширину 25 мм. Поликристаллы закрепляли в державке под углом 10-20 град. Режимы испытания: подача S 0,1 мм/об, глубина резания Т 0,1 мм, скорость резания V 6,2-6,6 м/с. Стойкость к абразивному износу определялась по величине радиального износа поликристалла на километр пути резания и составляет 0,008 мм/км.

Термостойкость определялась путем нагрева поликристаллов на воздухе. Критерием термостойкости являлась потеря 5% веса при высокотемпературном отжиге в течение 10 мин и составила 1100 град.С.

Пример 2. В отличие от примера 1, зернистость порошка алмаза составила 500-1500 мкм. Поликристаллы, полученные из такой смеси, представляют собой композиционный материал, в котором крупные монокристаллы алмаза закреплены в матрице поликристаллического алмаза. Вид скола при разрушении поликристалла показал, что разрушение происходит по зернам алмаза, что указывает на прочное их сцепление с матрицей.

Пример 3. В отличие от примера 1, реакционный объем ячейки высокого давления был изолирован от контейнера экраном из фольги титана.

Пример 4. В отличие от примера 1, заготовки, спрессованные из смеси, помещали в графитовый нагреватель, экранировали титановой фольгой и подвергали такую сборку вакуумному отжигу. После отжига вакуумную систему заполняли азотом или инертным газом. Это позволяло снизить содержание воды в заготовках.

Были проведены исследования свойств поликристаллов, полученных в пределах изменения условий получения, ограниченных формулой изобретения, а также при запредельных условиях получения. Для сравнения были получены поликристаллы в соответствии с известным способом. Все результаты сведены в таблицу.

Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что предлагаемый способ позволяет получать поликристаллы, обладающие более высокими эксплуатационными свойствами с высоким выходом годных. Поликристаллы обладают высокой однородностью свойств, более высокой термостойкостью. ТТТ1

Использование: при изготовлении режущих элементов правящего, бурового и лезвийного инструмента. Сущность изобретения: берут шихту, содержащую 85,0-99,4 мас. % графита или его смеси с алмазом, 0,1-10,0 мас.% бора и 0,5-5,0 мас.% (содержание по углероду) раствора вещества, графитизирующегося при отжиге, перемешивают, сушат, гранулируют, прессуют заготовки, отжигают в вакууме при остаточном давлении 10^-4-10^-6 мм рт.ст. при температуре 600-1500^oС и проводят термобарическую обработку при 70-130 кбар и 2000<196>2500^oС. При этом зернистость порошка графита 0,05-10,00 мкм, содержание воды в шихте, подвергаемой обработке, 0,001-0,150 мас.%, зольность связующего 0,001-0,100 мас.%, зернистость порошка алмаза - 300-2000 мкм.

Полученные поликристаллы имеют высокие эксплуатационные характеристики. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения поликристаллического алмазсодержащего материала, включающий термобарическую обработку в области термодинамической стабильности алмаза шихты, содержащей углеродсодержащее вещество, бор и связующее, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего вещества в шихте используют графит или его смесь с алмазом, в качестве связующего раствор вещества, графитизирующегося при отжиге, при следующих соотношениях компонентов, мас.

Графит или его смесь с алмазом 85,0 99,4
Бор 0,1 10,0
Вещество, графитизирующееся при отжиге (содержание по углероду) 0,5 - 5,0
и перед термобарической обработкой компоненты шихты перемешивают, сушат, гранулируют, прессуют заготовки, отжигают в вакууме при остаточном давлении 10^- 6oC 10^- 4 мм рт. ст. при температуре 600 - 1500^oС.