РАСТВОРИТЕЛЬ УГЛЕРОДА ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к области производства синтетических алмазов при высоких давлениях и температурах в области термодинамической стабильности алмаза и может быть использовано для получения алмазных порошков, применяемых для изготовления различных видов алмазного инструмента.

Известен растворитель для получения алмазов металл, выбранный из группы: железо, кобальт, никель, родий, рутений, палладий, кадмий, иридий, хром, тантал, марганец [1]
Такой растворитель (особенно в случае с железом) очень доступен и дешев, так как этот элемент весьма распространен в природе. Однако в связи со стабилизацией цементита Fe₃С при высоких давлениях термодинамические параметры процесса синтеза в случае использования в качестве растворителя углерода железа очень высоки давление порядка 7,5 ГПа и температура около 2000^oC, что является недостатком известного растворителя, так как накладывает очень жесткие условия на аппараты высокого давления (АВД), в которых осуществляется процесс, и делает весьма проблематичными технико-экономические показатели процесса. При этом даже незначительное снижение давления в АВД резко снижает степень превращения графита в алмаз (т.е. массовую долю графита, превратившегося в алмаз), что автоматически еще более ухудшает технико-экономические показатели процесса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является растворитель углерода, содержащий железо и марганец [2]
Указанный растворитель содержит широко распространенные в природе и дешевые компоненты, позволяет снизить термодинамические параметры процесса синтеза до 6,3-6,5 ГПа и 1400-1600^oС, обеспечивает значительное содержание в продукте синтеза кристаллов крупнее 200 мкм.

Хотя достигнутое снижение давления и температуры при использовании в качестве растворителя углерода сплавов железа с марганцем несколько ослабляет требования к АВД, но оставляет их достаточно жесткими, что не позволяет достигать высоких технико-экономических показателей процесса синтеза и вообще исключает возможность использования при синтезе АВД со стальными рабочими элементами. Это является следствием недостатка растворителя.

Так как железо и марганец являются активными карбидообразующими элементами, а высокое давление способствует стабилизации карбидов, то растворимость углерода в указанном растворителе весьма незначительно, что приводит к сравнительно низкой технологичности процесса синтеза в целом.

Кроме того, качество получаемых алмазных порошков весьма низкое из-за большого содержания в них металлических включений: получаемый продукт состоит в основном из кристаллов с низким коэффициентом изометричности 1,10-1,18 (т. е. кристаллов октаэдрического габитуса и удлиненных сростков, которые имеют низкую механическую прочность). Таким образом, марочный состав получаемого продукта весьма низок (максимум в области АС6-АС15), что является следствием еще одного недостатка растворителя.

В основу изобретения поставлена задача такого совершенствования растворителя углерода для синтеза алмазов, в котором за счет введения в него дополнительных компонентов и изменения соотношения компонентов обеспечивается увеличение растворимости углерода и, как следствие, повышение степени превращения графита в алмаз при таком снижении термодинамических параметров процесса, которое позволяет использовать АВД со стальными рабочими элементами: повышение коэффициента изометричности и содержания в продукте синтеза монокристаллов алмазов крупных фракций, улучшение технологичности процесса в целом, причем растворитель содержит только широко распространенные и достаточно дешевые компоненты.

Эта задача решается тем, что растворитель углерода для синтеза алмазов, содержащий железо и марганец, согласно изобретению дополнительно содержит кремний при следующем соотношении компонентов, мас.

железо 30 80
марганец 15 65
кремний 0,5 8,5.

Кроме того, растворитель может дополнительно содержать по крайней мере один легирующий элемент, выбранный из следующего ряда: ванадий, ниобий, тантал, медь, хром, молибден, вольфрам, кобальт, никель в количестве 0,5 - 20,0 мас.

Растворитель также может дополнительно содержать углерод в количестве 0,2 5,0 мас.

Указанные выше технические результаты достигаются при использовании растворителя при синтезе алмазов, т.е. при высоких термодинамических параметрах в процессе контактного взаимодействия растворителя с углеродом (графитом).

Научной основой предлагаемого изобретения являются выполненные нами исследования контактного взаимодействия в твердой и жидкой фазах сплавов Fe-Mn-Si различного состава с углеродом (графитом) при высоких давлениях.

Приводя к выклиниванию цементного ликвидуса и способствуя появлению аустенитно-углеродной эвтектики в системе железо-углерод при высоких давлениях, кремний одновременно существенно снижает растворимость углерода в расплавах. Так, при 5,0 ГПа повышение содержания кремния в сплаве Fe-Si с 3,0 до 8,5 мас. приводит к снижению содержания углерода в эвтектике Fe-Si-C более чем вдвое (с 6,0 мас. до 2,8 мас.).

Процессы в системе Mn-Si при высоких давлениях отличаются от аналогичных в системе Fe-Si прежде всего несколько более высокой растворимостью углерода: при 5,0 ГПа повышение содержания кремния в сплаве Mn-Si с 3,0 до 8,5 мас. приводит к снижению растворимости углерода в расплаве Mn-Si-S с 8,3 до 4,0 мас.

Введение кремния в систему Fe-Mn приводит, во-первых, к снижению температуры плавления эвтектики Fe-Mn-Si-C, а во-вторых, к аномальному (примерно в 1,5 раза) повышению растворимости углерода в расплаве по сравнению с системой Fe-Si-C при одном и том же содержании кремния и более чем в 3 раза по сравнению с системой Fe-Mn без кремния. Кроме того, кремний способствует процессу образования углеродной эвтектики, а, значит, и алмазообразованию.

В соответствии с изложенным, введение кремния в систему Fe-Mn и должно приводить к растворимости углерода в больших количествах. Но особенность ситуации заключается в том, что эта растворимость оказывается выше не только растворимости для системы Fe-Si-C, но и для системы Mn-Si-C. Например, при 5,0 ГПа для сплавов, содержащих 5,0 мас. кремния в исходном состоянии, растворимость углерода в расплаве составляла для систем соответственно: Fe-Si 4,8 мас. Mn-Si 6,9 мас. Fe-Mn-Si 7,5 мас. (в последнем случае массовое соотношение железа к марганцу составляло 3:2), т.е. оказывается, что растворимость углерода в тройной системе Fe-Mn-Si не является адитивной функцией содержания Fe и Mn.

При этом необходимо подчеркнуть, что для сплавов железо-марганец, не содержащих кремния, подобная аномалия не наблюдается.

Указанные факторы приводят к достижению следующих технических результатов: увеличению растворимости углерода и снижению термодинамических параметров процесса с одновременным повышением степени превращения графита в алмаз при высоком содержании прочных изометричных кристаллов, в том числе крупнее 200 мкм, а также улучшению технологичности процесса синтеза алмазов.

Таким образом, новый состав растворителя обнаруживает новые свойства, которые и обеспечивают решение поставленной задачи.

Из изложенного вытекает диапазон содержания каждого из компонентов.

При содержании кремния в растворителе менее 0,5 мас. его влияние на процесс с точки зрения решаемой задачи практически не ощущается, а при повышении содержания свыше 8,5 мас. при любом массовом соотношении железа к марганцу изменяется механизм диффузии углерода в сплав в твердой фазе: осуществляется переход от диффузии по зернам к диффузии по границам зерен. В этом случае для начала контактного плавления необходимо значительно повысить температуру, что приводит к описанным выше негативным последствиям.

Аналогично при содержании марганца в сплаве менее 15,0 мас. его влияние на процесс с точки зрения решаемой задачи практически не ощущается, так как в этом случае не происходит в ощутимой степени ни снижения температуры плавления системы, ни растворимости углерода.

При содержании марганца в растворителе более 6,0 мас. в случае контакта последнего с углеродом при высоком давлении стабилизируется карбид марганца Mn₇C₃, который более устойчив, чем карбид железа (цементит) Fe₃C. Поэтому при увеличении содержания марганца в сплаве свыше 65 мас. для выклинивания карбидной эвтектики необходимо повышать содержание кремния свыше 8,5 мас. что как уже отмечалось, невозможно. Поэтому в данном случае резко возрастают термодинамические параметры процесса синтеза, что противоречит решаемой задаче.

Снижение содержания железа в растворителе ниже 30,0 мас. способствует стабилизации устойчивых карбидов марганца с описанными выше последствиями, а повышение содержания железа свыше 80,0 мас. имеет своим следствием значительное снижение растворимости углерода в расплаве, что приводит к снижению степени превращения графита в алмаз и повышению термодинамических параметров процесса.

Оптимальными с точки зрения решаемой задачи являются составы растворителя, который содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас. железо 50-75, марганец 20-45, кремний 4-6.

Введение в растворитель по крайней мере одного легирующего элемента, выбранного из следующего ряда: ванадий, ниобий, тантал, медь, хром, молибден, вольфрам, кобальт, никель способствует повышению степени превращения графита в алмаз. Медь, кобальт и никель действуют подобно кремнию, способствуя выклиниванию карбидной эвтектики, но в отличие от кремния не препятствуют диффузии углерода в растворитель в твердой фазе.

Остальные легирующие элементы, являющиеся сильнокарбидообразующими, образуют карбидные центры кристаллизации уже в период диффузии углерода в твердой фазе.

Во всем случаях содержания легирующего элемента менее 0,5 мас. с точки зрения решаемой задачи не оказывает влияния на процесс синтеза, а при его содержании более 20 мас. степень превращения графита в алмаз снижается: для меди, никеля и кобальта из-за эффекта значительного разбавления растворителя, а в остальных случаях из-за слишком большого количества центров кристаллизации, когда зародившиеся кристаллы препятствуют росту друг друга.

Дополнительное введение в состав растворителя углерода, когда он равномерно распределен по объему, приводит к сокращению инкубационного периода процесса синтеза, и, как следствие, к более высокой средней скорости массовой кристаллизации, выражаемой в массе продукта, образующегося за единицу времени в данном реакционном объеме. Таким образом, представляется возможность получить те же и даже более высокие технические результаты за более короткое время, т.е. повысить технико-экономические показатели процесса синтеза (в т.ч. за счет снижения расхода на единицу продукции оснастки, энергии и т. д.).

При этом содержание углерода менее 0,2 мас. не оказывает влияния на процесс с точки зрения решаемой задачи. Повышение содержания углерода свыше 5,0 мас. как показали наши исследования, также не оказывает влияния на процесс с точки зрения решаемой задачи, но значительно ухудшает механические свойства сплава, сильно охрупчивая его. Последнее вызывает значительные трудности при получении нужных фракций растворителя при его дроблении. Поэтому содержание углерода в растворителе свыше 5,0 мас. нецелесообразно.

Приводим примеры конкретного осуществления изобретения, данные в сравнении с примерами применения растворителя известного состава по прототипу.

Во всех примерах для приготовления растворителя использовали порошки технического железа марки ПЖ2М ГОСТ 9849-74, марганец марки Мр1 ГОСТ 6008-75 с размерами частиц не более 10 мм и кремний марки Кр0 ГОСТ 2169-73 в виде частиц с размером не более 3 мм.

Для приготовления растворителя его компоненты, взятые в требуемом массовом соотношении, смешивали в смесителе, затем загружали в алундовый или кварцевый тигель плавильной установки, нагревали до получения расплава, который выдерживали в течение 5-7 мин, а затем охлаждали до комнатной температуры.

Полученные слитки измельчали путем порезки на токарном станке с помощью специальных резцов. Полученную стружку рассеивали на ситах с отбором для опытов по синтезу алмазов частиц основной зернистостью 1600/500. При этом допускалось содержание частиц мельче 500 мкм и крупнее 1600 мкм не более, чем по 5 мас.

Полученный растворитель использовали как один из компонентов реакционной шихты, для приготовления которой брали в одинаковом массовом соотношении частицы растворителя и порошок графита марки ГМЭ-ОСЧ-7-3 по ТУ 48-20-90-70. Порошок графита имел основную фракцию 500/250 с содержанием частиц размеров менее 250 мкм и более 500 мкм не более по 3 мас.

Компоненты шихты смешивали в течение 1 часа для получения гомогенной смеси.

Шихту, количество которой в каждом опыте составляло 40 г, предварительно прессовали в пресс-форме давлением порядка 700 кГс/см², а затем перепрессовывали в контейнер АВД и подвергали воздействию давления 4,8±0,1 ГПа и температуры 1270±20^oC. Нагрев осуществляли пропусканием через шихту электрического тока в течение заданного времени. После окончания нагрева и охлаждения содержимого контейнера снижали давление и извлекали продукт синтеза, который подвергали дроблению и обработке кислотами и окислителями для удаления металла и непревратившегося в алмаз графита.

Полученные алмазные порошки подвергали дроблению для разделения сростков, затем в соответствии с ГОСТ 9206-80 исследовали их фракционный состав, коэффициент изометричности, определяли механическую прочность, в зависимости о которой устанавливали марочный состав продукции.

Подготовку растворителя в синтез по прототипу осуществляли аналогично.

П р и м е р 1. Растворитель углерода сплав состав (в мас.) Fe(76)Mn(10)Si(5).

Технологические параметры процесса синтеза: давление 4,8 ГПа, температура 1270^oC, длительность нагрева шихты 10 минут.

Выполнено 22 цикла синтеза, получено в среднем 3,23 г алмазов за цикл, т.е. степень превращения графита в алмаз составляла 16,2 мас.

Содержание монокристаллов крупнее 200 мкм в продукте синтеза 50,2 мас.

Коэффициент изометричности полученных кристаллов находится в диапазоне 1,05-1,15, а прочный состав для различных зернистостей от АС15 до АС65.

Были приготовлены растворители (примеры 2-11) при граничных и при выходе за граничные значения содержания входящих в него компонентов, а также при тех же условиях изготовления и синтеза по прототипу (пример 12). Данные сведения в табл. 1 (прилагается).

П р и м е р 12 (по прототипу). Растворитель углерода сплав состава Fe(50)Mn(50), для которого характерны минимальные термодинамические параметры в системе Fe-Mn.

Технологические параметры процесса синтеза полностью повторяют условия примера 1.

Выполнено 18 циклов синтеза, получено в среднем 2,50 г алмазов за цикл, т.е. степень превращения графита в алмаз составляла 12,5 мас.

Содержание монокристаллов крупнее 200 мкм в продукте синтеза 39,5 мас.

Коэффициент изометричности полученных кристаллов находился в диапазоне 1,10-1,18, а марочный состав от АС15 до АС32.

Для исследования влияния легирующих элементов на процесс синтеза использовали растворитель состава Fe(57)Mn(38)Si(5) по примеру 5.

П р и м е р 13. Растворитель углерода 99,5 мас. сплава состава, приведенного в примере 5, и 0,5 мас. легирующего элемента ванадия.

Условия эксперимента аналогичны примеру 1.

Выполнено 20 циклов синтеза, получено в среднем 4,20 г алмазов за цикл, что соответствует степени превращения графита в алмаз 21,0 мас.

Были изготовлены растворители (примеры 14-48) при постоянном соотношении основных компонентов и различных содержаниях легирующих элементов (в том числе граничных и за границами), которые испытывались при идентичных технологических параметрах процесса синтеза, приведенных в примере 13. Данные сведены в табл. 2 (прилагается).

Необходимо подчеркнуть, что прочие показатели эффективности в примерах 13-40 не уступали одноименным примера 5 табл. 1.

Для исследования влияния углерода, введенного в состав растворителя в процессе его изготовления, использовали растворитель того же состава Fe(57)Mn(38)Si(5) по примеру 5.

П р и м е р 49. Растворитель углерода 99,8 мас. сплава состава, приведенного в примере 5, и 0,2 мас. углерода.

Технологические параметры процесса синтеза: давление 4,8 ГПа, температура 1270^oC, длительность нагрева шихты 9 минут.

Выполнено 25 циклов синтеза, получено в среднем 4,40 г алмазов за цикл, т.е. степень превращения графита в алмаз составляла 22,0 мас.

Другие показатели эффективности не уступали аналогичным примера 5.

Были изготовлены растворители (примеры 50-53) при граничных и при выходе за граничные значения содержания углерода в растворителе, которые использовались при идентичных технологических параметрах процесса синтеза, приведенных в примере 49. Данные сведены в табл. 3 (прилагается). При этом прочие показатели эффективности в примерах 50-51 не уступали одноименным примерам 5 табл. 1.

Таким образом, как следует из табл. 1-3, использование изобретения позволяет не менее чем в 1,2 1,4 раза повысить производительность процесса синтеза алмазов по сравнению с технологией, при которой применяется известный растворитель. При этом не менее чем в 1,2 раза увеличивается содержание в продукте синтеза кристаллов крупнее 200 мкм, повышается их изометричность, что влечет за собой улучшение марочного состава получаемых порошков (от АС32 с применением известного растворителя до АС65 с применением заявляемого).

Кроме того, применение растворителя, содержащего в своем составе равномерно распределенный углерод, позволяет увеличить среднюю массовую скорость кристаллизации до 30% За счет этого представляется возможность уменьшить длительность процесса синтеза без ухудшения его технологических показателей, что значительно повышает экономические показатели технологического процесса в целом.

Необходимо также отметить, что при наличии возможности повышения технологических параметров процесса (это связано прежде всего с применением АВД с твердосплавными рабочими элементами) раствоpитель предлагаемого состава можно применять для получения алмазов других марок, прежде всего АС2 и АС6.

Применение заявляемого растворителя углерода позволит организовать в Украине и России промышленный синтез алмазов на базе недефицитных природных ресурсов (железо, марганец) и в значительной степени избавиться от необходимости использования дефицитного и дорогого никеля.

Использование: для получения алмазных порошков, применяемых для изготовления различных видов алмазного инструмента. Сущность изобретения: растворитель для синтеза алмазов содержит железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, в мас. %: железо - 30,0-80,0; марганец - 15,0-65,0; кремний - 0,5-8,5, кроме того, растворитель может дополнительно содержать, по крайней мере, один легирующий элемент, выбранный из следующего ряда: ванадий, ниобий, тантал, медь, хром, молибден, вольфрам, кобальт, никель в количестве 0,5 ... 20,0 мас. % и/или углерод в количестве 0,2 - 5,0 мас. %. Обеспечивается увеличение растворимости углерода, повышение степени превращения графита в алмаз, повышение степени изометричности и содержания в продукте синтеза алмазов крупных фракций, улучшение технологичности процесса синтеза. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Растворитель углерода для синтеза алмазов, включающий железо и марганец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний при следующих соотношениях компонентов, маc.

Железо 30 80
Марганец 15 65
Кремний 0,5 8,5
2. Растворитель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один легирующий элемент, выбранный из следующего ряда: ванадий, ниобий, тантал, медь, хром, молибден, вольфрам, кобальт, никель в количестве 0,5 20,0 мас.