СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ КУБИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2000 года по МПК C01B21/06 C01B31/06 

Изобретение относится к производству искусственных абразивных материалов: алмаза и кубического нитрида бора.

Известен способ получения материала кубической структуры, например алмаза, в виде порошков, состоящих из монокристаллов и сростков, заключающийся в том, что реакционную шихту в гомогенной смеси, содержащую гексагональную модификацию материала - графит и катализатор, помещают в реакционную камеру и подвергают сжатию и нагреву до значений давления и температуры, соответствующих области устойчивости кубической модификации в течение заданного времени, в том числе с применением затравок из отдельных зерен природного алмаза для роста кристаллов (Minoru A. et al, Science, 1993, v. 259, 12 March, p.p. 1592-1593).

Указанный способ позволяет получать порошки синтетических алмазов практически с устойчивым распределением зернистостей и марок, однако, в условиях производства не позволяет оперативно удовлетворять спрос потребителей в дефицитных номерах зернистостей, с одной стороны, а с другой стороны, приводит к значительным накоплениям порошков зернистостей, не пользующихся спросом. Это, в свою очередь, приводит к значительным экономическим затратам на предприятиях, выпускающих порошки из синтетических алмазов.

Известен также способ получения кристаллов алмаза однородной тонкокристаллической структуры с заданной зернистостью, состоящий в том, что реакционную шихту в гомогенной смеси, содержащую графит, катализатор и добавку алмаза, помещают в реакционную камеру и подвергают сжатию и нагреву до значений давлений и температуры, соответствующих области устойчивости алмаза в течение заданного времени (патент США N 3773903, кл. C 01 B 31/06, 1973). Недостатком этого способа является невысокий выход прогнозируемой зернистости и большие затраты на проведение процесса.

Задачей изобретения является получение сверхтвердых материалов кубической структуры - алмаза или кубического нитрида бора с повышенным содержанием одной-трех зернистостей. Техническим результатом является получение порошков синтетических алмазов и кубического нитрида бора оптимальных зернистостей и марок с одновременным повышением выхода годной продукции. Это достигается тем, что в шихту вводят соответственно с получаемым материалом порошок алмаза или кубического нитрида бора в количестве 1-4 мас.% с той же зернистостью или на одну-четыре зернистости мельче, чем прогнозируемая зернистость конечного продукта. Способ отличается также тем, что добавки порошков алмаза или кубического нитрида бора вводят в шихту в смеси из одной-трех зернистостей одновременно либо последовательно - от менее крупной к более крупной зернистости. Кроме того, массу добавки порошков при получении от крупной зернистости выбирают равной 4 мас.%, а при прогнозируемой мелкой зернистости конечного продукта массу добавки выбирают равной 1 мас.%.

Заявляемое техническое решение позволяет получать порошки с увеличенным в 1,5-2 раза выходом во всем диапазоне зернистоостей. Использование порошков алмаза или кубического нитрида бора одной- трех зернистостей позволяет получать в кривой распределения две зернистости с максимумами по выходу или плато в определенном диапазоне зернистостей при одновременном повышении выхода. Это решение позволяет получать порошки практически с минимальным содержанием микропорошков или без них или, в зависимости от добавок, только микропорошки, что позволяет увеличить переход гексагональной модификации в кубическую до 2-х раз. Кроме того, применение в качестве добавок порошков крупных зернистостей позволяет последовательно получать порошки более крупных зернистостей, что, практически, невозможно получить без применения добавок.

Заявляемый способ получения сверхтвердых материалов кубической структуры алмаза или кубического нитрида бора осуществляют следующим образом: приготовляют шихту из материалов гексагональной структуры и катализаторов с добавлением в нее порошков кубической структуры алмаза или кубического нитрида бора одной-трех зернистостей, в зависимости от получения максимума прогнозируемых зернистостей. Указанную шихту в виде гомогенной смеси брикетируют под давлением и размещают в полости теплоэлектроизоляционного контейнера. Затем снаряженный контейнер помещают в аппарат высокого давления и сжимают его до значения давления, соответствующего области устойчивого образования материала кубической структуры, затем нагревают за счет пропускания электрического тока через токопроводящую шихту при получении алмаза или через нагреватель при получении кубического нитрида бора до температуры, соответствующей давлению в аппарате высокого давления, затем выдерживают при этих значениях температуры и давления в течение заданного времени. После выдержки отключают электрический ток, снимают давление и извлекают продукт синтеза. Затем производят химическое обогащение продукта, рассевают полученный продукт по крупности по номерам зернистостей и определяют для каждой зернистости механическую прочность, по значениям которой определяют марку материала кубической структуры.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления способа получения сверхтвердых материалов кубической структуры: алмаза и кубического нитрида бора.

Пример 1.

Приготовляют шихту из порошка графита 37мас.%, катализатора из сплава никеля с марганцем 60мас.%, добавляют порошок алмаза марки АС6 зернистостью 80/63 мкм в количестве 3мас.%. Смешивание компонентов осуществляют в смесителе, добиваясь необходимого распределения алмазов в объеме графита. Затем брикетируют шихту и помещают брикет в полость теплоэлектроизоляционного контейнера. Закрывают контейнер крышкам из теплоэлектроизоляционного материала с центральным отверстием для нагревателя. Снаряженный контейнер помещают в аппарат высокого давления типа "наковальня с лункой", сжимают до давления 4,5-4,7 ГПа, нагревают за счет пропускания через шихту электрического тока до температуры 1300-1450^oC и выдерживают при этой температуре 90 с. После выдержки отключают нагрев, снимают давление и извлекают продукт синтеза. После химического обогащения определяют выход порошков алмаза каждой зернистости и механическую прочность. Результаты представлены в таблице 1.

Пример 2.

Выполняют те же операции при тех же значениях давления, времени выдержки и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют в соотношении (металл: графит: алмаз) Me:C:алмаз соответственно 60:38:2, а в качестве добавки использован порошок алмаза марки АС6 зернистостью 80/63 мкм - 2мас.%. Результаты представлены в таблице 1.

Пример 3.

Выполняют те же операции при тех же значениях давления, времени выдержки и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют в соотношении 60: 36: 4, в качестве добавки использован порошок алмаза марки АС6 зернистостью 80/63 мкм - 2мас.% и зернистостью 50/40 мкм - 2мас.% Результаты представлены в таблице 1.

Пример 4.

Выполняют те же операции при тех же значениях давления, времени выдержки и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют в соотношении Me: C:алмаз 60:36:4, в качестве добавки применен алмазный порошок марки АС6 двух зернистостей: 100/80 мкм - 2мас.% и 50/40 мкм - 2мас.%. Результаты представлены в таблице 1.

Пример 5.

Выполняют те же операции и при тех же значениях давления, времени выдержки и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют в соотношении Me: C: алмаз 60:36:4, в качестве добавки применен алмазный порошок марки АС6 трех зернистостей: 100/80 мкм - 2мас.%, 63/50 мкм - 1% масс-., 50/40 мкм - 1мас.%. Результаты представлены в таблице 1.

Пример 6.

Выполняют те же операции, при тех же значениях давления и температуры, что в примере 1, выдержку времени при заданных значениях давления и температуры устанавливают 180 с, в качестве добавки использован порошок алмаза марки АС6 зернистостью 80/63 мкм в соотношении Me:C:алмаз 60:37:3мас.%, результаты представлены в табл. 1.

Пример 7.

Выполняют те же операции и при тех же значениях давления, времени выдержки и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют в соотношении Me: C:алмаз - 60:40:0, т.е. без добавки алмазных порошков. Результаты приведены в табл.1.

Пример 8.

Выполняют те же операции и при тех же значениях давления, времени синтеза и температуры, что в примере 1, только шихту приготовляют с добавкой алмаза зернистостью 40/28 мкм 1мас.%. Результаты представлены в таблице 2.

Пример 9.

Выполняют те же операции, что в примере 1, только используют гексагональный нитрид бора - αBN , а в качестве катализатора применяют стружку магния, обработанную в семиводном сернокислом железе. В качестве нагревателя используют стержень графита. Процесс ведут при давлении 4,2-4,5 ГПа и температуре 1600-1700^oC с выдержкой в течение 4 мин. Состав шихты: гексагональный нитрид бора:катализатор 73:27мас.% соответственно. Результаты синтеза представлены в таблице 3.

Пример 10.

Выполняют те же операции, что и в примере 9, только состав шихты αBN : катализатор : кубический нитрид бора 71:27:2мас.% соответственно. В качестве добавки использован порошок кубического нитрида бора марки ЛКВ50 зернистостью 80/63 мкм - 2мас.%. Результаты представлены в таблице 3.

Пример 11.

Выполняют те же операции, что и в примере 10. В качестве добавки принят порошок кубического нитрида бора марки ЛКВ50 зернистостью 100/80 мкм - 2мас. % и 63/50 мкм - 1мас.%. Результаты представлены в таблице 3.

Пример 12.

Выполняют те же операции, что и в примере 10. В качестве добавки применен порошок кубического нитрида бора марки ЛКВ50 зернистостью 125/100 мкм - 3мас.%. Результаты представлены в таблице 3.

Пример 13.

Выполняют те же операции, что в примере 10. В качестве добавки принят порошок кубического нитрида бора марки ЛКВ40 зернистостью 75/63 мкм - 2%.

Результаты представлены в таблице 3.

Выполненные примеры в широком диапазоне добавок в шихту порошков алмаза и кубического нитрида бора позволяют управлять процессом получения материала кубической структуры с повышенным содержанием одной-трех зернистостей. Это позволяет оперативно управлять как ассортиментом получаемых порошков, так и выходом готовой продукции.

Изобретение предназначено для абразивной промышленности. Готовят шихту, содержащую 1 - 4 маc.% алмаза или кубического BN, графит или гексагональный BN и катализатор. Загружают в аппарат высокого давления типа "наковальня с лункой". Воздействуют температурой и давлением в области стабильности алмаза или кубического BN. Зернистость вводимых алмаза или кубического BN на одну- четыре зернистости мельче прогнозируемой зернистости конечного продукта или равна ей. Добавки алмаза или кубического BN можно вводить в смеси одной-трех зернистостей одновременно или последовательно - от менее крупной к более крупной зернистости. Если прогнозируемая зернистость крупная, то масса добавки 4 мас.%, если мелкая, то масса добавки 1 мас.%. Увеличивается выход целевого продукта с повышенным содержанием 1 - 3 зернистостей. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения сверхтвердых материалов кубической структуры, включающий помещение гомогенной шихты, содержащей гексагональную модификацию с добавкой кубической модификации и катализаторы, в реакционную камеру, воздействие на шихту давлением и температурой, соответствующими области стабильности кубической модификации, в течение заданного времени, отличающийся тем, что в шихту вводят порошок кубической модификации в количестве 1 - 4 мас.% с той же зернистостью или на одну - четыре зернистости мельче, чем прогнозируемая зернистость конечного продукта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении алмаза в качестве добавки порошка кубической модификации используют порошок алмаза. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении кубического нитрида бора в качестве добавки порошка кубической модификации используют порошок кубического нитрида бора. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавки вводят в шихту в смеси из одной - трех зернистостей одновременно, либо последовательно - от менее крупной к более крупной зернистости. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прогнозируемой крупной зернистости конечного продукта массу добавки выбирают равной 4 мас.%, а при прогнозируемой мелкой зернистости конечного продукта массу добавки выбирают равной 1 мас.%.