СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗНОЙ ПЛЁНКИ НА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА Российский патент 2017 года по МПК C23C16/27 C23C16/44 B82Y30/00 

Описание патента на изобретение RU2634098C2

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и материалов.

Необходимыми условиями для получения сплошных алмазных пленок на твердосплавных материалах являются правильная подготовка поверхности, а также оптимизация параметров синтеза пленки. Так, для повышения плотности зародышеобразования известны несколько вариантов обработки поверхности твердого сплава карбида вольфрама. Прежде всего это химическое воздействие на сам сплав и его поверхностную связку в виде кобальта. Классическим вариантом обработки является поочередная обработка в смеси Мураками и кислоте Каро. А для повышения плотности зародышеобразования, а также равномерного роста алмазной пленки на твердом сплаве производят обработку в алмазных суспензиях, приготовленных из детонационных алмазов в среде ацетона, изопропилового спирта, воды. Однако данные методы не позволяют на сегодняшний день получить высокую степень зарождения алмазной фазы и добиться ее равномерного роста.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающий подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода (см. US 5855974 А1, 05.01.1999). Данный способ принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - подготовка поверхности упомянутого твердого сплава, газофазное химическое осаждение углерода.

Недостатками способа, принятого за прототип, является наличие частичек металлов на поверхности твердого сплава после процесса ультразвуковой обработки, и при дальнейшем синтезе алмазной пленки происходит ухудшение ее свойств.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение зародышеобразования алмазной фазы и получение пленки на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащей дополнительных примесей.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающем подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода, согласно изобретению подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и Н2О2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ-излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава.

Предпочтительнее, при осуществлении ультразвуковой обработки в наноалмазной суспензии использование нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазного порошка, синтезированного CVD методом, с размером 90-120 нм.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу: подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ-излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава, ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии проводят с использованием нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазного порошка, синтезированного CVD методом, с размером 90-120 нм.

Последовательная обработка поверхности твердого сплава в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно позволяет полностью убрать кобальтовую связку с подготавливаемой поверхности.

Проведение ультразвуковой обработки в суспензиях с добавлением не металлических порошков, а нанометрового порошка оксидной керамики состава ZrO2-Y2O3-CeO2, который в процессе синтеза пленки вступает в химическую реакцию с газовой средой, становясь катализатором роста алмазной пленки и с увеличением времени синтеза разлагается и улетучивается с поверхности, позволяет повысить степень зародышеобразования алмазной фазы на твердом сплаве.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить зародышеобразование алмазной фазы и получить пленку на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащую дополнительных примесей.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 показан этап зарождения пленки.

На фиг. 2 показана структура пленки на изломе.

На фиг. 3 показана структура пленки.

На фиг. 4 показана раман-спектроскопия полученной пленки.

Способ включает в себя получение сплошной алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% Со путем газофазного химического осаждения углерода в микроволновом реакторе (MW CVD), с предварительной обработкой изделий в алмазно-керамической суспензии. В качестве подложек был выбран промышленный сплав ВК-6, который находит широкое распространение в обработке металлов и композитов. А содержание кобальта в твердом сплаве является оптимальным для создания необходимого пленки, без потери функциональных свойств материала подложки. Предложен новый вариант обработки поверхности твердого сплава, включающий последовательную обработку в концентрированной H2SO4 смеси H2O2:H2SO4 (1:3) и H2O2 с выдержкой на каждом этапе. Он позволяет равномерно удалить кобальт из поверхностного слоя твердого сплава без охрупчивания самого материала.

Для повышения плотности зародышеобразования предлагается использовать вместо классической суспензии из детонационных алмазов суспензию с добавлением оксидной керамики состава ZrO2 - 2.2 мол %, Y2O3 - 3 мол. %, CeO2 и алмазов, полученных MW CVD методом. Выбор керамики такого состава обусловлен высокой твердостью, которая в процессе обработки в ультразвукой среде производит физико-химическую модификацию поверхности, а также входящим в состав оксидом церия, который является катализатором углеродных реакций и в процессе осаждения пленки ускоряет ее рост (фиг. 1). Оптимальная концентрация керамического порошка в суспензии 0,2 мас. % на мл. Выбранные параметры синтеза пленки: мощность СВЧ-излучения 700 Вт, давление в камере 25 Торр, состав газовой смеси 99:1 (Н2:СН4), расход газа 150 см3/мин, температура образца 720°С, выбраны на основании многократных экспериментов и позволяют получать пленку с минимальными дефектами в структуре. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить степень зародышеобразования алмазной фазы на твердом сплаве.

Пример осуществления изобретения

Для проведения испытаний был взят твердый сплав состава WC-6% Co, нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 (синтезированный в лабораторных условиях обратным осаждением аммиаком из водно-этанольных растворов соответствующих солей) с размером частиц 18-21 нм, и алмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм.

Предварительно создали шлифованную поверхность твердого сплава на алмазных пастах, с последующей промывкой в ацетоне, в среде ультразвука в течение 10 минут. На следующем этапе удалили кобальтовую связку в поверхностном слое твердого сплава путем обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 (1:3) и H2O2, в течение 10, 40, 20 минут соответственно. После готовили суспензию, состоящую из ZrO2-Y2O3-CeO2 и алмазного порошка в среде изопропилового спирта. Обработку осуществляли в ультразвуке в течение 30 минут для равномерного распределения частиц на поверхности твердого сплава. После образец подвергли термической сушке на воздухе для удаления спирта с поверхности и поместили в камеру реактора. Синтез алмазной пленки осуществляли при следующих параметрах: мощность СВЧ-излучения 700 Вт, давление в камере 25 Торр, состав газовой смеси 99:1 (Н2:CH4), расход газа 150 см3/мин, температура образца 720°С, длительность синтеза 4 часа.

Определение фазового состава полученной пленки осуществляли на КР-спектрометре Bruker при длине волны 532 нм и мощности лазерного излучения 10 мВт с обработкой полученных данных в программе Opus 6.5. Микроструктурный анализ пленки исследовали на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss Ultra 55 (фиг. 2 и 3).

Средняя толщина пленки, рассчитанная при статистической обработке серии изображений 4.1±0.2 мкм. Средний размер алмазного зерна в пленке составляет 95±5 нм. В фазовом анализе полученной пленки присутствует узкий пик в районе 1334 см-1, с полушириной не более 12 см-1, что идентифицирует алмазную составляющую, линий, подтверждающих наличие оксидной керамики в составе, не выявлено (фиг. 4).

Способ позволяет получить сплошную алмазную пленку на твердом сплаве, без включения в ее состав частичек порошка, применяемых для повышения плотности зародышеобразования. Способ легко осуществить на стандартном оборудовании.

Похожие патенты RU2634098C2

название год авторы номер документа
Способ получения поликристаллических алмазных пленок 2020
  • Полушин Николай Иванович
  • Маслов Анатолий Львович
  • Лаптев Александр Иванович
RU2750234C1
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЦЕНТРОВ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ АЛМАЗНОЙ ФАЗЫ НА ПОДЛОЖКУ 2009
  • Виноградов Александр Яковлевич
  • Голубев Валерий Григорьевич
  • Феоктистов Николай Александрович
RU2403327C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МЕЗОПОРИСТЫХ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ДЛЯ НОСИТЕЛЕЙ КАТАЛИЗАТОРОВ 2018
  • Морозова Людмила Викторовна
RU2665038C1
СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ НА КРЕМНИЕВЫЕ ОСНОВАНИЯ 2017
  • Линник Степан Андреевич
  • Охотников Виталий Владимирович
  • Гайдайчук Александр Валерьевич
RU2656627C1
Способ жидкофазного синтеза наноструктурированного керамического материала в системе CeO - SmO для создания электролита твердооксидного топливного элемента 2020
  • Калинина Марина Владимировна
  • Федоренко Надежда Юрьевна
  • Дюскина Дарья Андреевна
  • Шилова Ольга Алексеевна
RU2741920C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЗОПОРИСТЫХ КСЕРОГЕЛЕЙ И НАНОПОРОШКОВ В СИСТЕМЕ ZrO(YO)-AlO ДЛЯ НОСИТЕЛЕЙ КАТАЛИЗАТОРОВ ПРИ КОНВЕРСИИ МЕТАНА В СИНТЕЗ-ГАЗ 2016
  • Морозова Людмила Викторовна
  • Калинина Марина Владимировна
  • Шилова Ольга Алексеевна
RU2629667C1
АЛМАЗНЫЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С АРМИРУЮЩЕЙ АЛМАЗНОЙ КОМПОНЕНТОЙ 2013
  • Ашкинази Евгений Евсеевич
  • Ральченко Виктор Григорьевич
  • Конов Виталий Иванович
  • Большаков Андрей Петрович
  • Рыжков Станислав Геннадиевич
  • Соболев Сергей Сергеевич
RU2538551C1
Способ получения наноструктурированного композита на основе бескислородного графена и ZrO 2022
  • Трусова Елена Алексеевна
  • Афзал Ася Мохаммадовна
RU2788977C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМОЙ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ДЛЯ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЯ 2020
  • Федоренко Надежда Юрьевна
  • Калинина Марина Владимировна
  • Шилова Ольга Алексеевна
  • Пономарева Мария Антоновна
RU2741918C1
АЛМАЗНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ 2010
  • Полушин Николай Иванович
  • Журавлёв Владимир Васильевич
  • Маслов Анатолий Львович
  • Кудинов Андрей Владимирович
RU2437752C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 634 098 C2

Реферат патента 2017 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗНОЙ ПЛЁНКИ НА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и материалов, а именно к способу получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта. Осуществляют подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода. Подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно. Затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта. Затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (H2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава. В частных случаях осуществления изобретения ультразвуковую обработку проводят в наноалмазной суспензии, содержащей нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм. Обеспечиваются повышение зародышеобразования алмазной фазы и получение пленки на твердом сплаве из карбида вольфрама, не содержащей дополнительных примесей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 634 098 C2

1. Способ получения алмазной пленки на твердосплавных изделиях из карбида вольфрама с содержанием в качестве связующего 6% кобальта, включающий подготовку поверхности упомянутого твердого сплава и газофазное химическое осаждение углерода, отличающийся тем, что подготовку поверхности упомянутого твердого сплава проводят шлифованием с помощью алмазной пасты с последующей промывкой в ацетоне с использованием ультразвука и удаления кобальтовой связки в поверхностном слое упомянутого твердого сплава путем последовательной обработки в концентрированной H2SO4, смеси H2O2:H2SO4 в соотношении 1:3 и H2O2 в течение 10, 40, 20 минут соответственно, затем проводят ультразвуковую обработку в наноалмазной суспензии, состоящей из нанопорошка оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 и наноалмазного порошка и изопропилового спирта, затем осуществляют газофазное химическое осаждение углерода при мощности СВЧ излучения 700 Вт, давлении в камере 25 Торр, составе газовой смеси 99:1 (H2:СН4), расходе газа 150 см3/мин и температуре образца 720°С с получением сплошной алмазной пленки на упомянутых изделиях из твердого сплава.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку проводят в наноалмазной суспензии, содержащей нанопорошок оксидной керамики ZrO2-Y2O3-CeO2 с размером частиц 18-21 нм и наноалмазный порошок, синтезированный CVD методом, с размером 90-120 нм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2634098C2

US 5855974 A1, 05.01.1999
КОМПОЗИТНАЯ ВСТАВКА С ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ АЛМАЗАМИ 2010
  • Скотт Дэнни Юджин
  • Изон Джимми Вейн
  • Кёрри Дэвид Александр
  • Коняшин Игорь Юрий
RU2503522C2
ИНСТРУМЕНТ С АЛМАЗНЫМ ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1994
  • Джордж П.Грэб[Us]
  • Вилльям М.Мелэго[Us]
  • Эдвард Дж.Олес[Us]
  • Джеральд Д.Муррей[Us]
  • Чарльз Эрик Бауэр[Us]
  • Эхэрон Инспектор[Us]
RU2111846C1
US 5935323 A1, 10.08.1999
Топчак-трактор для канатной вспашки 1923
  • Берман С.Л.
SU2002A1
US 5912053 A, 15.06.1999.

RU 2 634 098 C2

Авторы

Анциферов Владимир Никитович

Вохмянин Дмитрий Сергеевич

Даты

2017-10-23Публикация

2015-12-09Подача