Способ получения поликристаллических алмазов Советский патент 1992 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к области получения высокопрочных поликристаллов, работающих в условиях больших механических и тепловых нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения поликристаллических алмазов, которые не содержат металлических включений, Данный способ выбран в качестве прототипа. Недостатком его является, как и у природных алмазов, недостаточная механическая прочность.

Целью изобретения является повышение прочности и термопрочности поликристаллических алмазов за счет активации поверхности исходною алмазного материала и оптимизации свойств кристаллов.

П р и м е р 1- Поликристаллические синтетические алмазы, полученные согласно

Е2 -Е 1

прототипу, дробят при Е

-. Выделяют зерна размером 30/20 мкм, кипятят 15 ч в растворе 70% хлорной кислоты, (конц.70%) 3 ч в смеси растворов соляной и азотной кислот, 1 ч держат в растворе плавиковой кислоты и трехкратно 45 мин кипятят в дистиллированной воде, сушат 15 ч при 110°С, засыпают в ячейку диаметром 4 мм, высотой 4 мм или ячейку диаметром 7 мм, высотой 5 мм, уплотняют, помещают в АВД типа Тороид с диаметром лунки 15 мм с графитовым нагревателем, создают давление 9 ГПа, нагревают до 1800°С, выдерживают 20 с (или до 2000°С и выдерживают 1 -2 с). Получают алмазный поликристалл b виде

цилиндра диаметром 3,5 мм, высотой 3 мм, или диаметром 5,5 мм, высотой 3,5 мм, сопротивлением более Ом см, зольностью менее 0,05 мае. %, прочностью 6,5 ГПа, термопрочностью - без изменений ,цо температуры не менее 1200°С, теплопроводностью 400 Вт/(м град),

П р и м е р 2. Сростки и монокристаллы природного алмазного порошка метаморфических пород дробят при . ВЫделяют зерна размером 20/10 мкм, кипятят 10 ч в растворе 30% хлорной кислоты, 2 ч в смеси растворов соляной и азотной кислот, держат 2 ч в растворе плавиковой кислоты, трехкратно кипятят 30 мин в дистиллированной воде, затем сушат 10 ч при 100°С, засыпают в ячейку диаметром 12 мм и высотой 10 мм или ячейку диаметром 18 мм, высотой 4 мм, уплотняют, помещают в АВД типа Тороид с диаметром лунки 35 мм с графитовым нагревателем, создают давление 8,0 ГПа, нагревают до 1500°С и выдерживают 100 с (или 1800°С и 30 с). Получанэт алмазный поликристалл (компакт) диаметром 10 мм, высотой 8 мм (или диаметром 1В мм и высотой 3 мм), сопротивлением более Ом см, зольностью менее 0,1 мас.%, прочностью 6,0 ГПа, термопрочностью - без изменений до , теплопроводностью 350 Вт/(м град).

П р и м е р 3, Друзы (или поликристаллические агрегаты) природного алмазного порошка вулканических (кимберлитоаых) пород, например XX группы, дробят при . Выделяют зерна размером 100/80 мкм или 30/20 мкм, кипятят 20 ч в растворе 30% хлорной кислоты, 4 ч в смеси растворов соляной и азотной кислот, держат4 ч в растворе плавиковой кислоты, трехкратно кипятят 1 ч в дистиллированной воде, сушат 20 ч при 120С, засыпают в ячейку диаметром 18 мм, высотой 15 мм с графитовым нагревателем или ячейку диаметром 30 мм, высотой 7 м (с металлическим нагревателем), создают давление 8,5 ГПа, нагревают до 1800°С, выдерживают 100 с (или и 1000 с). Получают алмазный компакт диаметром 16 мм, высотой 12 мм (или диаметром 28 мм, высотой 5 мм), сопротивлением более 10 Ом см (или 10 Ом см), зольностью менее 0,01 мас.%, прочностью 6,5 ГПа (или 4,0 ГПа), термопрочностью - без изменений до 1200°С, теплопроводностью -600 Вт/(м град) (или 450 Вт/(м град)).

. Из алмазных поликристаллических заготовок с помощью лазера нарезают элементы заданной формы и размеров, например треугольные призмы, кубы, параллелепипеды, цилиндры, иглы и заделывают их в металлокерамическую матрицу бурового инструмента путем натрева без доступа кислорода до 1150°С. Обрезки дробятдо получения шлифпорошка с размером зерна до 2,5 мм, который используют в импрегнироваиных коронках, однослойных коронках, алмазных пилах и др. инструментах. Кроме того компакты используют для изготовления- фильер (волок) или изготовления подложек для элементов электроники, где требуется высокая теплопроводность, электросопротивление, низкие потери на высоких частотах и т.д..

Приведенный способ можно использовать для получения компактов с повышенной термопрочностью из алмазов, синтезированных из графита с помощью металлических катализаторов, Однако, в этом

случае возможно удалить только часть включений из поверхностной области зерен и из открытых пор. Присутствие металлов и карбидов размерами 10-100 нм в закрытых порах разупрочняет поликристалл при

нагреве. Степень разупрочнения зависит от количества включений и изменяется от 0,3 оь до 0,7 оь ( оь - начальная прочность) в случае нагрева до 1200°С в течение 30 мин, если содержание включений изменяется соответственно от 0,2 до 2 мас.%. Если содержание включений составляет 2-5 мас.%, то при 1200°С наступает полное разупрочнение, а при 1000°С степень разупрочнения составляет соответственно Э (0,7-0,3) оь.

Предложенный способ позволяет получить поликристаллические алмазы с повышенной абразивной стойкостью. По сравнению с монокристаллами эти характеристики выше в среднем на 20%. Прочность

на раздавливание составляет 4,0-6,5 ГПа. Нагрев до 1200°С (при отсутствии кислорода) не приводит к уменьшению исходной прочности. Данные поликристаллические алмазы могут заменить по своим физико-химическим параметрам природные монокристаллы алмаза XV и XXXV групп, используемые в буровой технике.

Для компактирования пригодны изометрические гранулы всех размеров от 1 до

100 мкм, которые разделяются на узкие фракции от 10/1 мкм до 100/90 мкм. В указанных примерах взяты для компактирования фракции 20/10,30/20 и 100/80 мкм. Эти фракции компактируются по данному методу более успешно с оптимальными прочностными характеристиками.

Сопостабительный анализ алмазов, полученных по прототипу, в сравнении с

предложенным способом показывает, что алмазные компакты заявителя (АКПМ-1, АКПК-1, АКСБ-1) и монокристаллы природных алмазов имеют одинаковую термопрочность до . в то время, как алмазные компакты, полученные путем перекристаллизации в металлическом расплаве (АКСК-1, АКСМ-1) имеют при Т° 1200°С пониженную термопрочность, составляющую 10-30% от исходной, что не позволяет применять их при температурах и выше. Кроме того, предложенный способ позволяет получить поликристаллические алмазы с повышенной прочностью и абразивной стойкостью. По сравнению с монокристаллами эти характеристики выше в среднем на 20%. Прочность на раздавливание составляет 4,0-6,5 ГПа. Скомпактированные поликристаллйческие алмазы могут заменить по своим физико-химическим параметрам природные монокристаллы алмаза XV и XXXV групп, используемые в буровой технике. Из них могут быть изготовлены заготовки для изготовления изделий различной формы.

Формула изобретения Способ получения поликристаллических алмазов, включающий воздействие на углеродный материал сйерхвысоким давлением при нагреве в области термодинамической стабильности алмаза, отличающийся тем, что, с целью повышения прочног сти и термопрочности поликристаллических алмазов путем активации поверхности исходного алмазного материала и оптимизации свойств кристаллов, в качестве углеродного материала используют алмяз, который предварительно измельчают до получения изометрических гранул размером 1-100 мкм, разделяют по фракциям и подвергают очистке от примесей растворами кислот: кипящей хлорной (30-70%) в течение 10-20 ч, смесью соляной (плотностью 1,19 г/см), азотной (плотностью 1,40 г/см и дистиллированной воды в соотношении 1:1:1 по объему в течение 2-4 ч, плавиковой (40%) а течение 1-2 ч, затем промывают дистиллированной кипящей водой с трехкратной ее заменой в течение 0,5-1 ч и сушат 10-20 ч при 100-120°С.

Использование: при получении высокопрочных алмазных поликристаллов, работающих в условиях больших механических нагрузок. Сущность: о воздействии на углеродный материал сверхвысоким давлениемпрл нагреве в области термодинамической стабильности алмаза, причем в качестве углеродного материала используют алмаз, который предварительно измельчают до получения изометрических гранул размером 1-100 мкм, разделяют по фракциям и подвергают очистке от примесей растворами кислот: кипящей хлорной (30-70%) в течение 10-20 ч, смесью соляной (плотностью 1,19 г/см^, азотной (плотностью 1,40г/см'^ и дистиллированной воды в соотношении 1:1:1 по объему в течение 2-4 ч, плавиковой (40%) в течение 1-2 ч, затем промывают дистиллированной кипящей водой с трехкратной ее заменой в течение 0,5-1 ч и сушат 10-20чпри 100-120°С.>&w*-ё