Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

01 21/064 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ,В ЧАСТНОСТИ АЛМАЗА ИЛИ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(71) Заявители Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ, Производственное объединение Кристалл(73) Патентообладатели Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ,Производственное объединение Кристалл(57) Способ получения сверхтвердых материалов, в частности алмаза или кубического нитрида бора, включающий приготовление шихты из графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и воздействие на шихту высокими давлением и температурой, отличающийся тем, что в качестве добавки в шихту вводят материал, выбранный из группы, включающей шамот, каолин, базальт, цемент и их смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.добавка 0,1-15,0 катализатор 5-75 графит или графитоподобный нитрид бора остальное. 3954 1 Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов (СТМ) и может быть использовано на заводах по выпуску алмазов и кубического нитрида бора (КНБ) и инструментов на их основе. Известен способ получения алмазов 1, включающий приготовление шихты из графита, катализатора и добавки, и последующее воздействие на шихту высокими давлением и температурой. В качестве катализатора для получения алмазов используют железо, кобальт, никель, марганец, хром, тантал, бор, медь, магний и другие элементы из ряда переходных металлов, их смеси и сплавы, а в качестве добавки при получении алмазов используют пермангамат калия в количестве 0,1-2,5 мас.или его смесь с солями железа. Однако получаемые по известному способу порошки алмаза сильно отличаются друг от друга по зернистости и свойствам. Способ по 1 является наиболее близким техническим решением к заявленному по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа и базового объекта. Общим существенным признаком прототипа и заявленного решения является приготовление шихты из графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и воздействие на шихту высокими давлением и температурой. Задачей настоящего изобретения является повышение выхода преимущественных фракций порошков алмаза и КНБ и их прочности. Заявленный способ получения сверхтвердых материалов, в частности алмаза или кубического нитрида бора, включает приготовление шихты из графита или графитоподобного нитрида бора, катализатора и добавки, и воздействие на шихту высокими давлением и температурой, отличается тем, что в качестве добавки в шихту вводят материал, выбранный из группы, включающей шамот, каолин, базальт, цемент и их смеси,при следующем соотношении компонентов, мас.добавка 0,1-15,0 катализатор 5-75 графит или графитоподобный нитрид бора - остальное. Сущность изобретения заключается в следующем. Согласно существующим представлениям о механизмах образования и роста алмазов и КНБ при каталитическом синтезе СТМ образуются и растут из пересыщенных углеродом или нитридом бора расплавов в области термодинамической устойчивости плотных модификаций указанных материалов. На процессы спонтанного зародышеобразования и роста кристаллов большое влияние могут оказывать определенные добавки, изменяющие пересыщение и вязкость расплавов. Экспериментально было установлено, что введение в исходную шихту одной или нескольких добавок шамота, каолина, базальта, цемента и их смесей существенным образом увеличивает выход преимущественных фракций порошков СТМ и их прочность. Основными компонентами указанных добавок являются окислы 2, 23, 2, е 23, , Са. Эти окислы также являются основными примесями в природных алмазах. Следовательно, их введение в кристаллизационный расплав будет приближать его состав к составу кимберлитовых трубок, в которых образуются алмазы. Увеличение выхода преимущественных фракций порошков СТМ и их прочности при введении в расплав указанных добавок, независимо от природы расплава, может указывать, что микрочастицы указанных окислов или их составляющие (в условиях высоких давлений и температур происходит частичное разделение окислов на атомы металла и кислорода) являются центрами кристаллизации новой фазы, которые при этом взаимодействуют с вакансиями кристаллической решетки СТМ, увеличивая тем самым их прочность. При введении в шихту добавки менее 0,1 мас.либо более 15 мас.уменьшается выход преимущественных фракций порошков алмаза и КНБ и их прочность. Содержание в шихте катализаторов менее 5 мас.либо более 75 мас.также уменьшает выход и прочность порошков СТМ. При получении порошков алмаза или КНБ использовались порошки графита либо графитоподобного нитрида бора дисперсности 100-800 мкм, которые смешивались с порошками катализатора дисперсности 100-400 мкм и микропорошками (менее 60 мкм) шамота, каолина, базальта и цемента в количестве, указанном в формуле изобретения. Перемешанные порошки затем уплотнялись в прессформе при давлении 0,5 ГПа и помещались либо прямо в контейнер из литографского камня (для синтеза алмаза), либо в графитовый нагреватель, размещенный в контейнере (для КНБ). Затем контейнер с шихтой устанавливался в центральное углубление камеры высокого давления и подвергался сжатию до заданных параметров синтеза - Р 4,0-6,0 ГПа, Т 1300-1600 С,1-10 мин. После выдержки при указанных параметрах выключался ток нагрева,снималось давление в камере и извлекался продукт синтеза в виде спека. Из полученных спеков выделялись порошки СТМ, которые классифицировались по размерам и прочности. Для получения порошков СТМ использовался и другой способ приготовления шихты - послойное расположение шайб из графита либо графитоподобного нитрида бора и катализатора, смешанного с добавками. В этом случае размеры синтезируемых порошков были заметно большими, чем при объемном смешивании порошков. Пример 1. В качестве исходной шихты использовали две смеси 3954 1 1) смесь графита марки МГ-1 ОСЧ фракции 400-800 мкм и никель-марганцевого катализатора (60 мас. ), фракции 100-400 мкм и 2) ту же смесь, но с добавкой 0,5 мас.порошка шамота либо каолина, либо базальта, либо цемента, либо смеси шамота с цементом (11). Указанные порошки перемешивались в пьяной бочке в течение часа, а затем прессовались под давлением 0,5 ГПа в таблетки. Спрессованные таблетки вставлялись во внутреннее отверстие контейнера из литографского камня и сдавливались до давления 5,0 ГПа. После создания давления включался нагрев и реакционная шихта нагревалась до 1450 С. При Р 5 ГПа и Т 1450 С шихта выдерживалась в течение 2-х минут. По завершении синтеза отключали нагрев, снижали давление и извлекали спеки, содержащие алмазы,графит и катализатор и продукты их взаимодействия. Полученные спеки дробили в щековой дробилке до размера 1-2 мм, а затем продукт дробления подвергался химической обработке с целью выделения порошков алмаза. Поскольку синтезированные порошки алмаза имели в своем составе ряд сростков и других дефектов,то они подвергались избирательному механическому дроблению в шаровой мельнице. После дополнительной химической очистки, отмывки и сушки порошки алмаза подвергались ситовой классификации по зернистости на вибросите в течение 5 мин с последующим определением прочности порошков заданной зернистости. Прочность порошков определялась по результатам разрушения 50 зерен согласно ГОСТ 9206-80. Результаты испытаний представлены на фигуре. Выход алмазных порошков в процентах указан на оси ординат, а их зернистость - на оси абсцисс. Кривая 1 соответствует шихте, состоящей из графита и катализатора, а кривая 2 - той же шихте, но со следующими добавками (0,5 мас. )- шамотом,- цементом,- базальтом,- каолином. Видно, что введение в шихту указанных добавок значительно повышает выход преимущественных фракций порошков алмаза зернистости 100/80, 125/100 и 160/125, в то время как из шихты без добавок растут алмазы самых различных фракций. Наиболее эффективной добавкой в этом плане является смесь порошков шамота с цементом (выход фракции 125/100 составляет 37 ), затем по мере уменьшения выхода следует шамот (35 ), цемент (34 ), базальт (33 ), каолин(32 ). Преимущественные фракции (100/80, 125/100, 160/125) порошков алмаза, полученные из шихты, содержащей добавки, имели прочность 18,7 21,8 и 30,4 ньютона, что соответствует марке алмаза АС 32. Алмазы,синтезированные без добавок, имели более низкую прочность (АС 6-АС 15) и отличались большим разбросом величин прочности. При послойном расположении шайб из графита и катализатора с добавками увеличение времени синтеза приводило к увеличению зернистости и прочности преимущественных фракций алмазов с сохранением, выявленном на рисунке, закономерностей, т.е. приводило к смещению графиков вправо и вверх. Пример 2. Готовят шихту 1) из графитоподобного нитрида бора зернистости 50-100 мкм (90 мас. ) и нитрида лития (10 мас. ) и 2) ту же смесь, но с добавками 1,5 мас.порошка шамота либо каолина, либо базальта, либо цемента, либо смеси шамота с цементом (11). После перемешивания из них формуют таблетки путем прессования порошков под давлением 0,5 ГПа. Спрессованную таблетку помещают во внутреннее отверстие графитового нагревателя, находящегося в контейнере из литографского камня, и подвергают сжатию до давления 4,5 ГПа в твердосплавной камере высокого давления. Затем включают ток нагрева, который нагревает таблетку до температуры 1600 С, и выдерживают таблетку при указанной температуре в течение 3 минут. После выдержки ток выключают, снимают давление в камере и извлекают спек. Спек травят в азотной и соляной кислотах для удаления продуктов реакции, а затем обрабатывают при температуре 450 С в течение 15 мин в расплавленной щелочи для удаления непрореагировавшего графитоподобного нитрида бора. После промывания продукты реакции в виде порошка КНБ, как и алмазы, подвергали избирательному механическому дроблению, ситовой классификации и измерению прочности. Результаты испытаний показали, что порошки КНБ, полученные из шихты без добавок и с указанными добавками, имели схожие закономерности изменения выхода от зернистости, как и для алмаза. Однако выход преимущественных фракций 80/63, 100/80 и 125/100 был ниже - порядка 20-25 . Их прочность была на уровне 10-15 Н. Порошки КНБ, синтезированные без добавок, отличались небольшой прочностью - от 3 до 5 ньютонов. Ниже в таблице приведены примеры получения алмазов и КНБ по известному и заявляемому способам. Как видно из приведенных данных таблицы, в результате введения в состав шихты шамота, каолина, базальта, цемента и их смеси (примеры 4-7, 10-12, 14-23) существенно увеличивается выход преимущественной фракции алмаза и КНБ и ее прочность по сравнению с известными способами (примеры 1, 2). При запредельных количествах добавок либо катализаторов (примеры 3, 8, 9, 13) заметно снижаются выход и прочность порошков СТМ. Использование заявляемого способа по сравнению с известными обеспечивает следующие техникоэкономические преимущества 3 3954 1 1. В среднем при идентичных условиях синтеза увеличивается выход преимущественных фракций алмаза и кубического нитрида бора примерно в два раза. 2. В среднем увеличивается прочность преимущественных фракций алмаза и кубического нитрида бора примерно в 2-3 раза. Источники информации 1. Заявка 93043458, Россия, МПК 01 31/06. Способ синтеза алмазов / А.Ф. Гетьман, В.И. Петренко,Н.К. Ященко, В.В. Огородников - Заявл. 08.09.93, опубл. 20.03.96. - Бюл.8. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.

МПК / Метки

МПК: C01B 31/06, C01B 21/064

Метки: нитрида, частности, способ, алмаза, материалов, бора, кубического, или, получения, сверхтвердых

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-3954-sposob-polucheniya-sverhtverdyh-materialov-v-chastnosti-almaza-ili-kubicheskogo-nitrida-bora.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ получения сверхтвердых материалов, в частности алмаза или кубического нитрида бора</a>

Похожие патенты