Способ упрочнения кристаллов

 

Использование: обработка свер хтеердых кристаллических материалов, в частности природных и синтетических алмазов и д-ругах вн ых материалов, для увеличения объемной прочности. Сущность изо-: бретения: кристаллы облучают лазером с длиной нояны луча, при которой они являются оптически прозрачными. Плотность мощности излучения оДределяется из зашеимоетй. К S , где S - максимальный линейный размер кристаллов: К - коэффициент пропорммстапьности, равный 2,5-4,2 и выбираемый #3 отраниченкой решмендуёмой области в зависимости от линейного размера кристаллов.- .При облучении происходит гюглощение энергии излучения в объеме кристаллов в зонах микродефектов . Упрочнение достигается э результате отжига напряжений, прилегающих к указанным зонам. 4 ил., 4 табл. .

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУВЛИК (я)5 С 30 В 33t04, 29/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ, „/

К ПАТЕНТУ:: .. . -:-«./

Ф (21) 6О02700/26 (22) 02.08Я1 (46) 30.04.93. Бюл, % 16 (76) B.ÄÕàëèíèH и В.В,Сипягин (56) Азаров В;В. и др. Лазерное упрочнение монокристаллов -ЫОз. "Сб. научн. трудов

ВНИИ монокристаллов сцинтилляц. материаЛОв и особо чист. хим. веществ", 19%.

М 14, с.41 — 44. (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ (57) Использование; обработка сверхтвердых кристаллических материалов. в частности природных и синтетических алмазов и . других абразивиых материалов, дня увеличения объемной. прочности, Сущность изоПредлагаемое изобретение относится к области обработки сверхтвердых кристал лических материалов, в частности, к упрочнению синтетических и природных алмазов, или других абразивных материалов.

Известен способ упрочнения кристаллов, заключающийся в воздействии на них лазерного излучения.

- Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключаетея в нахождении параметров режимов обработки, влияющих на объемное упрочнение кристаллов размером 0,2-2,8 мм.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении предлагаемого изобретения, является повышение объемной прочности кристаллических материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что. в способе упрочнения кристаллических материалов путем нагрева

„„ЯЦ„„1813126 АЗ

2 бретения: кристаллы облучают лазером с длиной волны луча, при котброй они являются огггически прозрачными. Плотность мощности излучения о еделяется из зависимости рщ = К 8, где 8 — максимальный линейный размер кристаллов; К— коэффициент Гц)опорциояальности раОЯМЙ

2,5-4.2 и выбираемый из ограниченной рекомендуемой области е завйсимости от линейного р взмерз кристаллов. При облучении происходит поглощение энергии излучения в объеме кристаллов в зонах микродефектов. Упрочнение достигается в результате отжига напряжений, прилегающих к указанным зонам. 4 ил., 4 табл.. кристаллов облучением лазера и последующего естестве нного охлаждения, облучение кристаллов с максимальным линейным размером 0;2 — 2„8 мм осуществляют с длиной волны, при которой они являются оптически прозрачными и плбтнОстью мощности излучения в импульсе, определяемой из зависимости, р =К. Я где S — максимальный линейный размер кристаллов (мм);

К вЂ” коэффициент пропорциональности (КВт/ммз), равный 2,5-4,2 и выбираемый в. зависимости от линейного размера кристаллов из области, ограниченной следующими значениями:

S =0,2 К=4,0-4,2

S =02 К=2,5 — 2,6

S =2,6 К=2,5-2,6

1813126

Указанная зависимость и значения параметров были экспериментально получены для кристаллов (природных и искусственных), алмазов и других абразивных материалов ситового класса (S = 0,2-2,8) и обеспечивают в совокупности с другими существенными признаками достижение указанного выше технического результата;

На фиг,1 — схематично показана установка для упррчнения кристаллических материалов, на которой может быть осуществлен данны"; на фиг,2 — вид А на фиг;1; на фиг.3 — разрез по Б-6 на фиг,2; на фиг,4 — представлен график зависимости К от Я, Установка для осуществления способа содержит лазер 1, лоток 2, установленный на координатном столике 3, связанном с механизмами 4 и 5 соответственно для продольного и поперечного перемещения лотка

2, в жалобах 6 которого расположены обрабатываемые кристаллы 7.

При обработке кристаллов 7 их располагают -e желобках 6 лотка 2 и нагревают облучением лазера t. Механизмам 4 обеспечивают таксе. продольное йеремещеййе лотка, чтобы на каждый кристалл-приходился один импульс лазера, После прохождения всего желобка 6 маханизмом 5 перемещают лоток 2 в поперечном направлении и прьизводят облучении кристаллов в следующем. желобке.

Поскольку обрабатываемые кристаллы облучаются с длиной волны луча, при koToрой Ойи являются оптически прозрачными, в процессе облучения не происходит поглощения энергии излучения в обьеме кристалла; а осуществляется поглощение энергий в зонах, скрытйх и видимых микрадефектов кристалла (микротрещины; включения, пузйрьки и т.д.), что и йривадйт к упрочнению криСталлов в результате быстрого обжига йапряжений-в областях, прилегающих k указанным микродефектам, Облучение осуществляют с плотностью мощности излучения в импульсе определяемой из зависимости; р,.-К., S

Величина коэффициента К изменяФтся в диапазоне 2,5 — 4,2 и et-o изменение обрйтно пропорцйонально изменению линейного размера кристалла. Для малых размеров S =

0,2, K=4,0-4,2, адля 8=2,0-2,8и К=2.5 — 2,6.

Следует отметить, что если даже принять прямую линейную завйсимасть S = 0,2—

-К=4,2; Я =2,8— - К= 2,6, для нахождения по известной величине, значений К и пОдстанавки их в экспериментальную зависимость, то полученная величина,а обеспечит эффект упрачнения, но не максимально возможный, В действительности же зависимость К - Sне является линейной,,однако это можно отнести к ноу-хау способа.

Указанная зависимость плотности мощностй от линейного размера кристаллов облучения получена экспермменталь10 йым путем, при этом установлено, что как при превышении, так и ниже граничных значений плотности мощности излучения происходит разупрочнение кристаллов и технический результат не достигается..

"5 Следует также отметить, что параметр

Рч, как показали эксперименты, является определяющим, необходимым и достаточйым для осуществления способа, поскольку, зная. велйчину р легко, исходят из

20 технических характеристик лазера, установить режим облучейия, варьируя либо дли. тельностью импульса х, либо величиной энергии импульса Е.

Технологическй йроще и быстрее изменять велйчину эйергии ймпульса Е, кроме того, очевидно, что наиболее предпочтительным является самый короткий импульс. т,к. он обеспечиеает наибольшее Значение мощности имйульса при равных его энергиях, П ример%1.

Для обработки отобрана партия в 400 кристаллов природных алмазов ХХ-а группы размером 8 = 2,0 мм, Вся партия разбита на

8 групп по 50 шт, в каждой, Первоначально оПределенасредняя прочность алмазов. Остальные 7 груги располагают в желобках 6 лотка 2 коордйнаторного столика 3 для обработки лазером.

40 9 „„„, им„льн оил„ чейия использавана установка "Квант-43".

Устанавлйваем длительность импульса 0,5 мс и фокалънов пятно йрямоугольной формы общей площадью 38 м (10х3,8). Из экспе45 .риментальной зависимости устанавливаем, что для алмазов с:,размером $ = 2,0 коэффи циент К=2,64. Поданным значениям Ки5 определяет величину плотности мощности

50 излучения: р = 2,64 - 3 =3,72 кВт/мм

При длительности импульса х = 0,5 мс

55 плотность энергии иэлучения составляет;

pe =p

=3,72 х 0,5=1;Зблж/мм2, Величина энергии ймпульса при площади фокального пятна F = 38 мм2 составляет: E = ре 1=1,86x 38=70,68Дж, 1 813126

Таблица 1

Таблица 2

Для получения такой энергии устанавливаем напряжение накачки, изменяем энергию импульса и производим облучение следующей группы алмазов в 50 шт. и после облучения определяем твердость этой группы, Результаты обработки этой партии алмазов представлены в табл. t.

Пример N. 2, По технологии, описанной в примере

М 1, обрабатываем партию алмазов размером S = 1,0 мм. Для алмазов такого размера величина К = 3,1, - При этой же длительности импульсаF=

= 0,5 мс плотность мощности излучения составляет: ре =рщ t = 3,1 х 0,5 = 1,55 Дж/мм2

При площади пятна излучения = 38 мм энергия излучения равна:

Е= рЕ F= 1,55х 38=58,9Дж.

Для получения такой энергии устанавливаем напряжение накачки U = 1860 B. В табл.2 приведены результаты обработки алмазов. Как видно из таблицы, увеличение прочности составляет 130 +. 2 g,, В табл.3 приведены результаты обработки алмазов размером 8 = 05.

В табл,4 приведены сводные результаты обработки алмазов различного размера.

В данной таблице прочность алмазов размером от 0.4 и менее определялась статическим нагружением, а прочность алмазов

0.5 и выше проверялась на динамические

5 нагрузки, Таким образом, данный способ позволяет повысить объемную прочность кристаллов, а, следовательно, и свойства изготавливаемых с их использованием инс10 трументов.

Формула изобретения

Способ упрочнения кристаллов путем воздействия на них импульсного лазерного облучения, отличающийся тем, что

15 облучение кристаллов с линейным размером 0,2-2,8 мм осуществляют с длиной вол-H63 луча, при которой они являются оптически прозрачными, и плотностью мощности облучения в импульсе, определяемой

20 из завйсймости

pv K S. где S — линейный размер кристалла, мм;

К вЂ” коэффициент пропорциональности, кВт/мм . равный 2,5-4,2 и выбиоаемый в зависимости от линейного размера кристалла из области, ограниченной следующими значениями: 8 =0,2, К=4,0-4,2; S-0,2, К2,5-2,6; 3 = 2.8, К = 2. 6-2,5.

Фиг, 1813126

Таблица 3

Таблица 4

1813126

Составитель В.Калийин

Техред M,Mîðãåíòàë . Корректор Л,Филь

Редактор Т.Егорова

Производственно-издательский комбинат " Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 1591 . Тираж . . Подписйое

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5