Способ получения поликристаллических алмазных материалов

 

Использование: для изготовления алмазных инструментов. Алмазный порошок подвергают химической очистке, затем обрабатывают диоксидом углерода в течение 25 - 35 мин при 600 - 900С в присутствии соединений калия или натрия, выбранных из группы: гидроксид, карбонат, бикарбонат, взятых в соотношении 1: (6 - 20) к алмазному порошку, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают соляной кислотой, промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции, обрабатывают метаном в течение 1 - 2 ч при 500 - 600С и компактируют при высоких давлениях и температуре. 1 табл.

Изобретение относится к производству алмазных материалов, а именно к технологии получения поликристаллических материалов из мелкозернистых алмазных порошков, и может быть использовано в промышленности при производстве алмазных компактов и изготовлении алмазного инструмента.

Известен способ получения поликристаллического сверхтвердого материала на основе алмаза [1] , включающий обработку алмазных порошков при пониженном давлении и температуре не ниже 1000^оС для графитизации алмаза на 0,1-1,0% (используемое давление 1,33х10^-1 - 1,33х10^-4 Па и температура 1000-1500^оС) с последующим спеканием при высоких давлениях и температуре.

К недостаткам следует отнести то, что в зависимости от свойств поверхности алмазных зерен графитизация происходит в различной степени и поэтому не может быть обеспечено равномерного спекания по всему объему, что влияет на прочность получаемого алмазного компакта.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения поликристаллических алмазных материалов [2] . Способ заключается в том, что очищенный кипячением в водном 60-80% -ном растворе персульфата аммония в течение 60-90 мин и последующей промывкой водой до рН 4-5 алмазный порошок подвергают термообработке в воздушной среде при 300-900^оС в течение 30-40 мин и затем спекают при высоких давлении и температуре.

Недостатком указанного способа является то, что воздействие такого сильного окислительного агента, как воздух, при повышенных температурах вызывает заметное окисление алмаза, что является причиной значительной потери массы алмазного порошка и приводит к образованию грубых скульптур травления на поверхности алмазных зерен, могущих вызвать снижение их прочности.

Цель изобретения - повышение абразивной стойкости и прочности алмазных компактов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения поликристаллических алмазных материалов, включающем химическую очистку алмазного порошка и его обработку при повышенной температуре с последующим компактированием при высоких давлениях и температуре, после химической очистки алмазный порошок подвергают окислительной обработке диоксидом углерода в течение 25-35 мин при 600-900^оС в присутствии соединений калия или натрия, выбранных из группы: гидроксил, карбонат, бикарбонат, взятых в соотношении 1: (6-20) к алмазному порошку, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают соляной кислотой, промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции и обрабатывают в течение 1-2 ч метаном при 500-600^оС.

При каталитической обработке диоксидом углерода, являющимся слабым окислителем, происходит незначительное окисление алмаза, да и то только в зонах поверхностных дефектов, разупрочняющих алмазные зерна, что, практически не приводя к уменьшению массы алмазного порошка, способствует упрочнению зерен, унифицирует химическое состояние поверхности зерен за счет образования кислородсодержащих функциональных групп.

Последующая обработка алмазного порошка метаном приводит к замене кислородсодержащих групп на метильные и водородные и повышает устойчивость поверхности алмазных зерен к окислению и графитизации в процессе компактирования.

Оптимальное время обработки диоксидом углерода по предлагаемому способу 25-35 мин. При меньшем времени не достигается необходимой степени окислительного растворения алмазных зерен, а более длительная обработка приводит к увеличению степени окисления и наряду с унифицированием поверхности может привести к уменьшению прочности зерен. То же относится и к выбору температуры обработки: понижение температуры ниже 600^оС вызывает резкое уменьшение скорости окислительного растворения алмазных зерен, что приводит к необходимости увеличивать время обработки; при температурах выше 900^оС скорость окислительного растворения алмазных зерен становится очень большой, что приводит к возрастанию потерь алмазного сырья и нерегулируемому изменению его прочности.

В качестве катализатора при воздействии на алмазный порошок диоксида углерода используют соединения, выбранные из группы: гидроксид, карбонат, бикарбонат натрия или калия, которые берут в соотношении от 1: 6 до 1: 20 по отношению к алмазному порошку. Отношение 1: 20 позволяет достигнуть необходимый эффект каталитического действия взятого соединения катализатора. При меньших соотношениях невозможно достичь однородности обработки алмазного порошка. Взятые отношения более чем 1: 6 не изменяют полученный эффект и приводят к нерациональному расходу катализатора.

Оптимальное время обработки метаном по предлагаемому способу 1-2 ч. При меньшем времени обработки не достигается полноты замещения кислородсодержащих групп на метильные и водородные, т. е. полнота эффекта модифицирования. Увеличение времени обработки более 2 ч нецелесообразно, так как свойства алмазной поверхности уже перестают зависеть от времени обработки. Температура обработки 500-600^оС обусловлена тем, что модифицирование метаном именно при таких условиях резко повышает устойчивость алмаза к действию воздуха, при большей или меньшей температуре модифицирования такого эффекта не наблюдается.

П р и м е р 1. Микропорошок природных алмазов АН 28/20 очищали кипячением в концентрированной соляной кислоте в течение 10 мин, кипячением в царской водке в течение 10 мин, кипячением в царской водке в течение 10 мин и в течение такого же времени кипячением в смеси Муассана (смеси конц. H₂SO₄ 5 об. ч. , конц HNO₃ 3 об. ч. и 30% -ного олеума 3 об. ч. ). Навеску (4 кар) микропорошка смешали с порошком катализатора К₂СО₃ в соотношении 6: 1 в платиновой лодочке (могут быть использованы и другие, стойкие к щелочам материалы, например нержавеющая сталь, стеклоуглерод и др. ). Лодочку поместили в реактор проточного типа и установили расход диоксида углерода около 2 л/ч. Через 30 мин реактор вставили в нагретую до 600^оС печь и выдержали алмазный порошок при этой температуре в течение 30 мин. После охлаждения порошка в токе СО₂ его очистили от катализатора последовательно в теплой 10% -ной HCl и дистиллированной воде до рН 6-7. Далее лодочку с микропорошком поместили в реактор проточного типа и подвергли обработке метаном при 500^оС в течение 2 ч. Затем порошок был скомпактирован при 1500^оС и Р = 7 ГПа. Получено 4 компакта, из них 4 целых с абразивной стойкостью 9-10 (см. таблицу, пример 1).

Абразивная стойкость определялась, как в этом примере, так и в последующих, в относительных единицах, характеризующих скорость эрозии компакта (мг/мин) при обработке им шлифовального круга из карбида кремния (V круга = 20 м/с, сила прижима 20-50 Н, время испытания t = 30 с). Диапазон изменения относительной величины от 3 до 10 соответствует изменению скорости эрозии от 500 до 1-2 мг/мин. Кондиционными считались компакты с относительной абразивной стойкостью от 9 до 10.

П р и м е р 2. Навеска (4 кар) отмытого кислотами по примеру 1 микропороьшка АН 28/20 была подвергнута окислительной каталитической обработке диоксидом углерода при соотношении микропорошка и катализатора 15: 1 в течение 25 мин, при температуре 900^оС, отмыта от катализатора, а затем подвергнута обработке метаном при 600^оС в течение 1 ч.

Порошок был скомпактирован в условиях, указанных в примере 1. Получено четыре целых компакта, из них три с абразивной стойкостью 9-10 и один с абразивной стойкостью меньше 9 (см. таблицу, пример 2).

Следующие примеры приведены в таблице.

Предлагаемый способ получения поликристаллическаих алмазных материалов позволяет получать с высоким выходом годные образцы, обладающие повышенной абразивной стойкостью и прочностью.

Алмазный материал, изготовленный по предлагаемому способу, имеет стойкость в инструменте, превышающую стойкость материала, полученного по прототипу, в два раза. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1253097, кл. С 01 В 31/06.

2. Авторское свидетельство СССР N 1594868, кл. З 01 В 31/06, 1989.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий химическую очистку алмазного порошка и его обработку при повышенной температуре с последующим компактированием при высоких давлениях и температуре, отличающийся тем, что, с целью повышения абразивной стойкости и прочности компактов, после химической очистки алмазный порошок подвергают окислительной обработке диоксидом углерода в течение 25 - 35 мин при 600 - 900^oС в присутствии соединений калия или натрия, выбранных из группы: гидроксид, карбонат, бикарбонат, взятых в соотношении 1 : (6 - 20) к алмазному порошку, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают соляной кислотой, промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции и обрабатывают в течение 1 - 2 ч метаном при 500 - 600^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1