Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу

1. Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу, який включає формування алмазної маси та просочуючого шар у, що містить, принаймні, кремній у кількості, достатній для просочування алмазної маси, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достатньої для плавлення кремнію, і видержці при цій температурі, який відрізняється тим, що використовують просочуючий шар, в який додатково вводять порошок графіту, нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію при співвідношенні компонентів, мас. %: Винахід стосується області одержання керамічних матеріалів, а саме, - способів одержання композиційних матеріалів на основі алмазу і може бути використаний при спіканні полікристалічних матеріалів на основі алмазу в умовах високих тиску й температури. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу (див. Європейський патент № 0116403, МКИ В24 D 3/4, C 09 K 3/14, опубл. 22.08.84), який включає формування алмазної маси, просочуючого шару, який містить, принаймні, кремній в кількості, достатній для просочування алмазної маси, та проміжного шару, який містить нікель, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достатньої для плавлення кремнію, і видержці при цій температурі. Одержаний виріб складається з алмазних частинок (80-90 % від загального об'єму виробу) і другої фази (10-20 %). Алмазні частинки контактують, утворюючи просторову сітку. Друга фаза містить нікель і кремній: нікель - в формі металічного нікелю і/або силіциду нікелю й кремній - в формі металічного кремнію, карбіду кремнію і/або силіциду нікелю. Недоліком отриманого за прототипом композиційного матеріалу є його недостатня міцність, пов'язана з формуванням на границях алмазних частинок карбіду кремнію, що характеризується крупнодисперсною зеренною структурою. Як відомо, крупнодисперсний полікристалічний матеріал на основі карбіду кремнію є крихким матеріалом із невисокою міцністю. Крім цього, наявність в проміжках між алмазними частинками поряд з карбідом кремнію значної кількості кристалічного кремнію, який при зниженні температури після спікання збільшує свій об'єм, приводить до виникнення значних залишкових напруг в утвореному матеріалі та формування мікротріщин в зернах карбіду кремнію і алмазу. В основу винаходу покладено задачу такого вдосконалення композиційного матеріалу на основі алмазу, при якому завдяки вибору нового складу компонентів просочуючого шару та їх співвідношення забезпечується зменшення дисперсності карбіду кремнію, утвореного при взаємодії кремнію з алмазними частинками, зменшення кількості кристалічного кремнію в алмазному шарі та зменшення кількості мікротріщин в алмазних зернах та зернах карбіду кремнію, і, як наслідок такої структури, - підвищення міцності матеріалу. Задача вирішується тим, що в способі одержання композиційного матеріалу з алмазу та карбіду кремнію, який включає формування алмазної маси та просочуючого шар у, який містить, принаймні, кремній в кількості, достатній для просочування алмазної маси, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достат порошок кремнію 40-60 порошок графіту 25-35 нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію 15-25 (19) UA (11) 34174 (13) A 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в якості порошку графіту використовують природний лускоподібний графіт. 34174 ньої для плавлення кремнію, і видержці при цій температурі, згідно винаходу використовують просочуючий шар, в який додатково вводять порошок графіту, нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію, при цьому співвідношення компонентів просочуючого шару складає, мас. %: порошок кремнію 40-60 нанопорошок алмазу і/або нанопорошок карбіду кремнію 15-25 порошок графіту ся дрібнодисперсні кластери карбіду кремнію, які разом з рідиною потрапляють в міжзеренні проміжки в алмазному полікристалі і сприяють утворенню там дрібнодисперсного карбіду кремнію. У відповідності із співвідношенням Холла-Петча, це викликає збільшення границі текучості, а, значить, і міцності матеріалу. Межі вмісту порошків кремнію, графіту та нанопорошків алмазу й карбіду кремнію у просочуючому шарі визначено експериментально, виходячи з основної задачі - підвищення міцності композиційного матеріалу. Нижній вміст кремнію (і, відповідно, верхній вміст графіту) в просочуючому шарі обмежено умовою створення достатньої кількості карбіду кремнію в міжалмазних проміжках композиційного матеріалу, що забезпечує його достатню міцність за рахунок зв'язку алмаз - карбід кремнію - алмаз. Верхній вміст кремнію (і, відповідно, нижній вміст графіту), в просочуючому шарі обмежено умовою відсутності значних залишкових напруг в утвореному матеріалі внаслідок аномальної залежності об'єму кристалічного кремнію від температури, що призводить до утворення мікротріщин в зернах алмазу та карбіду кремнію і зниження міцності матеріалу. Нижній вміст нанопорошку алмазу і/або нанопорошку карбіду кремнію в просочуючому шарі обмежено умовою формування в міжалмазних проміжках композиційного матеріалу достатньої кількості карбіду кремнію з дрібнодисперсною зеренною структурою. Верхній вміст нанопорошку алмазу і/або нанопорошку карбіду кремнію в просочуючому шарі пов'язаний із погіршенням просочування за рахунок виділення при високих температурах значної кількості газів, сорбованих на повітрі розвиненою поверхнею нанопорошків алмазу чи карбіду кремнію, і недостатньою кількістю кремнію, який їх зв'язує, утворюючи оксид та нітрид кремнію. В заявлених межах можна використовувати графіт відомих марок, наприклад, С-3, МГ ОСЧ, тощо. Проте використання лускоподібного графіту марки ГСМ має технологічну перевагу, яка полягає в тому, що формування просочуючого шару можна проводити способом пресування, тоді як при використанні графітів інших марок спресувати диски з вищевказаної суміші не вдається. Приклади конкретної реалізації винаходу наведено у таблиці 1. Приклад 1. Для виготовлення зразків композиційного матеріалу на основі алмазу діаметром 2 мм, висотою 2 мм провели формування алмазної маси таким чином. З лускоподібного графіту пресували тигель діаметром 18 мм, висотою 3,2 мм із циліндричними гніздами діаметром 2,2 мм і висотою 2,2 мм. В циліндричні гнізда графітового тиглю засипали алмазний порошок АСМ 40/28. Для формування просочуючого шару приготували суміш, яка містить 50 мас. % порошку кремнію з розміром частинок менше 100 мкм, 30 мас. % лускоподібного графіту та 20 мас. % алмазного нанопорошку з розміром частинок 0,002-0,01 мкм. Суміш засипали в кульовий млин і проводили змішування протягом 30 хвилин. Після цього із суміші пресували диски діаметром 18 мм, висотою 1 мм. Таким диском 25-35 В якості порошку графіту використовують природний лускоподібний графіт. Причинно - наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється, і технічними результатами, що досягаються при її реалізації, полягає у наступному. Формування структури полікристалічних матеріалів на основі алмазу, для яких характерним є наявність неперервного каркасу з алмазних частинок, пов'язана, в першу чергу, з формуванням зв'язку алмаз - алмаз. Основна роль у цьому процесі належить пластичній деформації алмазних частинок під дією високих тиску та температури. При цьому формування міжалмазних границь визначається, головним чином, розвитком процесів масопереносу в місцях взаємного мікроіндентування зерен. Під час і після просочування алмазного каркасу кремнієм, що проникає в міжзеренні проміжки з просочуючого шару, який виконує в даному випадку роль технологічного середовища, відбувається взаємодія в системі алмаз - кремній, що приводить до формування в міжалмазних проміжках карбіду кремнію. Утворення додаткового зв'язку алмаз - карбід кремнію - алмаз, безперечно, збільшує загальну міцність композиційного матеріалу. В той же час, в утвореному матеріалі, як правило, наявний кристалічний кремній, що не прореагував з алмазом. З одного боку, внаслідок аномальної залежності об'єму від температури, кремній протидіє падінню тиску при зменшенні температури. В той же час при його надмірній кількості в міжзеренних проміжках він служить джерелом значних внутрішніх напруг в утвореному композиційному матеріалі на основі алмазу. Це призводить до виникнення мікротріщин в алмазних зернах та зернах карбіду кремнію. Введення графіту у просочуючий шар сприяє тому, що утворення карбіду кремнію починається у просочуючому шарі, і в міжалмазні проміжки потрапляє рідина Si-SiC. Це зменшує кількість кристалічного кремнію в матеріалі. Проте утворений карбід кремнію має крупнодисперсну зеренну структур у. За даними електронної мікроскопії, розмір зерен при цьому складає 0,1-3 мкм. Для зменшення дисперсності карбіду кремнію у просочуючий шар вводять нанопорошок алмазу (розмір зерен 0,002 0,01 мкм) або нанопорошок карбіду кремнію чи їх суміш. Нанопорошки - це ультрадисперсні порошки з розмірами частинок 0,1-0,001 мкм (див. Шведков Е.Л., Денисенко 3.Т., Ковенский Й.Й. Словарь справочник по порошковой металлургии. - Киев: Наукова думка, 1982. - 272 с.). Внаслідок взаємодії нанопорошку з кремнієм в рідині Si-SiC утворюєть 2 34174 закривали гнізда тиглю, в яких була розміщена алмазна маса, і розміщували їх у комірці високого тиску. Спікання виконували в апараті високого тиску типу тороїд протягом 90 с при тиску 8 ГПа, температурі 1400°С (температура плавлення кремнію за таких умов складає 1100°С). Отримано зразки композиційного матеріалу на основі алмазу діаметром 2 мм, висотою 2 мм. Після спікання була проведена хімічна обробка спечених зразків для очищення їхньої поверхні від залишків графіту. На розривній машині зусиллям до 10 кН були проведені випробування міцності одержаних зразків у кількості 20 шт. при одно осному статичному стику. Довірчий інтервал величини міцності при довірчій імовірності 0,95 не перевищував 0,2 ГПа. Результати випробувань наведені в таблиці. Як видно з таблиці, використання винаходу, що заявляється, - способу одержання композиційного матеріалу на основі алмазу - дає можливість підвищити міцність матеріалу в 1,3 рази в порівнянні з прототипом. Приклади 1-5 (див. Таблицю), наведені для тих випадків, які стосуються заявлених ознак. Приклади 6-9 - за межами заявлених ознак. Приклад 10 - відтворення композиційного матеріалу за прототипом. Склад просочуючого шару (мас. %) Об'єкт випробувань № Нанопорошок карбіду кремнію Міцність (ГПа) 50 40 30 35 20 25 2,2 2,1 3 60 25 15 2,1 4 50 30 20 2,2 5 6 50 35 30 45 10 20 10 2,2 1,5 7 65 15 20 1,6 8 50 20 30 1,5 9 *Спосіб за Європейським патентом № 0116403 Графіт 1 2 60 30 10 1,5 10 Спосіб за винаходом, що заявляється Кремній Нанопорошок алмазу 100 1,7 *) При виготовленні композиційного матеріалу, згідно прототипу, між алмазним порошком і просочуючим шаром додатково розміщувався шар із нікелю. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3