Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу

1 Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі алмазу, який включає формування алмазної маси з порошку алмазу та просочуючого шару з суміші порошків кремнію, графіту і нанопорошку алмазу, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достатньої для плавлення кремнію, і витримку при цій температурі, який відрізняється тим, що перед формуванням алмазної маси порошок алмазу Корисна модель стосується області одержання керамічних матеріалів, а саме способів одержання композиційних матеріалів на основі алмазу і може бути використана 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 патент України № 34174 А, М кл 6 С22С 26/00 Опубл 15 02 2001 Бюл № 1 ], який включає формування алмазної маси з порошку алмазу та просочуючого шару з суміші порошків кремнію, графіту і нанопорошку алмазу, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достатньої для плавлення кремнію, і витримці при цій температурі Одержаний виріб складається з алмазних частинок (80 - 90 % від загального об'єму виробу), карбіду кремнію (біля 9-19%), який утворився піддають термохімічній обробці шляхом його нагрівання в середовищі аргону до температури 800-900°С, витримці при цій температурі впродовж 20-300 с, охолодженні до кімнатної температури, подальшій ПОСЛІДОВНІЙ обробці в суміші хромової та сірчаної кислот, суміші їдкого натру та пероксиду водню, відмиванні в проточній воді та висушуванні 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що як порошок алмазу використовують синтетичні алмазні мікропорошки з розміром частинок від 10 до 60 мкм 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що в суміші хромової та сірчаної кислот концентрація хромової кислоти складає 40 - 50 % за об'ємом 4 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що в суміші їдкого натру та пероксиду водню концентрація пероксиду водню складає 10 - 2 0 % за об'ємом 5 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що послідовну обробку в суміші хромової та сірчаної кислот, суміші їдкого натру та пероксиду водню проводять при температурі 80-90°С внаслідок взаємої кремнію з вуглецевими компонентами, і кристалічного кремнію (біля 1%) Алмазні частинки контактують, утворюючи просторову сітку Крім перелічених компонент до складу виробу входять метали групи заліза (в основному, нікель і марганець), які містяться в вихідному алмазному порошку як домішки Недоліком отриманого за прототипом композиційного матеріалу є його недостатня термостабільність, пов'язана з взаємодією при температурах вище 700°С металів групи заліза і алмазу, яка сприяє утворенню нестійких карбідів та перекристалізації алмазу в неалмазний карбон Вказаний матеріал зберігає високий рівень експлуатаційних властивостей при температурах до 1200°С При більш високих температурах вказані процеси охоплюють значну частину алмазних зерен, із-за чого відбувається помітна деградація матеріалу ю о CM 7205 В основу корисної моделі покладено завдання такого вдосконалення композиційного матеріалу на основі алмазу, при якому завдяки проведенню і вибору режимів термохімічного очищення алмазного порошку в ньому забезпечується зменшення вмісту домішок і, як наслідок, такого складу основного компонента матеріалу, - підвищення його термостабільності і МІЦНОСТІ Завдання вирішується тим, що в способі одержання композиційного матеріалу з алмазу та карбіду кремнію, який включає формування алмазної маси з порошку алмазу та просочуючого шару з суміші порошків кремнію, графіту і нанопорошку алмазу, нагрівання цієї системи при тиску не менше 2,5 ГПа до температури, достатньої для плавлення кремнію, і витримці при цій температурі згідно корисної моделі перед формуванням алмазної маси порошок алмазу піддають термохімічній обробці шляхом його нагрівання в середовищі аргону до температури 800-900°С, витримці при цій температурі впродовж 20-300с, охолодженні до кімнатної температури, подальшій ПОСЛІДОВНІЙ обробці в суміші хромової та сірчаної кислот, суміші їдкого натру та пероксиду водню при температурі 80-90°С, відмиванні в проточній воді та висушуванні, при найкращому варіанті виконання корисної моделі як порошок алмазу використовують синтетичні алмазні мікропорошки з розміром частинок від 10 до бОмкм, в суміші хромової та сірчаної кислот концентрація хромової кислоти складає 40-50% за об'ємом, в суміші їдкого натру та пероксиду водню концентрація пероксиду водню складає 10-20% за об'ємом Причинно - наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється, і технічними результатами, що досягаються при м реалізації, полягає у наступному Формування структури полікристалічних матеріалів на основі алмазу, для яких характерним є наявність неперервного каркасу з алмазних частинок, пов'язане, 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, збільшує загальну МІЦНІСТЬ КОМПОЗИЦІЙНОГО матеріалу 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 При введенні в просочуючий шар алмазного нанопорошку внаслідок його взаємодії з кремнієм в рідині Si - S I C утворюються дрібнодисперсні кластери карбіду кремнію, які разом з рідиною потрапляють в міжзеренні проміжки в алмазному композиті і сприяють утворенню там дрібнодисперсного карбіду кремнію Проте крім вказаних компонентів в склад композиту входять метали групи заліза (в основному, нікель і марганець), які містяться в вихідному алмазному порошку як домішки Відомо, ЩО ІЗ збільшенням в кристалах алмазних шліфпорошків КІЛЬКОСТІ домішок металічних розчинників, які використовуються для синтезу алмазу, зменшується МІЦНІСТЬ кристалів після нагрівання і температура, до якої рівень експлуатаційних властивостей кристалів залишається незмінним Це відбувається за рахунок утворення під час взаємодії алмазу з металічними домішками нестійких карбідів (в основному, карбідів марганцю) та перекристалізації алмазу в графіт Подібні процеси з алмазними зернами відбуваються і при нагріванні за нормальних умов композиту, спеченого при високих тиску і температурі Тому для спікання необхідно використовувати порошки спеціально оброблені для зменшення в об'ємі їхніх частинок включень металів Оскільки такі включення недоступні для обробки ХІМІЧНИМИ реагентами і їхніми сумішами, необхідні методи, що забезпечують доступ реагентів до місць розташування таких включень Для цього проводили термообробку алмазних порошків в атмосфері аргону Це створює умови для видалення внутрішньокристалічних домішок В алмазних частинках, особливо дефектних, утворюються нові мікротріщини і розширюються вже наявні за рахунок збільшення об'єму включень порівняно з алмазом із-за різниці коефіцієнтів термічного розширення, завдяки чому відбувається дифузія рухливих домішок, наприклад евтектичних сплавів, до поверхні кристала, що полегшує їхнє наступне розчинення в мінеральних кислотах Крім того, поліпшуються умови для проникнення рідких ХІМІЧНИХ реагентів до тих домішок, що знаходяться всередині кристала Після охолодження порошки обробляли сумішшю хромової та сірчаної кислот при 80-90°С для видалення всіх металевих домішок і переведення їх у легкорозчинні солі Після ЦЬОГО ШЛЯХОМ обробки при 80-90°С в суміші їдкого натру і пероксиду водню видаляли неалмазний вуглець Процес термохімічного очищення алмазних мікропорошків закінчували їхнім ретельним промиванням в проточній воді і сушінням Після ЦЬОГО використовували порошки як основний компонент для спікання композиту алмаз- карбід кремнію в апараті високого тиску Температурні та часові інтервали термохімічної обробки визначено експериментальне, виходячи з основної задачі - підвищення термостабільності композиційного матеріалу Нижню межу температури та тривалості термообробки в аргоні обмежено умовою видалення достатньої КІЛЬКОСТІ металевих домішок з об'єму частинок алмазних порошків Верхню межу температури та тривалості термообробки в аргоні обмежено умовою запобігання графітизації основної маси алмазного порошку При найкращому варіанті виконання корисної моделі як порошок алмазу використовують найбільш доступні за ціною синтетичні алмазні мікро порошки з розміром частинок від 10 до 7205 бОмкм , для скорочення часу хімічної обробки в суміші хромової та сірчаної кислот концентрації хромової кислоти складає 40 - 50% за об'ємом, в суміші їдкого натру та пероксиду водню концентрація пероксиду водню складає 10 -20% за об'ємом, послідовну обробку в суміші хромової та сірчаної кислот, суміші їдкого натру та пероксиду водню проводять при температурі 80 - 90°С Приклади конкретної реалізації корисної моделі наведено у таблиці (додається) Приклад 1 Для виготовлення зразків композиційного матеріалу на основі алмазу діаметром 2 мм, висотою 2 мм перед формуванням алмазної маси провели термохімічну обробку алмазного порошку АСМ 40/28 таким чином Наважку порошку масою 100г в печі СНВЛ в атмосфері аргону нагріли до температури 850°С, витримали впродовж 240с, охолодили до кімнатної температури Далі для видалення металевих домішок з порошку провели його обробку в суміші хромової та сірчаної кислот при температурі 90°С, концентрація хромової кислоти в суміші складала 50 % за об'ємом Потім для очищення порошку від неалмазного карбону при температурі 90°С провели його обробку в суміші їдкого натру та пероксиду водню, концентрація пероксиду водню в суміші складала 20% за об'ємом Після ЦЬОГО промили порошок в проточній воді і висушили Для спікання зразків композиційного матеріалу в апараті високого тиску провели формування алмазної маси таким чином 3 лускоподібного графіту пресували тигель діаметром 18мм, висотою 3,2мм із циліндричними гніздами діаметром 2,2мм і висотою 2,2мм В циліндричні гнізда графітового тиглю засипали оброблений вищеописаним способом алмазний порошок АСМ 40/28 Для формування просочуючого шару приготували суміш, яка містить 50 мас Об'єкт випробувань № Спосіб за корисною моделлю 1 2 3 4 5 6 7 Спосіб за патентом України № 34174 А % порошку кремнію з розміром частинок менше ЮОмкм, ЗО 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 ЗО хвилин Після ЦЬОГО ІЗ суміші пресували диски діаметром 18мм, висотою 1мм Таким диском 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 2мм, висотою 2мм Після спікання була проведена хімічна обробка спечених зразків для очищення їхньої поверхні від залишків графіту Далі провели нагрівання зразків в атмосфері аргону до 1300°С з швидкістю 130 град/хв, впродовж 7хв витримали їх при цій температурі, далі охолодили до кімнатної температури На розривній машині зусиллям до ЮкН були проведені випробування МІЦНОСТІ одержаних зразків у КІЛЬКОСТІ 20 шт при одноосному статичному стику Довірчий інтервал величини МІЦНОСТІ при довірчій імовірності 0,95 не перевищував 0,2ГПа Результати випробувань наведені в таблиці Як видно з таблиці, використання корисної моделі, що заявляється, -способу одержання композиційного матеріалу на основі алмазу дає можливість підвищити МІЦНІСТЬ матеріалу після нагрівання до температури 1300°С в 1,4 рази в порівнянні з прототипом Приклади 1-3 див таблицю (додається), наведено для тих випадків, які стосуються заявлених ознак Приклади 4-7 - за межами заявлених ознак Приклад 8 - відтворення композиційного матеріалу за прототипом Додаток Таблиця Температура обробки Тривалість обробки алалмазного порошку в ар- мазного порошку в аргоні (°С) гоні (с) 850 240 900 300 800 20 700 240 1000 240 850 10 850 400 8 Комп'ютерна верстка М Клюкін МІЦНІСТЬ 1,8 1,8 1,7 1,3 1,2 1,3 1,3 1,3 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, УкраГна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601 (ГПа)