Способ обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов
METHOD OF TREATING DIAMOND CRYSTALS AND DIAMOND MATERIALS

Изобретение относится к технологии обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов с целью дальнейшего их использования в различных отраслях промышленности: размерная обработка алмазных кристаллов и алмазных материалов, получение сложных профилей, получение углублений, гравировка, шлифовка и полировка, заточка тонких алмазных лезвий и т.п.
Алмазными кристаллами и алмазными материалами являются природные кристаллы алмаза, синтетические алмазы, полученные с использованием технологии высоких давлений и температур, синтезированные поликристаллы, поликристаллические алмазные спеки, алмазные пленки, полученные методом CVD и другие аналогичные материалы.
Известен способ обработки кристаллов алмазов путем контактирования кристалла с инструментом-шаблоном, выполненным из твердого металлического материала, способного в атмосфере кислорода при повышенных температурах растворять алмаз (ФРГ 1013540, С04В 41/53, 1958 г.).
Известен способ селективного удаления алмазного материала с поверхности поликристаллической алмазной пленки, полученной методом CVD, заключающийся в удерживании нагретого металлического шаблона, содержащего металл, выбранный из группы редкоземельных металлов (Се, La), марганца и железа, в контакте с алмазной пленкой в течение до 1000 час для получения на поверхности пленки выпуклостей или вогнутостей (линзы Френеля). Обработку ведут в среде аргона, гелия, азота, водорода (ЕР №0618043, B24D 3/00, 1994 г.).
Недостатки известных способов заключаются в длительности проведения процесса обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, низкой чистоте обработанной поверхности, в необходимости постоянного контроля за течением процесса обработки, в необходимости частой смены инструмента-шаблона в связи его быстрого насыщения углеродом и невозможностью дальнейшего его использования.
Известен способ обработки алмазных кристаллов путем контактирования с инструментом-шаблоном, выполненным из материала, реагирующего с углеродом алмаза при температуре выше 600°С (SU №1828627, B24D 5/00, 1990 г.). Алмаз предварительно ориентируют с учетом его кристаллографии и обработку проводят в плоскости и в направлении, совпадающем с плоскостью и направлением ориентации кристалла. Недостаток способа заключается в том, что он не может быть применен к алмазным материалам, содержащим связанные друг с другом кристаллы алмаза, которые в алмазном материале имеют различную кристаллографическую ориентацию.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ термохимической обработки алмазных кристаллов, заключающийся в том, что алмаз вводят в контакт с металлическим инструментом-шаблоном, нагретым до температуры выше 600°С в среде водорода. В этих условиях атомы углерода начинают растворяться в нагретом металле, насыщая его поверхностный слой. Растворенный углерод, взаимодействуя с водородом образует газ-метан, покидающий зону обработки (RU №852586, B28D 5/00, 1975 г.). Обработка осуществляется с использованием термохимической установки, внутрь которой подают газообразный водород для создания газообразной среды и поступления водорода в зону обработки. Известный способ позволяет обеспечивать непрерывное удаление растворенного углерода из металла инструмента-шаблона, создавая условия для получения на алмазных кристаллах профилей без необходимости периодической замены инструмента-шаблона и постоянного контроля над процессом.
Одним из основных условий протекания процесса химико-термической обработки кристаллов алмаза, алмазных материалов является бесперебойная подача водорода в зону обработки. Однако практическое использование газообразного водорода наталкивается на ряд существенных трудностей, обусловленных в первую очередь повышенной взрывоопасностью. Проблемы безопасности водородной технологии связаны с образованием гремучего газа с высокой текучестью и проникающей способностью водорода. Все это требует тщательного соблюдения требований техники безопасности при работе с водородом. Необходима тщательная проверка технологического оборудования на герметичность и другие параметры.
Технической задачей является разработка способа обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, имеющего пониженный уровень опасности при использовании в технологическом процессе газообразного водорода.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, путем контактирования в присутствии водорода с металлическим инструментом-шаблоном, способным при нагревании растворять алмаз с образованием углерода, предварительно металлический инструмент-шаблон насыщают водородом для компактного и безопасного его хранение в инструменте-шаблоне и выделения в зоне обработки с образованием с углеродом газообразного соединения - метана, при этом обработку ведут в защитной атмосфере при температуре растворения углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделения водорода из инструмента-шаблона.
Обработку алмазных кристаллов и алмазных материалов проводят при температуре 600-1200°С.
Инструмент-шаблон выполняют из следующих металлических материалов: никель, сплавы никеля с железом, ванадием, цирконием и титаном.
Инструмент-шаблон может иметь пористость до 20 об.%.
При обработке неподвижным инструментом-шаблоном нагрев до температуры, обеспечивающей растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделение из него водорода с образованием газообразного соединения с углеродом - метана - осуществляют нагревательными средствами.
При обработке подвижным инструментом-шаблоном и/или алмазным кристаллом и алмазным материалом получение температуры в зоне обработки, обеспечивающей растворение углерода алмазного кристалла и алмазного материала в материале шаблона и выделение водорода с образованием газообразного соединения с углеродом - метана, осуществляют за счет трения, возникающего при взаимодействии инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Известно, что металлы способны адсорбировать и растворять в себе большое количество водорода, например, в форме твердых растворов и гидридометаллов, и хранить его в химически связанном состоянии, являясь источником чистого водорода.
Для осуществления обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов металлический инструмент-шаблон предварительно подвергают наводораживанию, т.е. получают металлический инструмент-шаблон, у которого, по крайней мере, рабочий слой, контактирующий с обрабатываемым материалом, представляет собой, твердый раствор водорода в металле инструмента-шаблона или химическое соединение в виде металлогидридов. При нагревании до температуры свыше 600°С атомы углерода алмаза растворяются в нагретом металле инструмента-шаблона, насыщая его поверхностный слой. Одновременно выделяется водород из металлогидрида или твердого раствора, вступая во взаимодействие с алмазным углеродом инструмента-шаблона с образованием газообразного соединения - метана, который способствует удалению растворенного углерода из зоны обработки и не дает пересытить материал шаблона по углероду, т.е. остановить процесс обработки.
Способ осуществляется следующим образом.
Готовят металлический инструмент-шаблон из металлов, сплавов или интерметаллических соединений, способных при нагревании растворять алмаз с образованием алмазного углерода. В то же время эти материалы должны адсорбировать и растворять в себе достаточное количество водорода с образованием твердых растворов или металлогидридов. В качестве таких металлических материалов могут быть использованы металлы, сплавы металлов или интерметаллические соединения, такие как никель, сплавы никеля с железом, ванадием, цирконием и титаном. Никель является предпочтительным металлом поскольку он является эффективным катализатором для диссоциации водорода. Кроме того, он обладает достаточной водородоемкостью и приемлемыми для процесса термодинамическими свойствами металл-водород, которые определяют температуры, энергозатраты, давление водорода, необходимые для реализации процессов поглощения/выделения водорода. Металлы: железо, ванадий, цирконий и титан образуют с никелем сплавы или интерметаллические соединения с требуемыми химико-физико-механическими свойствами, не снижая водородоемкость инструмента-шаблона.
Инструмент-шаблон может представлять собой кусочек проволоки, металлический брусочек, металлический лист, фольгу и др. определенной формы и размера. Кристалл алмаза и алмазного материала помещают в реактор, устанавливают на нем инструмент-шаблон наводороженной поверхностью в контакте с обрабатываемым материалом при небольшой нагрузке. Внутри реактора создают защитную атмосферу и осуществляют нагрев до требуемой температуры, обеспечивающей растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона. Образующийся при обработке метан через поры, щели, зазоры и т.п. удаляется из зоны обработки.
Инструмент-шаблон может иметь пористость до 20 об.%.
Высокопористый инструмент-шаблон, обеспечивая большое поглощение водорода за счет более развитой поверхности, может содержать большое количество водорода в виде его соединения с металлом, обеспечивать удаление метана из зоны обработки через поры. Таким инструментом-шаблоном можно получать в алмазном кристалле и алмазном материале глубокие отверстия, углубления и т.п. при достаточно длительном его использовании. Такой инструмент может быть получен, например, методом порошковой металлургии. При пористости свыше 20 об.% прессованный инструмент-шаблон будет иметь низкие физико-механические свойства. На операциях, при которых необходимо получить небольшие фасонные, но достаточно большие по площади углубления, например, при гравировании и т.п., целесообразно использовать тонкие пластины, способы изготовления которых, как правило, обеспечивают достаточно низкую пористость. В этих случаях количества водорода будет достаточно для проведения процесса обработки, а образующийся метан будет удаляться с поверхности тонкой пластины.
Оптимальная температура обработки составляет 600-1200°С. При более низкой, чем 600°С температуре процессы растворения углерода и выделения водорода могут протекать достаточно длительное время, нагревать алмаз до более высокой чем 1200°С температуры нет необходимости, т.к. не будет существенных качественных и экономических преимуществ.
При обработке алмазных кристаллов и алмазных материалов неподвижным инструментом-шаблоном нагрев осуществляют любыми нагревательными средствами, такими как печи, лампы накаливания, лазерным лучем и т.п. Неподвижным инструментом-шаблоном на поверхности алмазных кристаллов и алмазных материалов получают рельеф или фасонный контур, соответствующие инструменту-шаблону, например, при выполнении фасонных углублений, гравировке и т.п.
2
При обработке подвижным инструментом-шаблоном и/или алмазным кристаллом и алмазным материалом получение температуры в зоне обработки, обеспечивающей растворение углерода алмаза алмазного кристалла и алмазного материала и выделение водорода из материала шаблона, осуществляют за счет трения, возникающего при взаимодействии инструмента-шаблона и алмазного кристалла, алмазного материала. Подвижным инструментом-шаблоном производят, например, резку, шлифовку, полировку и т.п. При перемещении инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала друг относительно друга взаимное трение вызывает нагрев трущихся поверхностей, при этом в зоне обработки температура достигает величин, обеспечивающих растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона. Режимы обработки - скорость движения, усилие прижатия, обеспечивающие необходимую температуру в зоне обработки, могут быть определены экспериментально. Например, необходимую температуру при резке можно получить при относительном перемещении инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала со скоростью 25-35 м/сек с усилием прижатия друг к другу 1-2 кг/мм.
Внедрение водорода в металлические материалы можно осуществлять различными способами, в частности, с помощью электрохимических процессов при катодном выделении водорода при разложении воды, электролитов. Некоторые металлические материалы обладают способностью поглощать при катодной поляризации в водных растворах значительное количество водорода, при этом возможны два пути включения водорода в инструмент-шаблон: адсорбция атомарного водорода, когда атомы водорода либо занимают узлы кристаллической решетки металла, либо располагаются между ними, образуя твердый раствор внедрения; образование гидридов с металлом инструмента-шаблона, распадающихся затем с выделением водорода
Возможно наводораживание инструмента-шаблона производить прямым взаимодействием гидридообразующего металла с газообразным водородом. В этом случае наводораживание желательно проводить в специально-приспособленных помещениях и использовать спецоборудование.
Таким образом, важным преимуществом предложенного способа обработки алмазов и алмазных материалов является его высокая безопасность. Наводораживание инструмента-шаблона можно производить многократно, инструмент-шаблон может безопасно хранится длительное время при комнатной температуре. Выделение водорода возможно только при повышенных температурах в количествах, не образующих гремучего газа. Также следует учесть, что использование наводороженного инструмента значительно уменьшает расход водорода, который обычно используется в больших количествах при известных способах обработки в водородной среде.