СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗНОГО МАТЕРИАЛА С ОТВЕРСТИЕМ
METHOD OF PRODUCING POLYCRYSTALLINE DIAMOND MATERIAL WITH A HOLE

Изобретение относится к способу получения поликристаллического алмазного материала с отверстием, проходящим в осевом направлении, который может служить заготовкой для изготовления волочильного инструмента.
При эксплуатации волоки поверхность, волочильного канала подвергается воздействию высоких контактных давлений протягиваемой проволокой. Поэтому волочильные инструменты должны иметь достаточную прочность, чтобы избежать разрушения, высокую износостойкость, и иметь рабочую поверхность, обеспечивающую необходимые условия для волочения. Природные или синтетические монокристаллы алмаза обладают такими свойствами и являются превосходным материалом для волочения проволоки. Однако монокристаллические алмазы являются дорогостоящими, хрупки, склоны к раскалыванию, имеют анизотропию твердости, что усложняет их обработку, а также имеют ограниченные размеры, сужая область их применения.
Недостатков алмазных монокристаллов лишены поликристаллические алмазные материалы. Волоки из поликристаллических алмазных материалов (алмазных поликристаллов) применяются для волочения проволоки из всех видов цветных металлов, а также для волочения проволоки из нержавеющей стали, и других материалов. Важное преимущество алмазных поликристаллов состоит в том, что они имеют большой размер, длительный срок службы, возможность повторных обработок и соответственно могут иметь более широкую область применения.
Поликристаллический алмазный материал для волок изготавливают в камере высоких давлений и температур (КВД) воздействием высокого давления и температуры в области термодинамической стабильности алмаза на углеродосодержащий материал в присутствии металла-катализатора. Отверстие в материале получают при синтезе путем установки в реакционной ячейке КВД металлических элементов, которые в процессе синтеза либо после синтеза поликристалла удаляются, образуя отверстие.
В соответствии с патентом GB 1000702 кл. С01В 31/06, 1968 г. для изготовления алмазного поликристалла с отверстием внутри реакционной ячейки КВД, по центру размещают диски из металла-катализатора, а отверстие в алмазном поликристалле формируют с помощью катушки, проходящей сквозь диски, и свободное пространство ячейки заполняют углеродосо держащим материалом. После синтеза алмазного поликристалла катушку удаляют любым известным способом - механическим, химическим либо иным способом. Размещение в центре реакционной ячейки катушки, формирующей отверстие, уменьшает полезный реакционный объем, из-за чего поликристаллический алмазный материал получается маленького размера. Кроме того, с учетом того, что микротвердость на участках алмазного поликристалла, прилегающих к металлу-катализатору меньше, чем на более удаленных участках, выполнение металла-катализатора в виде центрально расположенных дисков приводит к существенному разупрочнению наиболее нагруженной части канала волоки.
В соответствии с патентом СА 638117, 1962 г. алмазный композиционный материал с отверстием получают в камере высокого давления и температуры из углеродосодержащего материала, внутри которого размещают проволоку из металла-катализатора. В результате получают алмазный поликристалл, в центре которого образована зона, которая после удаления остатков металла-катализатора может служить осевым отверстием. Недостаток способа состоит в том, что синтез алмаза протекает одновременно по всей длине проволоки. Поэтому рост алмазного поликристалла происходит в радиальном направлении, при этом структура алмазного поликристалла представляет собой лучистое строение, алмазные кристаллиты растут от катализатора к периферии, при этом область вблизи катализатора (рабочая зона инструмента) имеет повышенное содержание металлических включений и пониженные прочностные свойства.
Наиболее близким техническим решением является способ получения поликристаллического алмазного материала, при котором в реакционной ячейке камеры высокого давления размещают металл-катализатор на основе никеля, выполненный в виде вставки, и стержень, выполненный из молибдена. Стержень устанавливают так, что он проходит по оси реакционной ячейки и связан одним концом со вставкой из металла-катализатора, при этом зона контакта стержня и вставки размещена в реакционной ячейке в зоне максимальной температуры нагрева. Свободное пространство реакционной ячейки заполняют углеродосодержащим материалом, образующим оболочку вокруг вставки из металла-катализатора и стержня из молибдена. (А.И. Лаптев, А.А. Ермолаев, Учебное пособие, Алмазные поликристаллические материалы, Московский институт сталей и сплавов, М. изд. «Учеба», с. 21, 2008 г.). При воздействии на реакционную ячейку высоким давлением и температурой происходит плавление металла-катализатора и начальное образование алмазов из углеродосодержащего материала в зоне максимальной температуры нагрева в радиальном направлении. Дальнейшее проникновение расплава металла-катализатора в объем углеродосодержащего материала происходит еще и по поверхности молибденового стержня благодаря его смачиваемости расплавом, способствуя увеличению объема алмазообразования по высоте реакционной ячейки. Это связано с хорошей смачиваемостью молибдена расплавом металла-катализатора.
Недостаток способа состоит в том, что по мере подъема расплава металла-катализатора по стержню его температура несколько уменьшается, увеличивается вязкость расплава, размеры естественных протоков у поверхности стержня для металла-катализатора уменьшаются вплоть до полной их закупорки, и поступление металла-катализатора в зону углеродосодержащего материала, более удаленную от зоны максимальной температуры нагрева прекращается. В результате получают поликристаллический алмазный материал меньших размеров, чем можно было бы получить при поступлении металла-катализатора на полную высоту стержня.
Технической задачей изобретения является увеличение размеров поликристаллического алмазного материала, за счет создания при синтезе алмаза условий для поступления металла-катализатора в углеродосодержащий материал на большую высоту реакционной ячейки.
Техническая задача решается тем, что в способе получения поликристаллического алмазного материала с отверстием, включающем помещение в реакционную ячейку камеры высокого давления в зоне максимальной температуры нагрева вставки из металла-катализатора, установку в контакте со вставкой стержня, выполненного из металла с температурой плавления, превышающей температуру плавления металла-катализатора и смачиваемого металлом-катализатором, заполнение свободного пространства углеродосодержащим материалом, с образованием вокруг вставки и стержня оболочки со ступенчатым отверстием, в котором размещены вставка или ее часть и стержень, и воздействие на реакционную ячейку высоким давлением и температурой в области термодинамической стабильности алмаза, отверстие в оболочке углеродосодержащего материала в зоне реакционной ячейки, наиболее удаленной от вставки металла-катализатора, выполнено в виде раструба, при этом высота раструба составляет 0,3-0,5 высоты стержня, а максимальный диаметр раструба составляет 1,2-1,5 диаметра стержня.
Сущность изобретения заключается в том, что при расплавлении металла-катализатора происходит его проникновение в поры углеродосодержащего материала, которые служат естественными протоками, и образование алмаза вблизи зоны с максимальной температурой нагрева в радиальном и вертикальном направлениях. Стержень, материал которого хорошо смачивается металлом-катализатором, способствует подъему расплава вверх реакционной ячейки. По мере удаления от зоны с максимальной температурой нагрева несколько увеличивается вязкость расплава и протекание его верх по естественным протокам осложняется. Раструб отверстия в оболочке углеродосодержащего материала образует дополнительный более расширенный проток для перемещения расплава металла-катализатора, создавая условия для продолжения подъема уже более вязкого расплава металла- катализатора еще на некоторую высоту, и образования алмазов из углеродосодержащего материала в более удаленных от металла-катализатора зонах. В результате получается прочный, долговечный когерентный поликристаллический алмазный материал, заполняющий максимально возможную часть объема реакционной ячейки.
Способ получения поликристаллического алмазного материала поясняется фигурами.
На фиг. 1 показана реакционная ячейка, снаряженная для синтеза поликристаллического алмазного материала с отверстием.
На фиг. 2 показана оболочка из углеродосодержащего материала, в которой отверстие для размещения металлического стержня выполнено с раструбом.
Для осуществления способа снаряжают реакционную ячейка 1 камеры высокого давления. Реакционная ячейка включает графитовый нагреватель 2, электроизоляционный слой 3, образующие рабочую полость реакционной ячейки. Внутри электроизоляционного слоя по оси реакционной ячейки устанавливают вставку 4 из металла-катализатора. На торце вставки устанавливают металлический стержень 5. Стержень имеет диаметр, который необходим для образования отверстия в алмазном поликристалле. Стержень выполнен из металла с температурой плавления, превышающей температуру плавления металла-катализатора вставки 4 и смачиваемого металлом-катализатором. Металлический стержень 5 и вставку из металла-катализатора 4 в реакционной ячейке устанавливают так, чтобы поверхность контакта 6 вставки и стержня находилась в зоне максимальной температуры нагрева. В свободном пространстве реакционной ячейки размещают углеродосодержащий материал в виде оболочки 7, охватывающей вставку или часть вставки 4 из металла-катализатора и металлический стержень 5. Соответственно оболочка 7 из углеродосодержащего материала имеет ступенчатое отверстие. В отверстии большего диаметра 8 оболочки размещена вставка 4 из металла-катализатора, в отверстии меньшего диаметра 9 оболочки свободно установлен металлический стержень 5. Часть отверстия меньшего диаметра, наиболее удаленная от зоны контакта 6 вставки из металла-катализатора с металлическим стержнем выполнена в виде раструба 10, представляющего собой коническое расширение в сторону к верхней поверхности 11 оболочки 7 из углеродосодержащего материала. Высота раструба h отверстия 9 составляет 0,3-0,5 высоты Н металлического стержня. При этом высота металлического стержня определяется расстоянием от поверхности контакта 6 металлического стержня со вставкой из металла-катализатора до верхней поверхности 11 оболочки 7 углеродосодержащего материала в снаряженной реакционной ячейке в статическом состоянии. Максимальный диаметр раструба D составляет 1,2-1,5 диаметра металлического стержня d. После снаряжения камеры высокого давления производят повышение давления и нагрев до температуры плавления металла-катализатора. Нагрев реакционной ячейки осуществляют прямым пропусканием тока через углеродосодержащий материал. При нагреве начинается образование алмаза и длится до тех пор, пока расплав металла катализатора имеет возможность поступать в углеродосодержащий материал. Раструб расширяет проток для металла-катализатора и создает условия для подъема более вязкого металла-катализатора еще на некоторую высоту. Синтез поликристаллического алмазного материала происходит от нескольких секунд до нескольких минут, затем нагрев выключают, снижают давление до атмосферного и извлекают алмазный поликристалл.
Полученный поликристаллический алмазный материал обрабатывают любым известным способом для удаления материала стержня (высверливанием, вытравливанием, выплавлением, либо любым другим известным способом) и образования отверстия.
В качестве материала стержня берут металлы или его сплавы, имеющие температуру плавления более высокую, чем температура плавления металла-катализатора. Материал стержня должен иметь хорошие смачивающие металлом-катализатором свойства, не являться катализатором синтеза алмаза, иметь достаточную прочность при воздействии на шихту реакционной ячейки высокими давлениями и температурами. В качестве такого материала могут быть использованы металлы: молибден, ниобий, тантал, вольфрам, титан, либо сплавы этих металлов, удовлетворяющие вышеназванные условия.
Наиболее удаленная от зоны с максимальной температурой нагрева часть отверстия меньшего диаметра оболочки 7 из углеродосодержащего материала, в которой размещается стержень, выполнена в виде раструба 10, высота которого h составляет 0,3-0,5 высоты стержня Н. Максимальный диаметр раструба D составляет 1,2-1,5 диаметра d отверстия 9 под стержень. Выбранные размеры раструба позволяют увеличить подъем расплава металла-катализатора на максимально возможную высоту с учетом размеров реакционной ячейки.
В качестве углеродосодержащего материала могут быть использованы такие материалы, как аморфный углерод, графит, древесный уголь, антрацит и другие углеродсодержащие материалы, но предпочтительнее использовать чистый графит.
Понятие металл-катализатор, включает в себя как, по меньшей мере, один металл, так и сплавы металлов, соединения металлов в виде карбидов, которые могут способствовать каталитическому превращению углеродосодержащего материала в алмаз. В качестве металла-катализатора могут быть использованы электролитический никель; сплавы никеля с хромом; железо с хромом; никель, железо и хром; порошки твердого сплава и другие.
В зависимости от металла-катализатора алмазные поликристаллы синтезируют при давлении 6-12 ГПа при температуре плавления металла-катализатора. Обычно время синтеза составляет от нескольких секунд до нескольких минут.
Пример
Синтез поликристаллического алмазного материала проводили в КВД типа «тороид» с внутренним диаметром реакционной ячейки 7 мм и высотой Н=9 мм. Металлом-катализатором служил сплав на основе никеля электролитического. В качестве углеродосодержащего материала служила оболочка из графита марки МГОСЧ с отверстием для вставки диаметром 5 мм и отверстием для стержня 0,8 мм. Раструб отверстия для стержня имел максимальный диаметр D=1,2 мм, высоту h=3 мм. Металлический стержень имел диаметр d=0,8 мм. Реакционную ячейку нагружали давлением 8,0 ГПа, поднимали температуру до 2000К. Условия синтеза выдерживали в течение 15 сек. Полученный поликристаллический алмазный материал представлял собой цилиндр диаметром 4,5 мм и высотой 6,9 мм. В алмазном поликристалле высверливали отверстие для удаления стержня, затем шлифовали торцевые поверхности поликристалла; далее лазерной обработкой получали заготовку с отверстием с внешним диаметром 4,2 мм, высотой 4,5 и внутренним отверстием 1,0 мм. Такого размера заготовки достаточно для изготовления соплового и волочильного инструментов широкой номенклатуры типоразмеров.
В аналогичных условиях получали поликристаллический алмазный материал, но при этом отверстие в оболочке углеродосодержащего материала не имело раструба. Получали алмазный поликристаллический материал, высота которого составляла 3,2 мм. Такой материал может быть использован для изготовления волок или сопел ограниченных типоразмеров.
Как видно из примеров выполнение раструба в углеродосодержащем материале для создания условия подъема металла-катализатора по стержню на большую высоту реакционного объема позволило увеличить высоту поликристаллического алмазного материала на 40%.