УСТРОЙСТВО ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛМАЗА

Изобретение относится к обработке алмазов, а именно, к обработке на основе термохимических реакций в газовой среде при повышенной температуре.
Как известно, название «термохимическая обработка» алмазов произошло благодаря тому, что обработка алмазов протекает при повышенных температурах, а в основе его лежит использование химических свойств алмаза (1).
Сущность термохимической обработки состоит в том, что углерод алмаза при температуре 600°С-1200°С в присутствии металла переходной группы (железо, молибден и др.) вступает в реакцию с водородом. При этом металл выступает как катализатор. Он может быть расплавлен или находиться в твердом состоянии.
Конкретно обработка осуществляется следующим образом: алмаз приводят в контакт с металлом, способным растворять в себе углерод, а для того, чтобы процесс растворения или обработки шел непрерывно, его проводят в атмосфере газа, взаимодействующего с растворенным в металле углеродом, но не реагирующим непосредственно с алмазом.
Химическую сущность процесса термохимической обработки алмаза можно выразить следующими уравнениями реакций:
где С - алмаз или другое углеродное вещество;
met - металл-катализатор (в случае обработки алмаза тот самый металл, который обрабатывает алмаз).
То есть в основе термохимического способа обработки алмаза лежит процесс каталитического взаимодействия углерода (алмаза) с водородом (гидрогенолиз) или смесями водорода с водяным паром и углекислым газом.
Для выяснения механизма массопереноса углерода от гидрируемого вещества в процессах каталитического гидрогенолиза углерода (алмаза) были поставлены эксперименты, суть которых сводилась к следующему:
В металлическую капсулу, представляющую собой никелевую или железную фольгу, помещали алмаз или кусочек угля и определяли скорость каталитического гидрогенолиза при 1000°С. В указанных условиях можно предположить наличие двух потоков углерода от гидрируемого вещества. По одному из них (поток А) углерод растворяется в фольге, диффундирует сквозь нее и образует метан на ее внешней поверхности, контактирующей с газом. По второму пути (поток Б) углерод удаляется в виде метана с внутренней стороны фольги, контактирующей с углеродным веществом, не растворяясь при этом в металле (т.е. по механизму спилловера водорода). С целью выяснения какой из этих потоков является основным, опыты были поставлены таким образом, что на пути потока Б было помещено препятствие в виде стенок капсулы при ее запайке.
Результаты экспериментов показали, что запайка капсул практически не изменила скорость гидрогенолиза углеродных веществ. При этом как в открытых, так и в запаянных капсулах наблюдалось науглероживание металлической фольги в области контакта ее с углеродным материалом. В другой серии опытов был устранен поток углерода сквозь никелевую фольгу, этого достигали напайкой слоя меди на прилипшую к алмазу фольгу. Устранение диффузии углерода сквозь фольгу резко замедлило гидрогенолиз углеродных образцов.
В результате было показано, что основной поток углерода или массоперенос его от гидрируемого вещества идет сквозь фольгу в области контакта, т.е. через растворение углеродного вещества в металле.
Таким образом, был установлен механизм процесса, лежащего в основе термохимической обработки алмаза. Следует подчеркнуть, что размерность обработки алмаза достигается именно тем обстоятельством, что алмаз растворяется (обрабатывается) лишь в местах непосредственного контакта его с металлом.
Установлено, что алмазы, не содержащие включений, в нейтральной атмосфере или в вакууме можно без всякого для них вреда нагреть до 1850°С. И только выше этой температуры начнется их полиморфное превращение в графит. В некоторых случаях алмазы после нагрева становятся даже прочнее, так как под действием высокой температуры уменьшаются внутренние напряжения. Для обработки алмаза металлом такие высокие температуры не нужны, достаточно 600-1200°С в зависимости от поставленной задачи.
Использовать эффект растворения алмаза в металле для целей обработки мешало и то обстоятельство, что процесс этот из-за насыщения металла углеродом замедляется во времени. Без удаления углерода из металла скорость обработки будет падать до полного прекращения процесса, т.е. необходимо каким-либо образом удалять из металла растворившийся в нем углерод.
При растворении алмаза в металле происходит разрыв прочных ковалентных связей, которыми атомы углерода связаны между собой в кристаллической решетке алмаза. В твердом растворе внедрения углерод практически находится в атомарном состоянии, испытывая лишь слабое химическое взаимодействие с металлом-растворителем. Поэтому растворенный в металле углерод значительно более реакционноспособен, чем алмаз или уголь. При высокой температуре алмаз практически не взаимодействует с водородом или смесями водорода с водяным паром и углекислым газом. В то же время эти газовые среды хорошо реагируют с растворенным в металле углеродом с образованием газообразных продуктов (реакции 1-2), что и обеспечивает обезуглероживание металла или непрерывность обработки алмаза.
В ходе дальнейших исследований были установлены основные стадии каталитического гидрогенолиза алмаза, определены лимитирующие, выяснена роль металла-катализатора. Было показано, что каталитические функции металла заключаются как в активации газа, так и углеродного вещества. Было изучено влияние природы металла на скорость каталитического травления алмаза. Полученные результаты позволили определить условия проведения процессов термохимической обработки алмаза (состав газа, обрабатывающий металл, температура процесса и т.д.).
В результате термохимическая обработка алмаза получила наиболее успешное развитие в следующих трех направлениях:
термохимической гравировке;
термохимической шлифовке и полировке;
термохимической распиловке.
Заявленная полезная модель относится к устройству термохимической обработки алмаза.
Известно устройство термохимической обработки алмаза, включающее камеру со смонтированным внутри жестким телом, имеющим с одной стороны плоскую круглую поверхность, изготовленную из металла переходной группы, с возможностью вращения вокруг центральной вертикальной оси окружности круглой поверхности, нагреватель, средство для подачи в камеру газа, взаимодействующего с растворенным в металле углеродом, но не реагирующим непосредственно с алмазом, и кристаллодержатель алмаза, выполненный с возможностью перемещения вдоль продольной оси (1).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа заявленного изобретения, поскольку является наиболее близким к нему по совокупности общих существенных признаков и достигаемому техническому результату.
Обработка алмаза данным устройством осуществляется следующим образом:
4
Захватывают алмаз кристаллодержателем и внутри камеры прижимают к вращающейся плоской круглой поверхности, изготовленной из металла переходной группы, или, иначе говоря, к вращающемуся столику. При этом нагревают плоскую круглую поверхность (столик) до температуры 600°С-1000°С. По каналу подают водород в камеру. При температуре выше 600°С в атмосфере водорода в месте контакта металла переходной группы (содержащих железо, например, сталь; молибден) с алмазом происходит растворение углерода алмаза и в виде летучего соединения СH (метан) он удаляется из металла в атмосферу камеры (водород), а затем из камеры. Происходит постепенный последовательный «съем» слоев алмаза (обработка алмаза). Обрабатываемое алмазное изделие, например, пластина из алмаза, уменьшается по толщине (утоньшается).
При обработке столик вращается, чтобы не произошло насыщение газом металла и не остановилась реакция. Если столик стоит, то через некоторое время происходит насыщение газом металла и прекращается реакция углерода алмаза с водородом.
Недостаток известного устройства состоит в том, что оно позволяет обработать алмаз только под одним углом, причем параллельно столику или самой обрабатываемой плоскости, что удлиняет время обработки и усложняет процесс получения требуемой формы в результате обработки. Например, требуется прямоугольную пластину алмаза сделать острой с одной стороны. Для этого зажимают пластину в кристаллодержателе под углом к столику и надвигают пластину на столик. Постепенно уменьшают толщину алмаза указанным выше приемом до тех пор, пока не заострится пластина, то есть пока не дойдет обработка до ребра прямоугольной пластины. Только такая обработка возможна.
Данное устройство не позволяет одновременно обрабатывать две и больше плоскостей у пластины. Например, при помощи нее не возможно быстро получить сложную конфигурация, в частности, одновременно обрабатывать две пересекающиеся грани прямоугольника.
В прототипе для этого потребуется сначала обработать одну грань вышеизложенным приемом, потом вытащить алмаз из кристаллодержателя, перевернуть его, снова закрепить и провести обработку с другой стороны.
Это удлиняет время обработки (имеет место низкая скорость обработки), усложняет технологический процесс, ухудшает качество, так как сложно расположить второй раз кристалл под нужным углом относительно первоначального положения пластины или ее грани. Имеет место перерасход водорода, электроэнергии, воды для охлаждения устройства и других материалом и энергоносителей, идет износ амортизируемых материалов, электродвигателей и т.д.
Технической задачей полезной модели является расширение видов обработки за счет возможности одновременно обрабатывать более одной грани алмазной пластины, сокращение времени обработки, повышение точности обработки алмаза и экономия материалов, необходимых для проведения обработки.
Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство термохимической обработки алмаза включает камеру со смонтированным внутри жестким телом, имеющим с одной стороны плоскую круглую поверхность, изготовленную из металла переходной группы, с возможностью вращения вокруг центральной вертикальной оси окружности круглой поверхности, нагреватель, средство для подачи в камеру газа, взаимодействующего с растворенным в металле углеродом, но не реагирующим непосредственно с алмазом, и кристаллодержатель алмаза, выполненный с возможностью перемещения вдоль продольной оси, причем, согласно полезной модели, она характеризуется тем, что на жестком теле со стороны плоской круглой поверхности имеется, по меньшей мере, один выступ цилиндрообразной формы, расположенный коаксиально окружности круглой поверхности, а кристаллодержатель алмаза выполнен с возможностью поперечного перемещения на стадии обработки алмаза.
Данная совокупность общих существенных признаков необходима и достаточна при любой реализации полезной модели.
Технический результат полезной модели заключается в расширение видов обработки за счет возможности одновременно обрабатывать более одной грани алмазной пластины, сокращении времени обработки, повышении точности обработки алмаза и экономии материалов, необходимых для проведения обработки.
Кроме того, мы считаем необходимым выделить следующие развития и/или уточнения совокупности общих существенных признаков полезной модели, относящиеся к частным случаям выполнения или использования.
Они вызваны тем, что, вообще говоря, можно сконструировать множество различных вариантов конструкций устройств термохимической обработки алмаза с использованием заявленной полезной модели, причем во всех случаях сохранится сущность полезной модели. Заявитель сам разработал несколько ее модификаций. Ниже заявитель предлагает некоторые наиболее оптимальные модификации.
Обращенная в противоположную сторону от жесткого тела поверхность выступа цилиндрообразной формы может быть выполнена параллельной плоской круглой поверхности тела. Это удобно при обработке.
Жесткое тело может быть выполнено с двумя и большим числом выступов цилиндрообразной формы. Наличие двух целиндрообразных выступов позволяет одновременно обрабатывать протяженную деталь из алмаза в двух местах (см. далее описание). Каждый дополнительный целиндрообразный выступ позволяет одновременно обрабатывать протяженную деталь из алмаза в большем числе мест, в зависимости от числа выступов.
Поперечное перемещение для обработки алмаза может иметь различные виды: как непрерывное перемещение кристаллодержателя алмаза с захваченным алмазом на конце, так и может представлять собой возвратно-поступательное перемещение в диапазоне от 3 мм до 5 мм.
Желательно также, чтобы кристаллодержатель алмаза был бы выполнен с возможностью наложения на него дополнительных возвратно-поступательных вибраций относительно своей продольной оси. Данные перемещения не предназначены для обработки алмаза, а необходимы для повышения надежности предотвращения насыщения углеродом металла и прекращения процесса. При дополнительном вибрировании такой направленности происходит периодическое сообщение металла, расположенного непосредственно под алмазом с атмосферой в корпусе. При этом из металла происходит удаление углерода в результате контакта углерода в металле с водородом, находящимся в атмосфере корпуса.
Кроме того, предпочтительно, чтобы кристаллодержатель алмаза был бы выполнен с возможностью наложения на него дополнительных поперечных возвратно-поступательных вибраций. Как и в предыдущем случае, данные возвратно-поступательные вибрации не предназначены для обработки алмаза, а предназначены для повышения надежности предотвращения насыщения углеродом металла и прекращения процесса обработки алмаза. При дополнительном вибрировании такой направленности происходит периодическое сообщение металла, расположенного непосредственно под алмазом, с атмосферой в корпусе. При этом интенсифицируется процесс удаления из металла углерода в результате увеличения времени контакта углерода в металле с водородом, находящимся в атмосфере корпуса.
В качестве металла переходной группы могут быть использованы железо, сталь, молибден и т.д., а в качестве газа, взаимодействующего с растворенным в металле углеродом, но не реагирующим непосредственно с алмазом, могут быть использован водород, смесь водорода с водяным паром и углекислым газом и т.д.
Полезная модель поясняется на чертеже.
На фиг.1 схематично изображено устройство термохимической обработки алмаза, вид сбоку;
На фиг.2 изображен схематично вариант обработки алмаза жестким телом, выполненным с одним выступом цилиндрообразной формы, на этапе подвода кристаллодержателя с алмазом к жесткому телу;
На фиг.3 - то же, на этапе когда алмаз коснулся твердого тела;
На фиг.4 - то же, на этапе формирования жестким телом одной грани острия алмаза в результате перемещения кристаллодержателя вдоль продольной оси (конечный момент данного этапа);
На фиг.5 - то же, на этапе формирования жестким телом второй грани острия алмаза в результате поперечного перемещения кристаллодержателя (конечный момент данного этапа);
На фиг.6 схематично изображен вариант обработки алмаза жестким телом, выполненным с двумя выступами цилиндрообразной формы, на этапе подвода кристаллодержателя с алмазом к жесткому телу;
На фиг.7 - то же, на конечном этапе формирования жестким телом второй грани острия алмаза в результате поперечного перемещения кристаллодержателя относительно его продольной оси (конечный момент данного этапа).
Устройство 1 термохимической обработки алмаза включает камеру 2, внутри которой смонтировано жесткое тело 3, имеющее с одной стороны плоскую круглую поверхность 4, изготовленное из металла переходной группы (железо, например, входящая в сплав стали, молибден и т.д.), с возможностью вращения вокруг центральной вертикальной оси 5 окружности круглой поверхности (фиг.1). Камера 2 смонтирована на дюралевом столе, установленном на основании. Внутри камеры 2 установлены нагреватель 7, средство 8 для подачи водорода в камеру, представляющее собой штуцер, соединенный патрубком 9 для нагнетания водорода, и кристаллодержатель 10 алмаза 11. На жестком теле 3 со стороны плоской круглой поверхности 4 имеется выступ 12 цилиндрообразной формы, расположенный коаксиально окружности круглой поверхности. Кроме того, имеется дополнительный выступ 13 цилиндрообразной формы, выступающий из выступа 12 цилиндрообразной формы и также расположенный коаксиально окружности круглой поверхности 4. Таким образом, на варианте заявленного устройства, представленного на фиг.1 жесткое тело имеет в пару выступов цилиндрообразной формы.
Кристаллодержатель 10 алмаза 11 выполнен с возможностью поперечного перемещения на стадии обработки алмаза. Направления поперечного перемещения, как в одну сторону, так и в другую, обозначены позицией 14. Кроме того, кристаллодержатель 10 имеет возможность перемещения вдоль своей продольной оси. Направления движения кристаллодержателя 10 вдоль продольной оси обозначены позицией 15 на фиг.1. Для обеспечения каждого из этих перемещений кристаллодержатель 10 оснащен соответствующими механизмами. В частности, кристаллодержатель 10 закреплен на коромысле 16, частично показанном на фиг.2. Указанные механизмы подробно не раскрыты, поскольку они не являются предметом настоящей полезной модели, их конструкции определяются в результате обычного инженерного проектирования, и чтобы не загромождать фигуру.
Рассмотрим элементы устройства подробнее.
Как отмечалось, устройство 1 термохимической обработки алмаза представляет собой закрытую камеру 2, внутри которой в среде водорода вращается жесткое тело 2 с плоской круглой поверхностью 4 из металла переходной группы, нагретой до температуры 600-1000°С.
Камера 2 состоит из корпуса 17 и съемной крышки 18. Крышка 18 крепится к корпусу 17 винтами (не показаны на фиг.1). Герметичность камеры 2 обеспечивается прокладкой. И корпус 17 и крышка 18 камеры 2 составные и состоят из соединяемых деталей, при которых места соединений образуют полости, служащие для охлаждения камеры проточной водой, подводимой шлангами через штуцеры 19 (не показаны на фиг.1).
На крышке 18 камеры 2 расположен конический подшипник 20 с вкладышем, в котором вращается верхний конец вертикальной оси 5, на которой жестко закреплено жесткое тело 3. Нижний конец вертикальной оси 5 опирается на аналогичный конический подшипник 21. Вертикальная ось 5 на выходе из корпуса 17 камеры 2 в дюралевый стол 6 уплотнена прокладкой. В крышке 18 выполнено закрытое стеклом 22 отверстие 23 для погружения кристаллодержателя 10 с алмазом 11 и визуального контроля.
Под жестким телом 2 к корпусу 17 камеры 2 винтами неподвижно крепится нагреватель 7. Нагреватель 7 представляет собой металлический диск, на котором в шести керамических держателях закреплен нагревательный элемент - вольфрамовая проволока. Подвод электрического питания к нагревательному элементу осуществляется через вводы 24. Вводы 24 также охлаждаются проточной водой, подводимой шлангом через штуцеры 19.
Таким образом, внутри камеры 2 на конических подшипниках 20 и 21 закреплена вертикальная ось 5 с жестко закрепленным на ней жестким телом 3. При этом вертикальная ось 5 проходит в отверстии неподвижного нагревателя 7. Вертикальная ось 5 с жестким телом 2 смонтирована с возможностью вращения вокруг своей вертикальной продольной оси.
Для приведения во вращение вертикальную ось 5 на ней жестко закреплен ведомый шкив 25, приводимый во вращение при помощи пассика, охватывающий другим концом ведущий шкив на валу электродвигателя (на фиг.1 не показаны, чтобы не загромождать фигуру). Скорость вращения вертикальной оси 5 с жестко закрепленным на ней жестким телом 3 регулируется соответствующим механизмами, которые не являются предметом настоящей полезной модели, подбираются в процессе обычного инженерного проектирования и поэтому не показаны.
Вертикальная ось 5 опирается на конический подшипник 21, который вворачивается во втулку и закрепляется контргайкой (на фиг.1 не показаны). Таким образом, глубиной завинчивания конического подшипника 21 во втулку регулируется зазор 26 между жестким телом 3 и нагревателем 7.
Через патрубок 9 внутрь камеры 2 подводится водород или смеси водорода с другими газами, например, воздухом. Работа устройства:
При обработке алмаз 11, например, в виде пластины из алмаза в форме параллелепипеда, закрепляют на конце кристаллодержателя 10 и вводят через отверстие 23 внутрь камеры 2. Нагревателем 7 нагревают вращающееся жесткое тело 3 внутри камеры 2 и подают в камеру 2 водород при помощи штуцера 9. После этого постепенно подают алмаз 11 на вращающееся жесткое тело 3 (фиг.2). Направление перемещения показано стрелкой, обозначенной позицией 27. После соприкосновения алмаза 11 с поверхностью выступа 12 цилиндрообразной формы (фиг.3) начинают обработку алмаза охарактеризованным ранее способом: алмаз приводят в контакт с металлом при температуре 600-1000°С, способным растворять в себе углерод. В зависимости от величины приложенной силы давления алмаза 11 на жесткое тело 3 происходит обработка или полировка алмаза.
На фиг.4 показан конечный момент этапа формирования поверхностью выступа 12 цилиндрообразной формы жесткого тела 3 одной грани острия алмаза 11 в результате перемещения кристаллодержателя 10 вдоль его продольной оси.
После этого алмаз 11 на кристаллодержателе 10 начинают перемещать в поперечном направлении в сторону выступа 13 цилиндрообразной формы жесткого тела 3. Поперечное направлении обозначено позицией 28. При этом постепенно формируется вторая грань острия 29 алмаза 11 (фиг.5).
Заявленным устройством могут быть осуществлены другие виды обработки алмаза.
Например, одновременно с продольным перемещением кристаллодержателя может осуществляться и его поперечное перемещение.
Другой пример. Могут быть изготовлены одновременно два острия на алмазной пластине в форме параллелепипеда. Для этого пластина опускается так, чтобы одновременно соприкоснуться с обоими выступами 12 и 13 цилиндрообраной формы жесткого тела 3, а затем ее перемещают в поперечном направлении, обозначенной стрелкой с позицией 28 на фиг.6. В результате такой обработки алмаз имеет два острия 30 (фиг.7).
Под поперечным направлением понимается не только направление, перпендикулярное вертикальной оси 5, но и расположенное под углом к ней, что расширяет возможности обработки и обеспечивает получение различных форм после обработки алмаза.
Поперечное перемещение для обработки алмаза может иметь самые различные направления и виды. В частности, оно может представлять собой как непрерывное перемещение кристаллодержателя алмаза с захваченным алмазом на конце, так и может представлять собой возвратно-поступательное перемещение в диапазоне от 3 мм до 5 мм.
Для повышения скорости обработки желательно осуществлять интенсивный отвод углерода алмаза, оказавшегося в металле.
Для этой цели желательно, чтобы кристаллодержатель алмаза был бы выполнен с возможностью наложения на него дополнительных возвратно-поступательных вибраций относительно своей продольной оси. Данные перемещения предназначены не столько для обработки алмаза, сколько необходимы для повышения надежности предотвращения насыщения углеродом металла и прекращения процесса. При дополнительном вибрировании такой направленности происходит периодическое сообщение металла, расположенного непосредственно под алмазом с атмосферой в корпусе. При этом из металла происходит удаление углерода в результате контакта углерода в металле с водородом, находящимся в атмосфере корпуса. С другой стороны дополнительное вибрирующее давление интенсифицирует процесс обработки алмаза.
Кроме того, предпочтительно, чтобы кристаллодержатель алмаза был бы выполнен с возможностью наложения на него дополнительных поперечных возвратно-поступательных вибраций. Как и в предыдущем случае, данные возвратно-поступательные вибрации предназначены не столько для обработки алмаза, сколько для повышения надежности предотвращения насыщения углеродом металла и прекращения процесса обработки алмаза. При дополнительном вибрировании такой направленности происходит периодическое сообщение металла, расположенного непосредственно под алмазом, с атмосферой в корпусе. При этом интенсифицируется процесс удаления из металла углерода в результате увеличения времени контакта углерода в металле с водородом, находящимся в атмосфере корпуса.
Полезная модель позволяет расширить виды обработки алмаза за счет возможности одновременно обрабатывать более одной грани алмазной пластины, сократить время обработки, повысить точность обработки алмаза и сэкономить материалы, необходимые для проведения обработки.
Помимо приведенных вариантов изобретения возможны и другие многочисленные его модификации. Все они охватываются приведенной формулой изобретения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. "Наука и техника в Якутии" №1 (2), 2002, статья: Григорьева А.С., Ботвин В.В., Шамаев «О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций», стр.27-29 (прототип).