Совершенствование технологии синтеза и применение технических алмазов в промышленности

• Автор: Колчеманов, Николай Александрович
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 55 с.; 20х15 см + Прил. (58 с. )

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
В современных условиях решение задачи повышения производительности труда, обеспечения высокого качества и надежности изделий во многих отраслях промышленности неразрывно связано с увеличением объемов внедрения алмазной обработки. Алмазный инструмент широко применяется в бурении, строительстве, различных сферах промышленного производства (машино- и приборостроении, обработке полупроводниковых материалов и т.п.). В последнее время наряду с применением алмаза в процессах резания появляются новые области его использования, в частности, в элементах конструкций приборов, в качестве покрытий для упрочения деталей и др. [1].
Широкое внедрение алмазной обработки в народное хозяйство страны стало возможным благодаря созданию крушюмасштабного производства инструментов из алмазов и других сверхтвердых материалов.
Структура алмазного инструмента, выпускаемого в нашей стране, отличается высокой долей инструментов, из синтетических алмазов ( ~ 93 % ), Его номенклатура предусматривает более 5 тыс. типоразмеров и включает практически все известные на мировом рынке виды инструментов.
В России производится более 15 марок порошков синтетических алмазов е частицами размером от 2500 до 0,1 мкм. Изготавливаемые порошки включают алмазы, различающиеся по морфологии, прочности, абразивной способности, содержанию примесей, и образуют большую гамму сырья, необходимого для производства практически всех известных в мировой практике инструментов.
В 70-х годах баланс производства и потребления алмазноабразивного инструмента сложился следующим образом: в натуральном выражении -машиностроение - 85%; добыча, обработка камня и стройиндустрия - 15%; в стоимостном выражении: 60% и 40% соответственно.
При этом в камнеобработке использовалось около 70% инструментов, изготовленных из природных алмазов. Технологии синтеза были ориентированы, в основном, на производство алмазов для изготовления инструмента для мяглиностроения (марки АС2-АС32).
В то же время в СССР и за рубежам наблюдалось увеличение спроса на . шененис природного камня, в основном, мрамора и гранита. Расширение эбъемов производства отечественного алмазного инструмента для этих целей сдерживалось ограничением объемов применения природных алмазов и отсутствием технологии синтеза высокопрочных алмазов марок А.С50-АС160,
Исследования в этой области, начатые диссертантом с соавторами в 70-е прошли все стадии всесторонней проверки и достаточно широко реализованы в промышленности

Целью работы был выбран комплексный подход к решению проблемы алмазной обработки, включавший совершенствование технологий синтеза алмазов, изучение свойств алмазов и установления их связи с работоспособностью инструмента в экстремальных условиях, разработке на этой основе новых видов и конструкций алмазного инструментала также технологий его изготовления.
Научная новизна. В результате выполненного комплексного исследования влияния условий синтеза на свойства и выход получаемых алмазов найдены и экспериментально подтверждены пути дальнейшего совершенствования их свойств и повышения выхода высокопрочных и термостойких синтетических алмазов.
1. Экспериментально, с привлечением современных методов исследования, установлена связь между составом катализатора и внутренней морфологией и поверхности основных габитусных граней, заключающаяся в том, что внутренняя и внешняя морфология крупных алмазных кристаллов в значительной степени зависят от физических и физико-химических свойств металлов-катализаторов, что приводит к образованию различных центров кристаллизации и условий роста кристаллов.
2. Экспериментально показана зависимость между структурными особенностями алмазных кристаллов, выращенных на различных катализаторах и их прочностью, выражающаяся в том, что на ИК-спектрах поглощения появляются пики различеой природы, что четко указывает на влияние концентрации азотных дефектов в зависимости от количества магнитной и немагнитной фракции на совершенство структуры алмазов и, соответственно, их прочность.
3. Впервые экспериментально и на основе существующих научных представлений показано влияние легирования шихты соединениями редкоземельных элементов на прочность и термостойкость алмазов, выражающеяся в том, что введение гексаборидов иттрия и гадолиния приводит к заметному росту прочности и термостойкости алмазов, что связано с механизмом влияния этих добавок, включающим в себя один из важных этапов -"самоочистку" алмазов от парамагнитного азота и никеля,
4. При использовании в процессе синтеза в качестве катализатора различных минералов, например, карбонатов аммония, серебра, кальция, магния, и др., впервые установлена закономерность между параметрами синтеза, степенью превращения графита в алмаз, термостойкостью и прочностью с процессом кристаллизации и ростом кристаллов, выражающаяся в том, что в зависимости от параметров процесса образуются кристаллы различной формы и со значительно разным содержанием парамагнитного азота, что объясняется механизмом процесса синтеза с образованием при плавлении двухатомных ионов металла и ионов С03, выполняющих каталитические функции.

обеспечить такую же и даже более высокую работоспособность инструмента типа резцов из природных алмазов.
Лонедейлит,%,

-> л * >ч

2 N *
я ж о
0 200 600 1000 Размер зерна, мкм Рис. 13. Изменение концентрации лонсдей-лита в зависимости от размеров природных ЛПА: 1 - темные зерна; 2 -светлые зерна; 3 - средние значения.
№1018, сп/г

Размер блоков, нм
Рис. 14. Зависимость концентрации лонсдейлита от размеров блоков алмаза.
Кіс, Мн-м 5,5 Твердость, ГНУм2
/ Ф
VI Г ! і

> «? Л

О 10 20
Л ОН сдейлит, %масс.
Л0НСДеЙЛИТ,%„а
Рис. 15. Зависимость концентрации пара- Рис. 16. Влияние концентрации яонсдей-магнитных дефектов по данным лита на твердость И и трещино-
ЭПР от содержания лонсдейлита. стойкость К!с образцов ЛПА.
Таким образом, можно ожидать, что эксплуатационные характеристики