RU2335556C2 - Method of diamond-bearing material production - Google Patents
Method of diamond-bearing material production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2335556C2 RU2335556C2 RU2006131316/02A RU2006131316A RU2335556C2 RU 2335556 C2 RU2335556 C2 RU 2335556C2 RU 2006131316/02 A RU2006131316/02 A RU 2006131316/02A RU 2006131316 A RU2006131316 A RU 2006131316A RU 2335556 C2 RU2335556 C2 RU 2335556C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charge
- temperature
- metals
- diamond
- graphite
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике получения высокотвердых, износостойких материалов, в частности к получению алмазосодержащих материалов с гомогенно распределенными монокристаллами высокодисперсных алмазов с размером в диапазоне 0,01-2 мкм, используемых для изготовления деталей малого размера, например пар трения и износостойких деталей микромеханизмов, а также обрабатывающего инструмента.The invention relates to techniques for producing highly hard, wear-resistant materials, in particular to the production of diamond-containing materials with homogeneously distributed single crystals of finely dispersed diamonds with a size in the range of 0.01-2 microns, used for the manufacture of small parts, for example, friction pairs and wear-resistant parts of micromechanisms, as well processing tool.
При получении алмазосодержащих материалов из исходных порошков используют способы прессования алмазных частиц в материалах связки, или синтезируют материал при высоких давлениях и температурах из смеси углеродного материала и материала связки (металла).When obtaining diamond-containing materials from the initial powders, methods of pressing diamond particles in binder materials are used, or the material is synthesized at high pressures and temperatures from a mixture of a carbon material and a binder (metal) material.
Известен способ получения алмазосодержащего материала из фуллерена (патент РФ №2087576, кл. С22С 1/10, В22F 3/16, публ. 20.08.1997 г.), включающий смешивание порошка фуллерена С60 с порошком металлосодержащего компонента, уплотнения смеси и последующее компактирование с синтезом алмаза. В качестве металлосодержащего компонента используют железосодержащую композицию (порошки феррофосфора и железа), при соотношении фуллерен С60, железо и феррофосфор как 8:6:86. После холодного прессования при давлении 800-1000 МПа компакт подвергали термообработке в среде водорода при атмосферном давлении и температуре 930-980°С в течение одного часа, при котором основная часть фуллерена С60 трансформируется в алмаз, и затем проводили дополнительное уплотнение при давлении 800-1000 МПа с промежуточным отжигом в атмосфере водорода при 500°С и закалкой с 930-800°С до -50°С со скоростью охлаждения 600-900о/сек.A known method of producing diamond-containing material from fullerene (RF patent No. 2087576, class C22C 1/10, B22F 3/16, publ. 08/20/1997), comprising mixing the powder of fullerene C 60 with a powder of a metal-containing component, compaction of the mixture and subsequent compaction with the synthesis of diamond. As a metal-containing component, an iron-containing composition (ferrophosphorus and iron powders) is used, with a fullerene ratio of C 60 , iron and ferrophosphorus as 8: 6: 86. After cold pressing at a pressure of 800-1000 MPa, the compact was subjected to heat treatment in a hydrogen atmosphere at atmospheric pressure and a temperature of 930-980 ° C for one hour, at which the bulk of C 60 fullerene was transformed into diamond, and then additional compaction was performed at a pressure of 800- 1000 MPa with intermediate annealing in a hydrogen atmosphere at 500 ° С and quenching from 930-800 ° С to -50 ° С with a cooling rate of 600-900 о / sec.
Предлагаемый способ позволяет получать материал, представляющий собой железную матрицу с пористостью порядка 2%, упрочненную цементитными и фосфидными включениями, с распределенными в нем синтетическими алмазами размером 3-20 мкм. Недостатком способа является невозможность использовать такой материал для изготовления деталей малого размера. Такой способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The proposed method allows to obtain a material representing an iron matrix with a porosity of the order of 2%, hardened with cementite and phosphide inclusions, with synthetic diamonds 3-20 microns in size distributed therein. The disadvantage of this method is the inability to use such material for the manufacture of small parts. This method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ получения поликристаллического алмазного материала (патент РФ №2065834, кл. С01В 31/16, публ. 27.08.96 г.), согласно которому берут шихту, содержащую 85,0-99,4 мас.% графита или его смесь с алмазом, 0,1-10,0 мас.% бора и 0,5-5,0 мас.% растворенного вещества, графитизирующегося при отжиге, перемешивают в вибромельнице в течение 8 часов. Затем шихту просушивали в сушильном шкафу при 300°С, гранулировали и прессовали заготовки в виде цилиндра. Заготовки отжигали в вакуумной печи при температуре 600-1500°С в течение 1-4 часов. После отжига заготовки помещали в камеру высокого давления и температуры и подвергали воздействию давления 70-85 кбар и температуры 2300-2500°С в течение 20-30 секунд. Графит использовали зернистостью 0,05-10,0 мкм, порошок алмаза зернистостью 300-2000 мкм. При этом содержание воды в шихте 0,001-0,150 мас.%, зольность связующего 0,001-0,1 мас.%. В качестве связующего может быть использован раствор поливинилацетата (ПВА), концентрация которого составляла 10,7 г на л воды. Выход годных поликристаллов составлял 80-95%, микротвердость 140 ГПа, термостойкость 950-1100°С, абразивная стойкость 0,008-0,01 мм/км.A known method of producing polycrystalline diamond material (RF patent No. 2065834, class СВВ 31/16, publ. 08/27/96), according to which charge is taken containing 85.0-99.4 wt.% Graphite or its mixture with diamond , 0.1-10.0 wt.% Boron and 0.5-5.0 wt.% Of the solute, graphitized during annealing, stirred in a vibrating mill for 8 hours. Then the mixture was dried in an oven at 300 ° C, granulated and pressed blanks in the form of a cylinder. The preforms were annealed in a vacuum oven at a temperature of 600-1500 ° C for 1-4 hours. After annealing, the preforms were placed in a high-pressure and temperature chamber and subjected to a pressure of 70-85 kbar and a temperature of 2300-2500 ° C for 20-30 seconds. Graphite was used with a grain size of 0.05-10.0 microns, diamond powder with a grain size of 300-2000 microns. The water content in the charge of 0.001-0.150 wt.%, The ash content of the binder of 0.001-0.1 wt.%. As a binder, a solution of polyvinyl acetate (PVA) can be used, the concentration of which was 10.7 g per liter of water. The yield of polycrystals was 80-95%, microhardness 140 GPa, heat resistance 950-1100 ° C, abrasion resistance 0.008-0.01 mm / km.
Получаемые этим способом поликристаллы обладают высокими эксплуатационными свойствами и высокой однородностью, однако использование очень высоких давлений и температур, а также использование алмазов, удорожают технологический процесс. Такой способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.Polycrystals obtained by this method have high operational properties and high homogeneity, however, the use of very high pressures and temperatures, as well as the use of diamonds, increase the cost of the process. This method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ синтеза алмазов (патент РФ №2053198, кл. С01В 31/06, публ. 27.01.96 г.), включающий воздействие высокого давления и температуры, соответствующих области термодинамической стабильности алмаза на реакционную смесь металла-растворителя с графитом, причем металл-растворитель берут пластинчатой формы, размеры частиц которого имеют толщину 30-600 мкм, длину 500-4000 мкм и ширину 100-4000 мкм. В качестве металла-растворителя берут Ni50-Mn50, выход алмазов в каратах 17,0-29,1. Параметры синтеза 5,4-5,7 ГПа и температура 1320-1390°С.A known method for the synthesis of diamonds (RF patent No. 2053198, class СВВ 31/06, publ. 01/27/96), including the action of high pressure and temperature, corresponding to the region of thermodynamic stability of diamond on the reaction mixture of a metal solvent with graphite, and metal the solvent is taken in a plate form, the particle sizes of which have a thickness of 30-600 microns, a length of 500-4000 microns and a width of 100-4000 microns. As a metal solvent, take Ni50-Mn50, the diamond output in carats is 17.0-29.1. The synthesis parameters are 5.4-5.7 GPa and a temperature of 1320-1390 ° C.
Таким способом получали с большим выходом алмазы повышенного качества. Недостатком такого способа является то, что он не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.In this way, diamonds of high quality were obtained in high yield. The disadvantage of this method is that it does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ получения алмаза (патент США №5360477, МПК С30В 29/00, публ. 01.11.1994 г.) из исходного порошкообразного материала, содержащего углерод как основной компонент, включающий воздействие на указанный материал давлением в пределах 2-50 ГПа, при приложении к материалу градиента давления и одновременное нагревание лазерным излучением той части материала, к которой приложено максимальное давление. В качестве основного компонента порошкообразного материала берут фуллерен С60 или углеродные нанотрубки.A known method of producing diamond (US patent No. 5360477, IPC C30B 29/00, publ. 11/01/1994) from the source powder material containing carbon as the main component, including the impact on the specified material pressure in the range of 2-50 GPa, when applied pressure gradient material and simultaneous heating by laser radiation of that part of the material to which the maximum pressure is applied. Fullerene C 60 or carbon nanotubes are taken as the main component of the powder material.
Недостатком этого способа является высокое давление и трудности поддержания градиента давления. Способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The disadvantage of this method is the high pressure and difficulties in maintaining the pressure gradient. The method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ получения искусственных алмазов (патент РФ №2131763, кл. В01J 3/06, С30В 29/04, С01В 31/06, публ. 20.06.1999 г.), включающий воздействие на графит с фуллереном и катализатор давлением и нагревом в области стабильности алмаза с последующей выдержкой при давлении и температуре синтеза. При этом фуллерены вводятся в количестве 10-2-6·10-1 мас.% от массы графита в виде фулленсодержащей сажи или в виде экстракта фуллеренов.A known method for producing artificial diamonds (RF patent No. 2131763, class B01J 3/06, C30B 29/04, C01B 31/06, publ. 06/20/1999), including exposure to graphite with fullerene and a catalyst with pressure and heating in the field stability of the diamond, followed by exposure to pressure and temperature synthesis. In this case, fullerenes are introduced in an amount of 10 -2 -6 · 10 -1 wt.% By weight of graphite in the form of fullerene-containing soot or in the form of an extract of fullerenes.
Шихту из графита с добавлением фуллеренов С60 и С70 и катализатора из сплава никеля и марганца смешивают в смесителе, добиваясь распределения фуллеренов в объеме графита, затем шихту брикетируют и помещают в цилиндрическую емкость теплоэлектроизоляционного контейнера, закрывая с обеих сторон прессованными крышками из смеси графита и известняка. Снаряженный контейнер помещают в аппарат высокого давления и подвергают воздействию давления до 4,5 ГПа и температуры 1250-1350°С, выдерживают в течение 10 минут. Затем снижают температуру и давление, извлекают продукты синтеза. После химической обработки определяют долю перехода графита в алмаз, которая составляет от 22,6 до 45%. Получаемые этим способом алмазы использовали для изготовления алмазного инструмента.A mixture of graphite with the addition of fullerenes C 60 and C 70 and a catalyst made of an alloy of nickel and manganese is mixed in a mixer, achieving distribution of fullerenes in the volume of graphite, then the mixture is briquetted and placed in a cylindrical container of a heat-insulating container, closed on both sides with pressed covers made of a mixture of graphite and limestone. The equipped container is placed in a high-pressure apparatus and subjected to pressure up to 4.5 GPa and a temperature of 1250-1350 ° C, incubated for 10 minutes. Then the temperature and pressure are reduced, and the synthesis products are recovered. After chemical treatment, the fraction of the transition of graphite to diamond is determined, which is from 22.6 to 45%. The diamonds obtained by this method were used to make a diamond tool.
Способ позволяет повысить выход алмаза при пониженных давлениях, не превышающих 5,5 ГПа, однако этот способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The method allows to increase the diamond yield at reduced pressures not exceeding 5.5 GPa, however, this method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ получения алмазных частиц, способ получения алмазных кристаллов и способ получения содержащих алмазные частицы заготовок (патент РФ №2223220, кл. С01В 31/06, В01J 3/06, С30В 28/00, С30В 29/04, В24D 3/10, публ. 10.02.2004). Согласно этому способу получают алмазные частицы преимущественно для изготовления алмазосодержащего материала, при котором частицы нанодисперсных алмазов подвергают воздействию заданных давлений и температур, причем на поверхность частиц алмаза наносят частицы графита или углерода нанометрических размеров. Изобретение позволяет получать материалы на основе алмаза с размером частиц 1-500 мкм и содержанием несгораемых примесей не более 2 мас.%.A known method for producing diamond particles, a method for producing diamond crystals and a method for producing preforms containing diamond particles (RF patent No. 2223220, class C01B 31/06, B01J 3/06, C30B 28/00, C30B 29/04, B24D 3/10, published on February 10, 2004). According to this method, diamond particles are obtained mainly for the manufacture of diamond-containing material, in which the particles of nanodispersed diamonds are subjected to predetermined pressures and temperatures, and particles of nanometer-sized graphite or carbon are applied to the surface of the diamond particles. The invention allows to obtain materials based on diamond with a particle size of 1-500 microns and a content of non-combustible impurities of not more than 2 wt.%.
Для получения заготовок, содержащих алмазные частицы, формуют шихту из нанодисперсных алмазов с размерами кристаллов от 2 до 10 нм и порошка нанодисперсных алмазов, на поверхность которых нанесен графит или углерод. Полученную шихту спекают при давлении от 2,5 до 4,0 ГПа и температуре от 800 до 1200°С с выдержкой от 10 до 60 сек при соотношении составных частей, мас.%:To obtain preforms containing diamond particles, a mixture is formed of nanodispersed diamonds with crystal sizes from 2 to 10 nm and nanodispersed diamond powder, the surface of which is coated with graphite or carbon. The resulting mixture is sintered at a pressure of from 2.5 to 4.0 GPa and a temperature of from 800 to 1200 ° C with a holding time of 10 to 60 seconds with a ratio of components, wt.%:
Получаемые заготовки обладают высокодисперсной (размер кристаллов 10-1000 нм) структурой, микротвердостью не менее 60 ГПа и количеством несгораемых примесей не более 2 мас.%, что позволяет использовать их в качестве режущих и/или формообразующих вставок и производить высокоэффективную обработку труднообрабатываемых материалов. Однако использование в качестве исходных порошков нанодисперсных алмазов с размерами частиц 2-20 нм, а также нанодисперсных алмазов, на поверхность которых нанесен графит или углерод удорожает процесс производства материала. Предлагаемый способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The resulting blanks have a highly dispersed (crystal size 10-1000 nm) structure, microhardness of at least 60 GPa and a quantity of non-combustible impurities of not more than 2 wt.%, Which allows them to be used as cutting and / or forming inserts and to produce highly efficient processing of difficult to process materials. However, the use of nanodispersed diamonds with particle sizes of 2-20 nm, as well as nanodispersed diamonds, on the surface of which graphite or carbon is deposited, increases the cost of the material production process as initial powders. The proposed method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен также спеченный композиционный материал (патент РФ №2087575, кл. С22С 1/09, Н01Н 1/02, публ. 20.08.1997 г.), согласно которому материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов, графита и нановолокно и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов, мас.%:Also known is a sintered composite material (RF patent No. 2087575, class C22C 1/09, H01H 1/02, publ. 08/20/1997), according to which a material containing a metal matrix of one or more non-carbide-forming metals, graphite and nanofiber / or fullerenes in the following ratio of components, wt.%:
Для получения композиционного материала смешивают порошки в заданном соотношении в сухом виде, затем прессуют в виде шайб при давлении от 1 до 5 т/см2. Прессовку спекают в вакууме 10-3 Па или в защитной атмосфере при температурах 700-1000°С в течение 2-10 часов. На спеченных материалах определяют плотность, удельное электросопротивление и микроствердость. Далее спеченные заготовки прокатывают с различными степенями деформации и при различных температурах. Использование прокатки заготовок позволяет повысить микротвердость, увеличить износостойкость и продлить срок службы.To obtain a composite material, powders are mixed in a predetermined ratio in dry form, then pressed in the form of washers at a pressure of 1 to 5 t / cm 2 . The compact is sintered in a vacuum of 10 -3 Pa or in a protective atmosphere at temperatures of 700-1000 ° C for 2-10 hours. On sintered materials determine the density, electrical resistivity and microhardness. Next, the sintered billets are rolled with various degrees of deformation and at various temperatures. The use of rolling billets can increase microhardness, increase wear resistance and extend the service life.
В качестве металлической матрицы используют порошки меди и олова.Powders of copper and tin are used as the metal matrix.
Недостатком этого материала и способа для его получения является недостаточно высокая однородность материала. Предлагаемый способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The disadvantage of this material and the method for its preparation is the insufficiently high homogeneity of the material. The proposed method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Известен способ получения сверхтвердых частиц и износостойкого материала, объемно-содержащего эти частицы (патент РФ №2123473, кл. С01В 31/06, С22С 26/00, публ. 20.12.1998 г.), заключающийся в прессовании смеси порошков железа и фуллеритов, синтезе сверхтвердых углеродных частиц при высоких давлениях и температурах с последующим извлечением этих частиц. Изостатическое прессование проводят при низком давлении 2,5-4,5 ГПа и температуре 1000-1200°С. Полученный материал содержит железо или углеродистую сталь и сверхтвердые углеродные частицы размером до 0,5 мм в количестве до 20%. Получаемые сверхтвердые частицы имеют высокую микротвердость, что подтверждается их способностью царапать лейкосапфир и алмаз, и невозможность измерить микротвердость стандартным методом с использованием алмазной пирамиды.A known method of producing superhard particles and wear-resistant material, volume-containing these particles (RF patent No. 2143473, class C01B 31/06, C22C 26/00, publ. 12/20/1998), which consists in pressing a mixture of powders of iron and fullerites, synthesis of superhard carbon particles at high pressures and temperatures, followed by extraction of these particles. Isostatic pressing is carried out at a low pressure of 2.5-4.5 GPa and a temperature of 1000-1200 ° C. The resulting material contains iron or carbon steel and superhard carbon particles up to 0.5 mm in size up to 20%. The resulting superhard particles have high microhardness, which is confirmed by their ability to scratch leucosapphire and diamond, and the inability to measure microhardness by the standard method using a diamond pyramid.
Недостатком способа является использование в качестве исходного компонента фуллеритов, что удорожает способ получения из-за дополнительной стадии получения фуллеритов, а также то, что ультратвердые частицы не являются высокодисперсными. Такой способ не позволяет получать материал с высокой степенью равномерности распределения компонентов.The disadvantage of this method is the use of fullerites as an initial component, which makes the production method more expensive due to the additional step of producing fullerites, as well as the fact that ultrahard particles are not highly dispersed. This method does not allow to obtain material with a high degree of uniformity in the distribution of components.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения алмазного композиционного материала (SU №1053447 А1, МПК С01В 31/06, публ. 30.06.1993), включающий приготовление шихты из алмазного поликристаллического материала зольностью 0,5-20 мас.% и дисперсностью 10-500 мкм (20-70 мас.%), смешанного с алмазным микропорошком дисперсностью 3-60 мкм и порошком хрома, или титана, или циркония, или ванадия дисперсностью <0,1 мкм. Полученную заготовку помещают в графитовый нагреватель камеры высокого давления и спекают при 100-120 кбар и температуре 1600-1700°С.The closest technical solution to the claimed is a method for producing a diamond composite material (SU No. 1053447 A1, IPC СВВ 31/06, publ. 06/30/1993), including the preparation of a mixture of diamond polycrystalline material with an ash content of 0.5-20 wt.% And a dispersion of 10 -500 μm (20-70 wt.%) Mixed with diamond micropowder with a fineness of 3-60 microns and a powder of chromium, or titanium, or zirconium, or vanadium with a fineness of <0.1 microns. The resulting preform is placed in a graphite heater of the high-pressure chamber and sintered at 100-120 kbar and a temperature of 1600-1700 ° C.
Материал, полученный по предлагаемому способу, характеризуется высокой износостойкостью и может быть использован при производстве бурового инструмента, но не пригоден для изготовления деталей малого размера. К недостаткам можно отнести использование очень высоких давлений и температур, что ведет к удорожанию способа. Способ не позволяет получать материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов.The material obtained by the proposed method is characterized by high wear resistance and can be used in the manufacture of drilling tools, but is not suitable for the manufacture of small parts. The disadvantages include the use of very high pressures and temperatures, which leads to an increase in the cost of the method. The method does not allow to obtain a material in which single crystals of finely divided diamonds are evenly distributed.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение перечисленных выше недостатков и получение алмазосодержащего материала, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов размером 0,01-2 мкм, что позволяет широко использовать его, в частности для изготовления пар трения и износостойких деталей микромеханизмов и обрабатывающего инструмента.The objective of the proposed technical solution is to eliminate the above disadvantages and obtain a diamond-containing material in which monocrystals of finely dispersed diamonds ranging in size from 0.01 to 2 μm are uniformly distributed, which allows its wide use, in particular for the manufacture of friction pairs and wear-resistant parts of micromechanisms and processing tools.
Поставленная задача решается следующим образом. Готовят шихту из исходных компонентов: порошка источника углерода и металлов, высушивают в вакууме или в атмосфере инертных газов при температуре 300-600°С до остаточной влажности не более 0,1 мас.%. Обезвоженную шихту помещают в планетарную мельницу со стальными шарами, с двумя барабанами емкостью по 150 мл, скоростью вращения водила 630 оборотов в минуту, скоростью вращения барабанов 1290 оборотов в минуту и подвергают обработке в течение 5-12 часов, затем шихту подвергают окислению в смеси кислорода и инертного газа с содержанием кислорода 1-25%, или обезвоженного воздуха при температуре 100-600°С до образования окислов металлов, служащих центрами кристаллизации высокодисперсных алмазов, причем содержание окислов составляет 1-30 мас.% от общего содержания металлов в шихте. Затем шихту помещают в герметичный контейнер, выполненный из одного металла или сплава металлов, выбранных из группы: никель, марганец, железо, кобальт, хром, размещают его в камере высокого изостатического давления подвергают воздействию давления в пределах 4,2-7,0 ГПа, температуры 1250-1600°С в течение изотермической выдержки 15-60 секунд. В качестве источника углерода используют графит, например марки ГМЗ. В качестве металлов берут порошок одного или нескольких металлов или их сплавов, выбранных из группы: никель, марганец, железо, кобальт, хром, или их сплавов, причем компоненты берут в следующих соотношениях, мас.%:The problem is solved as follows. A mixture is prepared from the starting components: carbon source powder and metals, dried in vacuum or inert gas atmosphere at a temperature of 300-600 ° C to a residual moisture content of not more than 0.1 wt.%. The dehydrated charge is placed in a planetary mill with steel balls, with two 150 ml drums, a carrier speed of 630 rpm, a drum rotation speed of 1290 rpm and is subjected to treatment for 5-12 hours, then the mixture is oxidized in an oxygen mixture and inert gas with an oxygen content of 1-25%, or dehydrated air at a temperature of 100-600 ° C until the formation of metal oxides, which serve as centers of crystallization of finely divided diamonds, and the oxide content is 1-30 wt.% of the total about the metal content in the charge. Then the charge is placed in a sealed container made of one metal or an alloy of metals selected from the group: nickel, manganese, iron, cobalt, chromium, placed in a high isostatic pressure chamber, subjected to pressure in the range of 4.2-7.0 GPa, temperature 1250-1600 ° C for isothermal exposure 15-60 seconds. Graphite, for example, GMZ grade, is used as a carbon source. As metals, a powder of one or more metals or their alloys selected from the group: nickel, manganese, iron, cobalt, chromium, or their alloys is taken, and the components are taken in the following proportions, wt.%:
Предложенный способ позволяет получать алмазосодержащий материал, в котором равномерно распределены монокристаллы высокодисперсных алмазов с размерами в диапазоне 0,01-2 мкм. Способ позволяет изменять средний размер, кристаллографическую форму (габитус), содержание в матрице монокристаллов алмазов путем подбора и изменения содержания компонентов и параметров обработки шихты перед синтезом, включая время обработки в планетарной мельнице и степень окисления, а также путем подбора и изменения параметров синтеза, включая давление, температуру и время. Высокодисперсные (нано)алмазы имеют правильную огранку, что повышает механические свойства, стойкость к истиранию, режущую способность и снижает коэффициент трения получаемого материала.The proposed method allows to obtain diamond-containing material in which single crystals of finely dispersed diamonds with sizes in the range of 0.01-2 microns are evenly distributed. The method allows you to change the average size, crystallographic form (habit), the content in the matrix of single crystals of diamonds by selecting and changing the content of components and processing parameters of the mixture before synthesis, including the processing time in a planetary mill and the degree of oxidation, as well as by selecting and changing synthesis parameters, including pressure, temperature and time. Highly dispersed (nano) diamonds have the correct faceting, which increases the mechanical properties, abrasion resistance, cutting ability and reduces the friction coefficient of the resulting material.
Смешивание исходных компонентов в виде порошков позволяет получить однородную шихту, высушивание которой в вакууме или атмосфере инертных газов позволяет удалить влагу. Температура 300-600°С является достаточной для получения шихты с влажностью не более 0,1 мас.%, что установлено экспериментально.Mixing the starting components in the form of powders allows you to get a homogeneous mixture, drying of which in a vacuum or inert gas atmosphere allows you to remove moisture. A temperature of 300-600 ° C is sufficient to obtain a mixture with a moisture content of not more than 0.1 wt.%, Which is established experimentally.
Обработка шихты в планетарной мельнице со стальными шарами, с двумя барабанами емкостью по 150 мл, скоростью вращения водила 630 оборотов в минуту, скоростью вращения барабанов 1290 оборотов в минуту позволяет достигать высокой однородности шихты и ее высокой дисперсности, с минимальными размерами частиц до 0,02 мкм. Время обработки в мельнице 5-12 часов зависит от размера исходных частиц и требуемой гомогенности смешивания.The processing of the charge in a planetary mill with steel balls, with two drums with a capacity of 150 ml each, a carrier rotation speed of 630 rpm, a drum rotation speed of 1290 rpm allows to achieve high uniformity of the mixture and its high dispersion, with a minimum particle size of up to 0.02 microns. The processing time in the mill for 5-12 hours depends on the size of the starting particles and the required mixing homogeneity.
Окисление шихты в смеси кислорода и инертного газа или обезвоженного воздуха при температуре 100-600°С позволяет снизить химическую активность шихты, уменьшить количество нежелательных примесей адсорбируемых из окружающей атмосферы. Используемые температуры окисления 100-600°С способствуют образованию окислов металлов в пределах 1-30 мас.% от содержания металлов в шихте, которые являются центрами кристаллизации высокодисперсных алмазов.Oxidation of the mixture in a mixture of oxygen and inert gas or dehydrated air at a temperature of 100-600 ° C allows to reduce the chemical activity of the mixture, to reduce the amount of undesirable impurities adsorbed from the surrounding atmosphere. Used oxidation temperatures of 100-600 ° C contribute to the formation of metal oxides within 1-30 wt.% Of the metal content in the charge, which are the crystallization centers of finely divided diamonds.
В качестве источника углерода могут быть использованы графиты, например графит марки ГМЗ, а также другие углеродсодержащие вещества, например фуллерены и нанотрубки.As a carbon source, graphites can be used, for example, GMZ grade graphite, as well as other carbon-containing substances, for example, fullerenes and nanotubes.
Используемые в предлагаемом способе металлы, выбранные из группы: никель, марганец, железо, кобальт, хром или их сплавы, обеспечивают максимальное качество монокристаллов высокодисперсных алмазов, а также минимальные параметры синтеза таких алмазов, включая давление, температуру и время.The metals used in the proposed method, selected from the group: nickel, manganese, iron, cobalt, chromium or their alloys, provide the maximum quality of single crystals of finely divided diamonds, as well as the minimum synthesis parameters of such diamonds, including pressure, temperature and time.
Соотношения исходных компонентов определено экспериментально и составляет, мас.%:The ratio of the starting components is determined experimentally and is, wt.%:
Выход за пределы данных составов приводит к ухудшению качества получаемого алмазосодержащего материала. Экспериментально найдено, что составы с содержанием источника углерода менее 1 мас.% и металлов более 99 мас.% не позволяют получить алмазосодержащий материал с необходимым количеством алмазов и высокими значениями твердости и износостойкости. Использование составов с содержанием источника углерода более 15 мас.% и металлов менее 85 мас.% приводит к тому, что источник углерода превращается в алмаз не полностью и появляются сростки алмазов.Going beyond the limits of these compositions leads to a deterioration in the quality of the obtained diamond-containing material. It was found experimentally that compositions with a carbon source content of less than 1 wt.% And metals more than 99 wt.% Do not allow to obtain a diamond-containing material with the required amount of diamonds and high values of hardness and wear resistance. The use of compositions with a carbon source content of more than 15 wt.% And metals less than 85 wt.% Leads to the fact that the carbon source is not completely converted to diamond and diamond splices appear.
Используемые параметры синтеза: давление 4,2-7,0 ГПа, температура 1250-1600°С и время 15-60 секунд установлены экспериментально, выход за пределы этих параметров приводит либо к увеличению размеров получаемых алмазов, либо к неполному превращению источника углерода в алмаз, что приводит к ухудшению качества алмазосодержащего материала.The synthesis parameters used: a pressure of 4.2-7.0 GPa, a temperature of 1250-1600 ° C and a time of 15-60 seconds are experimentally established; going beyond these parameters leads either to an increase in the size of the resulting diamonds or to an incomplete conversion of the carbon source into diamond , which leads to a deterioration in the quality of diamond-containing material.
Использование герметичного контейнера позволяет изолировать приготовленную шихту от ненужных примесей, которые могут проникать из окружающей среды, в частности воды. Выбор материала контейнера из того же ряда, что и металл или несколько металлов, входящих в шихту позволяет не нарушать баланс подобранных параметров.Using a sealed container allows you to isolate the prepared mixture from unnecessary impurities that can penetrate from the environment, in particular water. The choice of container material from the same series as the metal or several metals included in the mixture allows you to not upset the balance of the selected parameters.
На Фиг.1 показана фотография скола алмазосодержащего материала, полученная с помощью оптического микроскопа при увеличении х900, на которой видна высокая однородность распределения в нем монокристаллов алмаза 0,2-2 мкм. Материал был получен, как описано в примере 1.Figure 1 shows a photograph of the cleavage of diamond-containing material obtained using an optical microscope at a magnification of x900, which shows a high uniformity of distribution of 0.2-2 microns diamond single crystals in it. The material was obtained as described in example 1.
Монокристаллы высокодисперсных алмазов могут быть выделены из материала, например химическим растворением металлов в смесях кислот. На Фиг.2 приведена фотография, полученная с помощью оптического микроскопа при увеличении х900 монокристаллов алмазов, извлеченных из материала, полученного, как описано в примере 1, размер кристаллов алмаза 0,2-2 мкм.Single crystals of finely divided diamonds can be isolated from the material, for example by chemical dissolution of metals in mixtures of acids. Figure 2 shows a photograph obtained using an optical microscope with a magnification of x900 single crystals of diamonds extracted from the material obtained as described in example 1, the size of the diamond crystals of 0.2-2 microns.
Пример 1.Example 1
Готовят шихту из смеси порошков графита марки ГМЗ со средним размером частиц 15 мкм и сплава 40 мас.% Ni, 60 мас.% Mn с размерами частиц 15 мкм в соотношении 10:90 по массе. Полученную шихту высушивают в атмосфере инертного газа при температуре 500°С в течение 1 часа. Затем 40 г высушенной шихты помещают в планетарную мельницу со стальными шарами, с двумя барабанами емкостью по 150 мл, скоростью вращения водила 630 оборотов в минуту и скоростью вращения барабанов 1290 оборотов в минуту. Шихту подвергают обработке в планетарной мельнице в течение 5 часов. Затем шихту извлекают и подвергают окислению в атмосфере обезвоженного воздуха при температуре 300°С в течение 15 минут до получения содержания окислов 15% от веса металлов. Обработанную таким образом шихту помещают в герметичный цилиндрический контейнер с диаметром 5 мм, высотой 8 мм, выполненный из никеля, который помещают в камеру высокого давления и воздействуют давлением 4,2 ГПа и температурой 1250°С в течение 15 сек. Получают спек металлов с равномерно распределенными монокристаллами алмазов с размерами 0,2-2 мкм, причем алмазы имеют правильную огранку (габитус). Полученный материал, содержащий равномерно распределенные монокристаллы высокодисперсных алмазов имеет повышенные механические свойства: твердость НV=16,2 ГПа и может быть использован для изготовления пар трения, износостойких деталей микромеханизмов, а также обрабатывающего инструмента.A mixture is prepared from a mixture of powders of graphite grade GMZ with an average particle size of 15 microns and an alloy of 40 wt.% Ni, 60 wt.% Mn with a particle size of 15 microns in a ratio of 10:90 by weight. The resulting mixture is dried in an atmosphere of inert gas at a temperature of 500 ° C for 1 hour. Then 40 g of the dried charge is placed in a planetary mill with steel balls, with two drums with a capacity of 150 ml, a carrier speed of 630 rpm and a drum rotation speed of 1290 rpm. The mixture is subjected to processing in a planetary mill for 5 hours. Then the mixture is removed and subjected to oxidation in an atmosphere of dehydrated air at a temperature of 300 ° C for 15 minutes to obtain an oxide content of 15% by weight of metals. The mixture thus treated is placed in a sealed cylindrical container with a diameter of 5 mm, a height of 8 mm, made of nickel, which is placed in a high pressure chamber and exposed to a pressure of 4.2 GPa and a temperature of 1250 ° C for 15 sec. Get the sintered metal with uniformly distributed single crystals of diamonds with sizes of 0.2-2 microns, and the diamonds have the correct cut (habit). The resulting material containing uniformly distributed single crystals of finely divided diamonds has improved mechanical properties: hardness Н V = 16.2 GPa and can be used to produce friction pairs, wear-resistant parts of micromechanisms, and also a processing tool.
В таблице приведены остальные примеры применения предлагаемого способа.The table shows the remaining examples of the application of the proposed method.
Предлагаемый способ позволяет получать алмазосодержащий материал с более высокими механическими свойствами, чем известные промышленные композиционные материалы. Материал представляет собой матрицу из металлов и окислов металлов с гомогенно распределенными в ней монокристаллами высокодисперсных алмазов. Способ позволяет изменять средний размер в диапазоне 0,01-2 мкм, количественное содержание в матрице, кристаллографическую форму (габитус) монокристаллов алмаза, путем изменения исходного состава и параметров обработки шихты перед синтезом, включая время обработки в мельнице и степень окисления, а также путем изменения параметров синтеза, включая давление, температуру и время. Способ позволяет достичь высокой однородности распределения алмазов по размерам, до значений выхода основной фракции 70%.The proposed method allows to obtain a diamond-containing material with higher mechanical properties than known industrial composite materials. The material is a matrix of metals and metal oxides with single crystals of finely dispersed diamonds homogeneously distributed in it. The method allows you to change the average size in the range of 0.01-2 microns, the quantitative content in the matrix, the crystallographic form (habit) of diamond single crystals, by changing the initial composition and processing parameters of the charge before synthesis, including the processing time in the mill and the degree of oxidation, as well as by changes in synthesis parameters, including pressure, temperature, and time. The method allows to achieve high uniformity in the distribution of diamonds in size, up to the output values of the main fraction 70%
Высокая однородность распределения в материале, высокая дисперсность монокристаллов алмаза, имеющих правильную огранку, обеспечивают высокую твердость и высокую износостойкость материала, что позволяет использовать его для изготовления пар трения и износостойких деталей микромеханизмов, а также обрабатывающего инструмента.High uniformity of distribution in the material, high dispersion of single crystals of diamond having the correct faceting, provide high hardness and high wear resistance of the material, which allows it to be used for the manufacture of friction pairs and wear-resistant parts of micromechanisms, as well as a processing tool.
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц - 15 мкм.one
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 40 Ni - 60 Mn.
Средний размер частиц 15 мкм.99
Alloy 40 Ni - 60 Mn.
The average particle size is 15 microns.
60 минут в атмосфере
аргона300 ° C
60 minutes in the atmosphere
argon
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц - 15 мкм.3
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 40 Ni - 60 Mn.
Средний размер частиц 15 мкм.97
Alloy 40 Ni - 60 Mn.
The average particle size is 15 microns.
60 минут в атмосфере
аргона300 ° C
60 minutes in the atmosphere
argon
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц - 15 мкм.fifteen
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 40 Ni - 60 Mn.
Средний размер частиц - 15 мкм.85
Alloy 40 Ni - 60 Mn.
The average particle size is 15 microns.
60 минут в атмосфере
аргона300 ° C
60 minutes in the atmosphere
argon
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц 15 мкм.10
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 50 Fe - 50 Со.
Средний размер частиц - 24 мкм.90
Alloy 50 Fe - 50 Co.
The average particle size is 24 microns.
15 минута в вакууме, 10 Па600 ° C
15 minutes in vacuum, 10 Pa
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц 15 мкм.fifteen
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 50 Fe - 50 Со.
Средний размер частиц - 24 мкм.85
Alloy 50 Fe - 50 Co.
The average particle size is 24 microns.
15 минута в вакууме, 10 Па600 ° C
15 minutes in vacuum, 10 Pa
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц 15 мкм.8
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 80 Ni -
20 Cr. Средний размер частиц 120 мкм.92
Alloy 80 Ni -
20 Cr. The average particle size is 120 microns.
30 минут в вакууме,
100 Па500 ° C
30 minutes in a vacuum
100 Pa
Графит марки ГМЗ.
Средний размер частиц 15 мкм.fifteen
GMZ brand graphite.
The average particle size is 15 microns.
Сплав 80 Ni - 20 Cr.
Средний размер частиц 120 мкм.75
Alloy 80 Ni - 20 Cr.
The average particle size is 120 microns.
30 минут в вакууме,
100 Па500 ° C
30 minutes in a vacuum
100 Pa
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006131316/02A RU2335556C2 (en) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | Method of diamond-bearing material production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006131316/02A RU2335556C2 (en) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | Method of diamond-bearing material production |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006131316A RU2006131316A (en) | 2008-03-10 |
| RU2335556C2 true RU2335556C2 (en) | 2008-10-10 |
Family
ID=39280473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006131316/02A RU2335556C2 (en) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | Method of diamond-bearing material production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2335556C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2521769C1 (en) * | 2012-11-23 | 2014-07-10 | Борис Юрьевич Гайворонский | Abrasive mixture for abrasive pastes and tools and method for production thereof |
| RU2535195C1 (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента"-ОАО "ВНИИАЛМАЗ" | Mixture for making diamond tool |
| RU2635488C1 (en) * | 2016-09-26 | 2017-11-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles |
| RU2754825C1 (en) * | 2020-03-24 | 2021-09-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Matrix for diamond tool based on tungsten carbide with binder of fe-c eutectic alloy and method for production thereof |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2704427C1 (en) * | 2018-10-30 | 2019-10-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экспериментальной минералогии имени академика Д.С. Коржинского Российской академии наук (ИЭМ РАН) | Method of producing diamond |
-
2006
- 2006-08-31 RU RU2006131316/02A patent/RU2335556C2/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2521769C1 (en) * | 2012-11-23 | 2014-07-10 | Борис Юрьевич Гайворонский | Abrasive mixture for abrasive pastes and tools and method for production thereof |
| RU2535195C1 (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента"-ОАО "ВНИИАЛМАЗ" | Mixture for making diamond tool |
| RU2635488C1 (en) * | 2016-09-26 | 2017-11-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles |
| RU2754825C1 (en) * | 2020-03-24 | 2021-09-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Matrix for diamond tool based on tungsten carbide with binder of fe-c eutectic alloy and method for production thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006131316A (en) | 2008-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4931068A (en) | Method for fabricating fracture-resistant diamond and diamond composite articles | |
| RU2161087C2 (en) | Cutting tool based on polycrystalline cubic boron nitride and method of manufacturing thereof (versions) | |
| US20110020163A1 (en) | Super-Hard Enhanced Hard Metals | |
| EP3250538B1 (en) | Friable ceramic-bonded diamond composite particles and methods to produce the same | |
| RU2335556C2 (en) | Method of diamond-bearing material production | |
| FI91271C (en) | Process for producing abrasives and ceramic abrasives produced by the process | |
| JP2005514300A (en) | Low oxygen cubic boron nitride and its products | |
| FR2784690A1 (en) | Pre-alloyed tungsten and-or molybdenum and transition metal based powder, useful for sintered parts or cermet binders, comprises micron-size elementary particles | |
| CA2037413C (en) | Method for producing a fine grained powder consisting of nitrides and carbonitrides of titanium | |
| JP6281955B2 (en) | Functionalization of cubic boron nitride and manufacturing method thereof | |
| JPS62274034A (en) | Manufacture of polycrystalline diamond sintered compact by reaction sintering | |
| TW201836977A (en) | Single crystal diamond particles containing cubic boron nitride particles, and manufacturing method thereof | |
| RU2314275C2 (en) | Method of manufacturing antifriction parts from silicon carbide | |
| RU2223220C2 (en) | Method of preparing diamond particles, method of preparing diamond crystals, and method of preparing blanks containing diamond particles | |
| US4859124A (en) | Method of cutting using a titanium diboride body | |
| JP2015531317A (en) | Single crystal diamond or CBN characterized by microfracturing during grinding | |
| JPH0437650A (en) | Fracture resisting diamond and processing of diamond-combined article | |
| EP1480924B1 (en) | Abrasive particles based on aluminium oxynitride | |
| JPH11193425A (en) | Method for regenerating powder for sintered hard alloy chip and method for regenerating sintered hard alloy chip | |
| JPH082997A (en) | Method for improving toughness of artificial diamond | |
| JP2927400B2 (en) | Method for regenerating cemented carbide composition and method for producing cemented carbide | |
| RU2815694C1 (en) | Method for producing super fine-grained carbide alloy | |
| DE3514507C2 (en) | ||
| JP2004292865A (en) | Hard metal superior in fracture resistance and manufacturing method therefor | |
| EP0148821A1 (en) | Method of making and using a titanium diboride comprising body. |