RU2740599C1 - Method of producing polycrystalline diamond material - Google Patents

Method of producing polycrystalline diamond material Download PDF

Info

Publication number
RU2740599C1
RU2740599C1 RU2020110362A RU2020110362A RU2740599C1 RU 2740599 C1 RU2740599 C1 RU 2740599C1 RU 2020110362 A RU2020110362 A RU 2020110362A RU 2020110362 A RU2020110362 A RU 2020110362A RU 2740599 C1 RU2740599 C1 RU 2740599C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
barrier layer
diamond
rod
metal
catalyst
Prior art date
Application number
RU2020110362A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Вениаминович Бражкин
Василий Иванович Бугаков
Алла Викторовна Ножкина
Александр Иванович Лаптев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)
Priority to RU2020110362A priority Critical patent/RU2740599C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2740599C1 publication Critical patent/RU2740599C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25Diamond
    • C01B32/26Preparation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/528Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention can be used in making cutting tools. Method of producing polycrystalline diamond material includes placing high pressure chamber in reaction cell in zone of maximum temperature of heating of rod from metal-catalyst, having end working surface, and carbon-containing material, forming a shell around the core. Reaction cell is exposed to high pressure and temperature in the region of thermodynamic stability of diamond. End working surface of rod is equipped with barrier layer. Barrier layer is made from metal having a melting point higher than the melting temperature of the catalyst metal and which is not in the synthesis conditions by the diamond formation catalyst. Thickness of barrier layer makes 0.05–0.5 mm.
EFFECT: invention widens the field of use of polycrystalline diamond material by reducing the weakened transition zone in the obtained material while maintaining the overall geometric dimensions of the diamond polycrystalline material.
7 cl, 7 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к способу получения поликристаллического алмазного материала, преимущественно материала типа карбонадо.The invention relates to a method for producing a polycrystalline diamond material, mainly a carbonado-type material.

Поликристаллические алмазные материалы (алмазные поликристаллы) состоят из сросшихся между собой мелких алмазных кристаллитов. Эти материалы изотропны, поэтому они во многих случаях предпочтительнее монокристаллов алмазов и могут заменить их в различных инструментах, таких как в буровом инструменте, в резцах, в фильерах, выглаживателях и других. Синтезированные поликристаллические алмазные материалы получают воздействием высоких давлений и температур в области термодинамической стабильности алмаза на находящиеся в контакте друг с другом углеродосодержащий материал и металл-катализатор. В этих условиях углеродосодержащий материал в присутствии металла-катализатора трансформируется в алмаз. Однако в результате протекающих в камере высокого давления процессов в алмазном поликристалле обнаруживаются различные включения неалмазной структуры, такие как остатки металла-катализатора, продукты взаимодействия металла-катализатора с углеродом, остаточный графит, продукты реакции материалов, из которых изготовлены детали камеры. Включения существенно снижают прочность, износостойкость, термостойкость поликристаллического алмазного материала, и, соответственно, снижают срок службы инструментов.Polycrystalline diamond materials (diamond polycrystals) consist of intergrown small diamond crystallites. These materials are isotropic, so they are in many cases preferable to single crystals of diamonds and can replace them in various tools, such as drilling tools, cutters, dies, smoothers and others. The synthesized polycrystalline diamond materials are obtained by the action of high pressures and temperatures in the region of the thermodynamic stability of diamond on the carbon-containing material and the metal-catalyst in contact with each other. Under these conditions, the carbon-containing material in the presence of a metal catalyst is transformed into diamond. However, as a result of the processes occurring in the high-pressure chamber, various inclusions of a non-diamond structure are found in the diamond polycrystal, such as residues of the metal catalyst, the products of the interaction of the metal catalyst with carbon, residual graphite, and the reaction products of the materials from which the chamber parts are made. The inclusions significantly reduce the strength, wear resistance, and heat resistance of polycrystalline diamond material, and, accordingly, reduce the service life of the tools.

Было установлено, что барьеры, ограждающие зону синтеза в камере высокого давления, ограничивают попадание включений неалмазной структуры в поликристаллический алмазный материал.It was found that the barriers enclosing the synthesis zone in the high-pressure chamber limit the ingress of non-diamond inclusions into the polycrystalline diamond material.

В патенте GB1000702, кл. B01J3/062, 1965 г. предлагается способ получения поликристаллического алмазного материла, в котором подложку из металла-катализатора окружают углеродосодержащим материалом, сборку размещают в барьерной трубке и подвергают воздействию высокими давлением и температурой. Барьерную трубку выполняют из материала, температура плавления которого выше температуры плавления металла-катализатора. Барьерная трубка защищает зону синтеза алмаза от поступления туда нежелательных включений, образующихся за пределами зоны синтеза, например, продуктов реакции катлинита, талька и т.п., которые выделяют летучие вещества или плавятся и текут в направлении металла-катализатора, и оказывают отрицательное влияние на процесс превращения углеродосодержащего материала в алмаз.In GB1000702, cl. B01J3 / 062, 1965, a method for producing a polycrystalline diamond material is proposed, in which a metal catalyst substrate is surrounded with a carbonaceous material, the assembly is placed in a barrier tube and subjected to high pressure and temperature. The barrier tube is made of a material whose melting point is higher than the melting point of the catalyst metal. The barrier tube protects the diamond synthesis zone from the ingress of unwanted inclusions formed outside the synthesis zone, for example, reaction products of catlinite, talc, etc., which emit volatiles or melt and flow in the direction of the catalyst metal, and have a negative effect on the process of converting carbonaceous material into diamond.

Однако при синтезе алмазных кристаллов образуется большое количество включений неалмазной структуры внутри барьерной трубки, т.е. в зоне реакционной ячейки, где расположены углеродосодержащий материал и металл-катализатор. Так в процессе образования кристаллов алмаза при повышенных давлении и температуре, происходит плавление металла-катализатора и перемещение его в объем углеродосодержащего материала. При этом в алмазном поликристалле на границе углеродосодержащего материала и металла-катализатора образуется переходная зона, обогащенная металлическими включениями и обедненная алмазными кристаллами. Такая зона не может быть использована при изготовлении инструмента. В результате размер поликристалла уменьшается на величину переходной зоны, ограничивая область его применения.However, during the synthesis of diamond crystals, a large number of inclusions of a non-diamond structure are formed inside the barrier tube, i.e. in the zone of the reaction cell, where the carbonaceous material and the metal catalyst are located. So in the process of formation of diamond crystals at elevated pressure and temperature, the metal catalyst melts and moves into the volume of the carbon-containing material. In this case, a transition zone enriched in metal inclusions and depleted in diamond crystals is formed in the diamond polycrystal at the interface between the carbon-containing material and the metal-catalyst. This area cannot be used for tool making. As a result, the size of the polycrystal decreases by the size of the transition zone, limiting the area of its application.

В известном способе получения поликристаллического алмазного материала, описанном в источнике SU1533218, кл. С01 В31/06, 1987 г. барьерный слой располагают между углеродосодержащим материалом и металлом-катализатором, отделяя их друг от друга. Барьерный слой выполняют из соли аммония. Назначение барьерного слоя - ограничение попадания металла-катализатора в переходную зону поликристалла.In the known method for producing polycrystalline diamond material described in the source SU1533218, class. C01 B31 / 06, 1987, the barrier layer is placed between the carbonaceous material and the metal catalyst, separating them from each other. The barrier layer is made of ammonium salt. The purpose of the barrier layer is to limit the ingress of the catalyst metal into the transition zone of the polycrystal.

Недостаток данного способа заключается в том, что пористый барьерный слой не препятствует проникновению металла-катализатора в углеродосодержащий материал и, соответственно, образованию переходной зоны в алмазном поликристалле, насыщенной металлом-катализатором. Кроме того, продукты взаимодействия солей аммония и металла-катализатора остаются внутри синтезированного алмазного поликристалла, попадая в алмазный поликристалл вместе с металлом-растворителем. Такая переходная зона помимо металла-катализатора содержит крупные включения химически инородного к алмазному поликристаллу материала с пониженной прочностью и твердостью.The disadvantage of this method is that the porous barrier layer does not prevent the penetration of the metal catalyst into the carbon-containing material and, accordingly, the formation of a transition zone in the diamond polycrystal saturated with the metal catalyst. In addition, the products of the interaction of ammonium salts and the metal catalyst remain inside the synthesized diamond polycrystal, falling into the diamond polycrystal together with the metal solvent. In addition to the metal catalyst, such a transition zone contains large inclusions of a material chemically foreign to the diamond polycrystal with reduced strength and hardness.

Наиболее близким техническим решением для получения поликристаллического алмазного материала типа карбонадо больших размеров является техническое решение по US4049783 кл. С01В31/06, 1977 г. Известный способ включает воздействие высокими давлением и температурой в области стабильности алмаза на установленную в реакционной ячейке камеры высоких давлений и температур подложку из углеродосодержащего материала в присутствии металла-катализатора. Подложка выполнена в виде стержня, расположенного одним концом внутри заготовки из углеродсодержащего материала, а другим концом - в контакте с охлаждающим элементом камеры высокого давления. Особенность способа заключается в том, что рабочая поверхность стержня, на которой происходит образование поликристаллического алмаза, имеет линейный размер не более 0,1-0,2 линейного размера углеродосодержащего материала, при этом металл-катализатор расположен в реакционной ячейке в зоне максимальной температуры нагрева. При воздействии высокими давлением и температурой в области термодинамической стабильности алмаза на рабочей поверхности стержня создаются термобарические условия, обеспечивающие получение алмазного поликристалла с мелкозернистой структурой и минимальным содержанием локализованных неалмазных включений.The closest technical solution for obtaining a polycrystalline diamond material of the carbonado type of large sizes is a technical solution according to US4049783 class. С01В31 / 06, 1977. The known method includes exposure to high pressure and temperature in the region of diamond stability on a substrate of a carbon-containing material installed in the reaction cell of a chamber of high pressures and temperatures in the presence of a metal catalyst. The substrate is made in the form of a rod located at one end inside the workpiece made of carbon-containing material, and at the other end in contact with the cooling element of the high-pressure chamber. The peculiarity of the method lies in the fact that the working surface of the rod, on which the formation of polycrystalline diamond occurs, has a linear dimension of no more than 0.1-0.2 linear dimensions of the carbon-containing material, while the metal-catalyst is located in the reaction cell in the zone of the maximum heating temperature. When exposed to high pressure and temperature in the region of thermodynamic stability of diamond, thermobaric conditions are created on the working surface of the rod, ensuring the production of a diamond polycrystal with a fine-grained structure and a minimum content of localized non-diamond inclusions.

Недостаток способа состоит в том, что углеродосодержащий материал и металл-катализатор в реакционной ячейке находятся в контакте друг с другом. При повышении давления и температуры в результате происходящих в приконтактной зоне процессов расплав металла-катализатора в отсутствии специальных ограничительных средств перемещается в объем углеродосодержащего материала и образует в поликристаллическом алмазном материале ослабленную переходную зону, имеющую повышенное содержание металла-катализатора. При этом металл-катализатор образует в этой зоне крупные металлические включения, составляющие десятые доли миллиметра. Так как рабочая поверхность образующегося алмазного поликристалла изначально ограниченна в линейных размерах, образование у поликристалла в зоне контакта углеродосодержащего материала и металла-катализатора ослабленной зоны, существенно уменьшает рабочие размеры получаемого поликристаллического алмазного материала и тем самым сужает области его использования.The disadvantage of this method is that the carbonaceous material and the metal catalyst in the reaction cell are in contact with each other. With an increase in pressure and temperature as a result of processes occurring in the near-contact zone, the catalyst metal melt, in the absence of special restrictive means, moves into the volume of the carbon-containing material and forms a weakened transition zone in the polycrystalline diamond material with an increased content of the catalyst metal. In this case, the metal catalyst forms large metal inclusions in this zone, amounting to tenths of a millimeter. Since the working surface of the resulting diamond polycrystal is initially limited in linear dimensions, the formation of a weakened zone in the polycrystal in the contact zone of the carbon-containing material and the catalyst metal, significantly reduces the working dimensions of the obtained polycrystalline diamond material and thereby narrows the area of its use.

Технической задачей изобретения является расширение областей применения поликристаллического алмазного материала за счет уменьшения в поликристаллическом материале ослабленной переходной зоны без уменьшения общих геометрических размеров алмазных поликристаллов.The technical objective of the invention is to expand the areas of application of polycrystalline diamond material by reducing the weakened transition zone in the polycrystalline material without reducing the overall geometric dimensions of diamond polycrystals.

Для решения технической задачи в способе получения поликристаллического алмазного материала, включающем помещение в реакционную ячейку камеры высокого давления и температуры в зоне максимальной температуры нагрева стержня из металла-катализатора, имеющего торцевую рабочую поверхность, и углеродосодержащего материала, образующего вокруг стержня оболочку, и воздействие на реакционную ячейку высоким давлением и температурой в области термодинамической стабильности алмаза, торцевая рабочая поверхность стержня снабжена барьерным слоем, выполненным из металла с температурой плавления, выше температуры плавления металла-катализатора и не являющегося в условиях синтеза катализатором образования алмаза, при этом барьерный слой имеет толщину 0,05-0,5 мм.To solve a technical problem in a method for producing a polycrystalline diamond material, including placing a high-pressure and temperature chamber in the reaction cell in the zone of the maximum heating temperature of a rod made of a metal catalyst having an end working surface and a carbon-containing material that forms a shell around the rod, and affecting the reaction cell with high pressure and temperature in the region of thermodynamic stability of diamond, the end working surface of the rod is equipped with a barrier layer made of metal with a melting point higher than the melting point of the metal catalyst and is not a catalyst for the formation of diamond under the synthesis conditions, while the barrier layer has a thickness of 0, 05-0.5 mm.

Барьерный слой может быть выполнен в виде фольги.The barrier layer can be made in the form of a foil.

Барьерный слой может быть выполнен с переменной толщиной, увеличивающейся к зоне с максимальной температуры нагрева.The barrier layer can be made with variable thickness, increasing towards the zone with the maximum heating temperature.

Увеличивающийся по толщине барьерный слой может иметь форму полусферы либо форму конуса. Слой может быть расположен на рабочей поверхности стержня металла-катализатора выпуклостью, направленной вглубь стержня, либо в сторону углеродосодержащего материала. Также увеличивающийся по толщине барьерный слой может иметь двояковыпуклой форму.The increasing barrier layer can be hemispherical or conical. The layer can be located on the working surface of the metal catalyst rod with a bulge directed into the rod or towards the carbon-containing material. Also, the increasing barrier layer can have a biconvex shape.

Суть изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

Синтез поликристаллического алмазного материала протекает при высоких давлениях и температурах, при этом после нагружения реакционной ячейки до рабочего давления производят нагрев прямым пропусканием тока через углеродосодержащий материал до температуры плавления металла-катализатора. В области контакта торцевой рабочей поверхности металла-катализатора и углеродсодержащего материала в зоне максимальной температуры увеличивающийся в объеме расплав металла-катализатора создает высокое локальное давление, приводящее к появлению трещин в приконтактной поверхности углеродосодержащего материала. Трещины могут достигать 2 мм. Барьерный слой на торцевой рабочей поверхности стержня, выполненный из металла, непроницаемого для расплава, не позволяет расплаву контактировать в этой зоне с углеродосодержащим материалом и соответственно проникать в его трещины и поры. Металл-катализатор течет к периферии стержня, обтекает барьерный слой и поступает в зону углеродосодержащего материала. В этой зоне в присутствии металла-катализатора начинается превращение углеродосодержащего материала в алмаз, что приводит к уменьшению локального давления за счет объемного эффекта превращения графит-алмаз. Из-за возникающего перепада давления на границу образования алмаза впрыскивается новая порция металла-катализатора, способствующего синтезу следующей порции алмаза. В процессе превращения графита в алмаз происходит снижение тока нагрева из-за общего увеличения электрического сопротивления реакционной ячейки, вследствие чего температура в ячейке снижается. Процесс превращения углеродсодержащего материала в алмаз происходит до тех пор, пока либо весь реакционный углеродсодержащий материал не превратится в алмаз, либо температура снизится до значений ниже температуры плавления металла-катализатора.The synthesis of polycrystalline diamond material proceeds at high pressures and temperatures, while after loading the reaction cell to the operating pressure, heating is performed by direct current flow through the carbon-containing material to the melting point of the metal catalyst. In the area of contact of the end working surface of the metal-catalyst and the carbon-containing material in the zone of maximum temperature, the growing melt of the metal-catalyst in the volume creates a high local pressure, leading to the appearance of cracks in the near-contact surface of the carbon-containing material. Cracks can be up to 2 mm. The barrier layer on the end working surface of the rod, made of metal impermeable to the melt, does not allow the melt to contact in this zone with the carbon-containing material and, accordingly, penetrate into its cracks and pores. The metal catalyst flows to the periphery of the rod, flows around the barrier layer and enters the zone of carbonaceous material. In this zone, in the presence of a metal catalyst, the transformation of the carbon-containing material into diamond begins, which leads to a decrease in the local pressure due to the volumetric effect of the graphite-diamond transformation. Due to the resulting pressure drop, a new portion of the metal catalyst is injected at the diamond formation boundary, which promotes the synthesis of the next portion of diamond. In the process of transformation of graphite into diamond, the heating current decreases due to the general increase in the electrical resistance of the reaction cell, as a result of which the temperature in the cell decreases. The process of converting the carbonaceous material to diamond occurs until either all of the reactive carbonaceous material is converted to diamond, or the temperature drops to values below the melting temperature of the catalyst metal.

Способ поясняется рисунками.The method is illustrated by figures.

На фиг. 1 показано снаряжение реакционной ячейки, в которой размещен металл-катализатор, выполненный в виде стержня, барьерный слой, выполненный в виде фольги, и углеродсодержащий материал, окружающий стержень.FIG. 1 shows the equipment of the reaction cell, which contains a metal-catalyst made in the form of a rod, a barrier layer made in the form of a foil, and a carbon-containing material surrounding the rod.

На фиг. 2 показана рабочая ячейка с выросшим поликристаллическим алмазным материалом.FIG. 2 shows a working cell with a grown polycrystalline diamond material.

На фиг. 3 показан металл-катализатор, выполненный в виде стержня и барьерный слой, выполненный в виде фольги.FIG. 3 shows a rod-shaped catalyst metal and a foil-shaped barrier layer.

На фиг. 4 показан металл-катализатор, выполненный в виде стержня и барьерный слой с переменной толщиной, увеличивающейся к зоне максимальной температуры нагрева, т.е. барьерный слой выполнен в виде полусферы.FIG. 4 shows a metal catalyst made in the form of a rod and a barrier layer with a variable thickness increasing towards the zone of the maximum heating temperature, i.e. the barrier layer is made in the form of a hemisphere.

На фиг. 5 показан металл-катализатор, выполненный в виде стержня и барьерный слой с переменной толщиной, увеличивающейся к зоне максимальной температуры нагрева, т.е. барьерный слой выполнен в виде конуса.FIG. 5 shows a metal catalyst made in the form of a rod and a barrier layer with variable thickness increasing towards the zone of maximum heating temperature, i.e. the barrier layer is made in the form of a cone.

На фиг. 6 показан металл-катализатор, выполненный в виде стержня и барьерный слой, имеющий двояковыпуклую форму.FIG. 6 shows a rod-shaped catalyst metal with a biconvex barrier layer.

На фиг. 7 показан поликристаллический алмазный материал типа карбонадо.FIG. 7 shows a carbonado-type polycrystalline diamond material.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Реакционная ячейка (фиг. 1) камеры высокого давления содержит графитовый нагреватель 1, внутри которого установлен электроизоляционный слой 2 из гексагонального нитрида бора. Для осуществления синтеза внутри электроизоляционного слоя размещают металл-катализатор 3, который предпочтительно выполняют в виде стержня. Стержень имеет торцевую рабочую поверхность 4, для образования поликристаллического алмазного материала. На торцевой рабочей поверхности 4 стержня располагают барьерный слой 5. Свободное пространство в реакционной ячейке заполняют углеродосодержащим материалом 6. Стержень в углеродосодержащем материале размещают таким образом, чтобы его торцевая рабочая поверхность 4 с барьерным слоем 5 находились в окружении углеродосодержащего материала 6 в зоне максимальной температуры нагрева 7. 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. После прогрева начинается процесс образования алмаза, который заканчивается в течение нескольких секунд, после чего выключают нагрев, снижают давление до атмосферного и извлекают поликристалл 8. (фиг. 7).The reaction cell (Fig. 1) of the high-pressure chamber contains a graphite heater 1, inside which is installed an electrical insulating layer 2 of hexagonal boron nitride. To carry out the synthesis, a metal catalyst 3 is placed inside the electrically insulating layer, which is preferably made in the form of a rod. The rod has an end working surface 4 for the formation of a polycrystalline diamond material. On the end working surface 4 of the rod there is a barrier layer 5. The free space in the reaction cell is filled with carbon-containing material 6. The rod in the carbon-containing material is placed so that its end working surface 4 with a barrier layer 5 is surrounded by carbon-containing material 6 in the zone of maximum heating temperature 7. After equipping the high-pressure chamber, the pressure is increased and heated to the melting point of the metal catalyst. The reaction cell is heated by direct current flow through the carbon-containing material. After heating, the process of diamond formation begins, which ends within a few seconds, after which the heating is turned off, the pressure is reduced to atmospheric pressure, and the polycrystal 8 is removed (Fig. 7).

Поликристалл 8 состоит из сросшихся между собой мелких алмазных кристаллитов и в области контакта углеродосодержащего материала с барьерным слоем имеет небольшую переходную зону 9, содержащую в незначительном количестве металл-катализатор.Polycrystal 8 consists of intergrown small diamond crystallites and in the area of contact of the carbon-containing material with the barrier layer has a small transition zone 9 containing a small amount of the metal catalyst.

В качестве материала барьерного слоя берут металлы или его сплавы, имеющие температуру плавления выше температуры плавления металла-катализатора. Основное требование к металлическому барьерному слою заключается в том, что он, должен быть непроницаемым для расплавленного металла-катализатора. Металлический материал не должен являться катализатором образования алмаза в условиях синтеза, не должен подвергаться сжатию и деформациям, сохраняя целостность в условиях синтеза, не вступать в реакцию с компонентами, участвующими в синтезе, не выделять какие-либо вещества, загрязняющие поликристаллический материал. В качестве такого материала могут быть использованы металлы: молибден, ниобий, тантал, вольфрам, титан, либо сплавы этих металлов, удовлетворяющие вышеназванные условия.Metals or its alloys having a melting point higher than the melting temperature of the catalyst metal are taken as the material of the barrier layer. The main requirement for the metal barrier layer is that it must be impermeable to the molten metal catalyst. The metallic material should not be a catalyst for the formation of diamond under the conditions of synthesis, should not undergo compression and deformation, while maintaining integrity under the conditions of synthesis, not react with the components involved in the synthesis, and should not release any substances that contaminate the polycrystalline material. As such a material, metals can be used: molybdenum, niobium, tantalum, tungsten, titanium, or alloys of these metals that satisfy the above conditions.

Барьерный слой может быть выполнен в виде фольги 5 толщиной 0,05-0,5 мм. При толщине барьерного слоя менее 0,05 мм слой будет растворяться в расплаве металла-катализатора, и может быть нарушен процесс синтеза алмаза и увеличена ослабленная зона поликристалла. Увеличение толщины барьерного слоя более 0,5 мм приведет к уменьшению высоты формирующегося поликристалла, что ограничит область его применения.The barrier layer can be made in the form of foil 5 with a thickness of 0.05-0.5 mm. If the thickness of the barrier layer is less than 0.05 mm, the layer will dissolve in the melt of the metal catalyst, and the process of diamond synthesis may be disrupted and the weakened zone of the polycrystal may increase. An increase in the thickness of the barrier layer more than 0.5 mm will lead to a decrease in the height of the forming polycrystal, which will limit the scope of its application.

В других вариантах барьерный слой может иметь переменную толщину, увеличивающуюся к зоне максимальной температуры нагрева реакционной ячейки. Барьерный слой может быть выполнен в форме полусферы 10, в форме конуса П. двояковыпуклой формы 12. Барьерный слой, выполненный в форме полусферы или конуса, может быть расположен на стержне металла-катализатора выпуклостью в сторону углеродосодержащего материала (на фиг. 2 и фиг. 3 слой показан сплошной линией), либо направлен вглубь стержня металла-катализатора (на фиг. 2 и фиг. 3 слой показан пунктирной линией). Поскольку при высоких давлениях превращение графита в алмаз идет с выделением тепла - теплоты кристаллизации, увеличенная толщина барьерного слоя в зоне максимальной температуры нагрева обеспечивает отвод некоторого количества тепла из зоны максимального нагрева, способствуя ускорению процесса и увеличению образующихся кристаллов алмаза в поликристалле.In other embodiments, the barrier layer may be of varying thickness, increasing towards the zone of the maximum heating temperature of the reaction cell. The barrier layer can be made in the form of a hemisphere 10, in the form of a cone P. of a biconvex shape 12. The barrier layer, made in the form of a hemisphere or a cone, can be located on the metal-catalyst rod with a bulge towards the carbon-containing material (in Fig. 2 and Fig. 3, the layer is shown by a solid line), or directed into the depth of the metal catalyst rod (in Fig. 2 and Fig. 3, the layer is shown by a dashed line). Since at high pressures the transformation of graphite into diamond proceeds with the release of heat - the heat of crystallization, the increased thickness of the barrier layer in the zone of the maximum heating temperature ensures the removal of a certain amount of heat from the zone of maximum heating, contributing to the acceleration of the process and an increase in the resulting diamond crystals in the polycrystal.

В качестве углеродосодержащего материала могут быть использованы такие материалы, как аморфный углерод, древесный уголь, антрацит и другие углеродные материалы, подвергнутые высокотемпературной термической обработке, но предпочтительнее использовать чистый графит высокой степени кристаллического совершенства.As the carbon-containing material, materials such as amorphous carbon, charcoal, anthracite and other carbon materials subjected to high-temperature heat treatment can be used, but it is preferable to use pure graphite with a high crystalline perfection.

Понятие металл-катализатор, включает в себя как, по меньшей мере, один металл, так и сплавы металлов, соединения металлов с включениями карбидов, боридов, интерметаллидов, которые могут способствовать каталитическому превращению углеродосодержащего материала в алмаз и иметь жидкофазное состояние в условиях синтеза. В качестве металла-катализатора могут быть использованы электролитический никель; сплавы никеля с хромом; железо с хромом; никель, железо и хром; порошки твердых сплавов и другие.The concept of a metal catalyst includes both at least one metal and metal alloys, metal compounds with inclusions of carbides, borides, intermetallic compounds, which can facilitate the catalytic conversion of a carbon-containing material into diamond and have a liquid-phase state under synthesis conditions. Electrolytic nickel can be used as a metal catalyst; nickel-chromium alloys; iron with chromium; nickel, iron and chromium; hard alloy powders and others.

В зависимости от металла-катализатора алмазные поликристаллы синтезируют при давлении 6-12 ГПа при температуре плавления металла-катализатора. Обычно время синтеза составляет 3-30 сек.Depending on the metal-catalyst, diamond polycrystals are synthesized at a pressure of 6-12 GPa at the melting temperature of the metal-catalyst. Usually the synthesis time is 3-30 sec.

ПримерыExamples of

В реакционную камеру типа «тороид» с внутренним диаметром 7 мм и высотой 9 мм помещали графитовый нагреватель с внутренним диаметром 5 мм. Внутри нагревателя помещали стержень из металла-катализатора на основе никеля электролитического. На торцевой рабочей поверхности стержня размещали фольгу из тантала толщиной 0,1 мм. Свободное пространство реакционной ячейки заполняли углеродосодержащим материалом - графитом марки МГОСЧ. Реакционную ячейку нагружали давлением 8.0 ГПа, поднимали температуру до 2000К. Условия синтеза выдерживали в течение 15 сек. Полученный поликристаллический материал - карбонадо- представлял собой цилиндр высотой 4,3 мм и диаметром 4,2 мм. При этом переходная зона составляла 0,3 мм, рабочая зона за вычетом зоны катализатора и переходной зоны составляла 3,0 мм. Такого размера материала достаточно для изготовления соплового, волочильного инструментов, для которых размер поликристаллического алмазного материала имеет существенное значение. Режущий инструмент, изготовленный из полученного алмазного поликристалла, выдерживает до 8 переточек.A graphite heater with an inner diameter of 5 mm was placed in a toroid-type reaction chamber with an inner diameter of 7 mm and a height of 9 mm. A rod made of a metal catalyst based on electrolytic nickel was placed inside the heater. A tantalum foil 0.1 mm thick was placed on the end working surface of the rod. The free space of the reaction cell was filled with a carbon-containing material - graphite of the MGOSCH grade. The reaction cell was loaded with a pressure of 8.0 GPa, and the temperature was raised to 2000K. The synthesis conditions were maintained for 15 sec. The obtained polycrystalline material - carbonado - was a cylinder 4.3 mm high and 4.2 mm in diameter. The transition zone was 0.3 mm, the working zone minus the catalyst zone and the transition zone was 3.0 mm. This material size is sufficient for the manufacture of nozzle, drawing tools, for which the size of the polycrystalline diamond material is essential. The cutting tool made of the obtained diamond polycrystal can withstand up to 8 regrinds.

В аналогичных условиях получали поликристаллический алмазный материал без использования на торцевой рабочей поверхности барьерного слоя. Полученный поликристаллический материал - карбонадо- представлял собой цилиндр высотой 4,3 мм и диаметром 4,2 мм. При этом переходная зона составляла 1,2 мм, рабочая зона за вычетом зоны катализатора и переходной зоны составляла 1,9 мм. Такого размера материала недостаточно для изготовления соплового и волочильного инструментов. Режущий инструмент, изготовленный из полученного алмазного поликристалла, выдерживает до 3 переточек.Under similar conditions, a polycrystalline diamond material was obtained without using a barrier layer on the end face. The obtained polycrystalline material - carbonado - was a cylinder 4.3 mm high and 4.2 mm in diameter. The transition zone was 1.2 mm, the working zone minus the catalyst zone and the transition zone was 1.9 mm. This material size is not sufficient for the manufacture of nozzle and drawing tools. The cutting tool made from the obtained diamond polycrystal can withstand up to 3 regrinds.

Таким образом, способ позволяет расширить область применения поликристаллического алмазного материала за счет уменьшения в материале ослабленной переходной зоны при сохранении общих геометрических размеров алмазного поликристалла.Thus, the method makes it possible to expand the field of application of the polycrystalline diamond material by reducing the weakened transition zone in the material while maintaining the overall geometric dimensions of the diamond polycrystal.

Claims (7)

1. Способ получения поликристаллического алмазного материала, включающий помещение в реакционную ячейку камеры высокого давления в зоне максимальной температуры нагрева стержня из металла-катализатора, имеющего торцевую рабочую поверхность, и углеродосодержащего материала, образующего вокруг стержня оболочку, и воздействие на реакционную ячейку высоким давлением и температурой в области термодинамической стабильности алмаза, отличающийся тем, что торцевая рабочая поверхность стержня снабжена барьерным слоем, выполненным из металла с температурой плавления выше температуры плавления металла-катализатора и не являющегося в условиях синтеза катализатором образования алмаза, и имеющего толщину 0,05-0,5 мм.1. A method of obtaining polycrystalline diamond material, including placing a high-pressure chamber in a reaction cell in the zone of maximum heating temperature of a rod made of a metal catalyst having an end working surface and a carbon-containing material forming a shell around the rod, and exposing the reaction cell to high pressure and temperature in the field of thermodynamic stability of diamond, characterized in that the end working surface of the rod is equipped with a barrier layer made of metal with a melting temperature higher than the melting point of the metal catalyst and which is not a catalyst for the formation of diamond under the synthesis conditions, and having a thickness of 0.05-0.5 mm. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен в виде фольги.2. The method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is made in the form of a foil. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен с переменной толщиной, увеличивающейся к зоне максимальной температуры нагрева реакционной ячейки.3. The method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is made with a variable thickness increasing towards the zone of the maximum heating temperature of the reaction cell. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен в форме полусферы, конуса.4. A method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is made in the form of a hemisphere, a cone. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой расположен на рабочей поверхности стержня выпуклостью, направленной в сторону углеродосодержащего материала.5. The method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is located on the working surface of the rod with a bulge directed towards the carbonaceous material. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой расположен на рабочей поверхности стержня выпуклостью, направленной вглубь стержня.6. The method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is located on the working surface of the rod with a bulge directed into the depth of the rod. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен двояковыпуклой формы.7. The method according to claim 1, characterized in that the barrier layer is made of a biconvex shape.
RU2020110362A 2020-03-12 2020-03-12 Method of producing polycrystalline diamond material RU2740599C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110362A RU2740599C1 (en) 2020-03-12 2020-03-12 Method of producing polycrystalline diamond material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110362A RU2740599C1 (en) 2020-03-12 2020-03-12 Method of producing polycrystalline diamond material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740599C1 true RU2740599C1 (en) 2021-01-15

Family

ID=74184029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020110362A RU2740599C1 (en) 2020-03-12 2020-03-12 Method of producing polycrystalline diamond material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740599C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049783A (en) * 1970-01-04 1977-09-20 Leonid Fedorovich Vereschagin Method of producing polycrystalline diamonds
RU2060933C1 (en) * 1994-06-22 1996-05-27 Институт физики высоких давлений им.Л.Ф.Верещашина РАН Method for production of polycrystalline diamond having predetermined shape
US20120192501A1 (en) * 2009-08-20 2012-08-02 Baker Hughes Incorporated Cutting elements having different interstitial materials in multi-layer diamond tables, earth-boring tools including such cutting elements, and methods of forming same
RU2476376C2 (en) * 2011-05-31 2013-02-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента"-ОАО "ВНИИАЛМАЗ" Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals
US20160289079A1 (en) * 2014-06-04 2016-10-06 Halliburton Energy Services, Inc. High pressure jets for leaching catalysts from a polycrystalline diamond compact

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049783A (en) * 1970-01-04 1977-09-20 Leonid Fedorovich Vereschagin Method of producing polycrystalline diamonds
RU2060933C1 (en) * 1994-06-22 1996-05-27 Институт физики высоких давлений им.Л.Ф.Верещашина РАН Method for production of polycrystalline diamond having predetermined shape
US20120192501A1 (en) * 2009-08-20 2012-08-02 Baker Hughes Incorporated Cutting elements having different interstitial materials in multi-layer diamond tables, earth-boring tools including such cutting elements, and methods of forming same
RU2476376C2 (en) * 2011-05-31 2013-02-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента"-ОАО "ВНИИАЛМАЗ" Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals
US20160289079A1 (en) * 2014-06-04 2016-10-06 Halliburton Energy Services, Inc. High pressure jets for leaching catalysts from a polycrystalline diamond compact

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4104441A (en) Polycrystalline diamond member and method of preparing same
US3407445A (en) High pressure reaction vessel for the preparation of diamond
JP5961194B2 (en) Method for producing a member for use in a cutting tool or a drilling tool, comprising at least one block of dense material comprising hard particles dispersed in a binder phase as a component
US4525179A (en) Process for making diamond and cubic boron nitride compacts
US3423177A (en) Process for growing diamond on a diamond seed crystal
EP0029187B1 (en) Improved method of making diamond compacts for rock drilling
US4231195A (en) Polycrystalline diamond body and process
JP5702428B2 (en) Method and apparatus for continuously producing titanium metal or titanium-based alloys
US20150174733A1 (en) Polycrystalline diamond element
EP3197846B1 (en) Substrates for polycrystalline diamond cutters with unique properties
WO2010053736A2 (en) High pressure sintering with carbon additives
EP3198045A1 (en) Cutters comprising polycrystalline diamond attached to a hard metal carbide substrate
RU2740599C1 (en) Method of producing polycrystalline diamond material
US20170266784A1 (en) Substrates for polycrystalline diamond cutters with unique properties
US4872333A (en) Wire drawing die
CN113235091A (en) Method for accelerating cobalt removal speed of PDC (polycrystalline diamond compact) drill bit diamond compact
RU2735087C1 (en) Method of producing polycrystalline diamond material with a hole
US20190275642A1 (en) Polycrystalline diamond construction and method for making same
EP0071036B1 (en) Process for making diamond and cubic boron nitride compacts
JPS6034514B2 (en) Manufacturing method of diamond sintered body
RU2820688C1 (en) Method of making diamond-hard-alloy plates
US20140230339A1 (en) Method of processing a composite body
JPH0221517B2 (en)