UA152723U - Спосіб розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен - Google Patents

Abstract

Спосіб розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен включає обробку зерен шляхом нанесення на ділянки дефектної поверхні зерен матеріалу електропровідних або феромагнітних частинок розмірами не більше 1000 нм у рідкому середовищі з концентрацією цих частинок від 0,5 до 5 мас.%, подальше сушіння зерен матеріалу та наступний розподіл зерен у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності. Додатково наносять електропровідні або феромагнітні частинки на поверхню зерен матеріалу. Здійснюють обробку зерен матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму рідинного середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища від 1:2 до 1:25, з подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх перемішування у рідинному середовищі при температурі 30-70 °C, що забезпечує наступний розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Description

Корисна модель належить до галузі збагачування корисних копалин, а також до виробництва зернистих надтвердих матеріалів шляхом розподілу зерен у силових полях на групи з різними властивостями, і може бути використана для отримання порошків з різними характеристиками якості, переважно порошків синтетичного алмазу, які можуть ефективно працювати в різних умовах експлуатації.

Відомо способи розподілу зернистого матеріалу за дефектністю поверхні зерен, які передбачають попередню обробку шляхом нанесення на дефектні ділянки поверхонь зерен матеріалів феромагнітних або електропровідних частинок, що забезпечують наступний розподіл у силових полях на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності у повітряному середовищі, при використанні феромагнітних часток і розподілом у магнітному полі Ідив. патент

України Мо 4408, МПК4 ВОЗС 1/00, опубл. 27.12.94 р., бюл. Мо 6-1), електропровідних часток і наступним розподілом у електричному полі |див. патент України Ме 65128А МПК 7 ВОЗС 7/00,

ВОЗС 1/00, опубл. 15.03.2004. Бюл. Мо 31).

Найбільш близьким за технічною суттю до способу розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен, що пропонується, є спосіб розподілу зернистого матеріалу, який передбачає: 1) попередню обробку шляхом нанесення на дефектні ділянки поверхонь зерен часток матеріалу, що забезпечують наступний розподіл у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності, який відрізняється тим, що нанесення на дефектні ділянки поверхонь зерен часток матеріалу здійснюють у рідкому середовищі з концентрацією цих часток у рідкому середовищі 0,5-5 95, а перед наступним розподілом зерен у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності їх висушують; 2) використовують електропровідні або феромагнітні частки з розмірами не більше 1000 мкм; 3) як рідке середовище використовують воду |див. патент України Мо 8528402 МПК7 ВОЗС 7/00, ВОЗС 1/00, опублЛ2.01.2009. Бюл. Мо 11.

Недоліком описаного способу є недостатня технологічність. При синтезі через варіювання концентрації розчину, кінетика процесу змінюється протягом циклу синтезу, у результаті застосування швидкоплинного синтезу утворюються кристали алмазу, які мають поверхню з переходом від атомно-гладкої до шорсткуватої, утворюється об'ємна дефектність кристалів з утворенням пірамід і двійників росту, поряд із досконалими кристалами присутні їх зростки та друзи, на поверхні кристалів присутні елементи скелетного росту, сліди ямок травлення, поглиблення від вкраплень кристалів і домішок.

Для досягнення високої ефективності процесу розподілу порошків синтетичного алмазу за міцністю необхідно селективне закріплення часток феромагнітного або електропровідного порошку на поверхні порошків алмазу з метою створення набутих властивостей.

Таким чином, основними недоліками способу є - недостатня технологічність, за рахунок того, що не проводяться процеси для збільшення площі поверхні зерен алмазу, за допомогою очищення поверхні від домішок, які набуті в процесі швидкоплинного синтезу алмазу та виготовлення порошків алмазу; - недостатнє закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на дефектних ділянках поверхні зерен алмазу призводить до утворення більш низьких набутих властивостей, що не дозволяє провести ефективне розподілення порошку у силових полях.

Як наслідок перерахованих недоліків застосування такого способу призводить до розподілення в силовому полі порошку алмазу на групи, які відрізняються за дефектністю поверхні і міцності, але мають низьку однорідність за міцністю.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу, при якому за рахунок того, що до розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен до проведення операції нанесення електропровідних або феромагнітних частинок на поверхню зерен матеріалу, здійснюють обробку зерен матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями (з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму рідинного середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до маси рідинного середовища від 1:2 до 1:25), з подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх переміщування у рідкому середовищі при температурі 30-70 "С.

При застосуванні такої технологічності способу, який пропонується як корисна модель, забезпечуються наступні ефекти: 1 - відбувається підвищення дефектності поверхні алмазу та її очищення від домішок, які набуті в процесі швидкоплинного синтезу; 2 - відбувається підвищене селективне закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на ділянках дефектної поверхні зерен; 60 З - відбувається підвищення набутих властивостей.

Перелічені ефекти утворюють умови, які дозволяють підвищити селективне закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на ділянках дефектної поверхні зерен та ефективно провести наступний розподіл порошку у силових полях на групи зерен, які відрізняються між собою за дефектністю поверхні і міцністю та додатково мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен включає обробку зерен шляхом нанесення на ділянки дефектної поверхні зерен матеріалу електропровідних або феромагнітних частинок розмірами не більше 1000 нм у рідкому середовищі з концентрацією цих частинок від 0,5 до 5 мас.9о, подальше сушіння зерен матеріалу та наступний розподіл зерен у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності. Додатково наносять електропровідні або феромагнітні частинки на поверхню зерен матеріалу. Здійснюють обробку зерен матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0- 770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму рідинного середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища від 1:2 до 1:25, з подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх перемішування у рідинному середовищі при температурі 30-70 "С, що забезпечує наступний розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Завдяки впливу кавітації, яку спричиняють ультразвукові хвилі у рідинному середовищі, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму рідинного середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища від 1:2 до 1:25 виникають локальні області стиску та розширення, які швидко чергуються.

В інтервалі частоти 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму середовища, рідина в локальних зонах підпадає під тиск, який вище тиску насичення пари при даній температурі.

Цілісність рідини руйнується, виникають кавітаційні пухирці - пароподібні порожнини з газами, які виділяються з рідини в середину пухирців. Пухирці ростуть і під впливом зовнішнього тиску миттєво руйнуються, у кристалах зернового матеріалу, що знаходиться в зоні кавітації,

Зо формується напружений стан. Під дією миттєвої локальної зміни місцевого тиску в рідині пухирці можуть різко стискатись і розширюватись, а температура газу в середині пухирців може коливатися у широких межах та досягати кількох сотень градусів за Цельсієм. В розчинених в рідині газах міститься більше кисню у відсотковому відношенні, ніж в повітрі, тому гази в пухирцях при кавітації хімічно більш агресивні, ніж атмосферне повітря, і викликають процеси окислення твердої фази, зокрема домішок, які набуті в процесі швидкоплинного синтезу алмазу.

Цей процес при застосуванні певних інтервалів частоти ультразвукових хвиль, сумарної енергії, виділеної в одиниці об'єму рідини, співвідношення маси матеріалу до маси рідинного середовища впливає на дефектність (величину площі поверхні) та чистоту поверхні алмазу.

Як наслідок, при такій підготовці поверхні порошку утворюються умови для ефективного проведення перемішування в рідині певної температури, порошку алмазу та феромагнітних або електропровідних частинок. Така технологічність призводить до збільшення селективного закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на дефектних ділянках поверхні алмазу та створює умови для ефективного розподілення порошку в силових полях. Зокрема, при такій підготовці порошку до проведення його розподілення, відбувається підвищене придбання наведених властивостей, які забезпечують контрастність розділення порошку на групи, які мають різні показники.

З урахуванням описаних вище роз'яснень можна зробити такі висновки; 1. Застосування обробки зерен алмазу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища в інтервалі 1:2-1:25, з подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх перемішування у рідкому середовищі при температурі в інтервалі 30-70 "С. При перемішуванні зростає кількість співпадінь феромагнітних або електропровідних частинок між собою та з поверхнею зерен алмазу. При температурі 30- 707С не відбувається агрегація частинок. Це сприяє закріпленню частинок на поверхні алмазу.

Застосування такої підготовки порошку забезпечує наступний розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та додатково мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Це призводить до отримання високих та стабільних показників дефектності поверхні, бо міцності порошків, однорідності за міцністю.

Результати випробувань відображені у таблиці Мо 1 (випробування Мо 1-9). 2. Застосування обробки зерен алмазу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, коли частота перевищує 35 кГц, а сумарна енергія 770,0 кДж/л, виділена у одиниці об'єму рідинного середовища, формуються напруги, які перевищують міцність матеріалу. При обробці відбувається збільшення дефектності поверхні та руйнування зерен матеріалу. У випадку, коли частота менша за 20 кГц, а сумарна енергія менша за 50 кДж/л, виділена у одиниці об'єму середовища, відбувається слабке очищення поверхні, як результат, слабке закріплення частинок на ділянках дефектної поверхні зерен алмазу. Це призводить до неефективного розподілу порошку, знижених та не стабільних показників дефектності поверхні, міцності порошків, однорідності за міцністю в порівнянні з показниками, які отримують при застосуванні прототипу. Результати випробувань відображені у таблиці Мо 1 (випробування Мо 10, 12). 3. В зоні кавітації може бути розташована лише дуже мала маса матеріалу. Тому при співвідношенні маси матеріалу до маси рідинного середовища нижче за 1:2, або вище за 1:25, завдяки тому, що в першому випадку матеріал дуже рідкий, при будь яких значеннях сумарної енергії, а в другому випадку, маса матеріалу не має змоги вільного переміщення.

Виділена в одиниці об'єму енергія, практично не впливає на дефектність поверхні, що призводить до низького закріплення частинок на поверхні та неефективного розподілення у силовому полі, знижених та не стабільних показників дефектності поверхні, міцності порошків, однорідності за міцністю в порівнянні з показниками, які отримують при застосуванні прототипу.

Результати випробувань відображені у таблиці Мо 1 (випробування Мо 14, 15) 4. Температура рідини при перемішуванні впливає на закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на ділянках дефектної поверхні алмазу. При температурі нижчої за 30 "С відбувається агрегація частинок, а при температурі вищої за 70 "С з'являються газові пухирці, починається кипіння середовища, в обох випадках процес заважає закріпленню частинок на ділянках дефектної поверхні алмазу, що призводить до подальшого погіршеного розподілу порошку у силовому полі, знижених та не стабільних показників дефектності поверхні, міцності порошків, однорідності за міцністю порівняно з показниками, які отримують при застосуванні прототипу. Результати випробувань відображені у таблиці Мо 1 (випробування Мо 16, 17).

Зо Приклад конкретної реалізації способу, що пропонується Мо 1.

Випробування проводили на зразку порошку алмазу марки АС 15 зернистістю 200/160 масою 1000 карат.

Порошок було поміщено у хімічній стакан з рідинним середовищем (вода). Співвідношення маси порошку до рідинного середовища становило1:15. Стакан з порошком у рідинному середовищі було поміщено в ультразвукову ванну та оброблено ультразвуковими хвилями з частотою 22,0 кГц при сумарній енергії 300 кДж/л, виділеній в одиниці об'єму рідинного середовища. Ультразвукові хвилі створювали за допомогою ультразвукового генератора УЗГ 1,6/22. В подальшому у хімічний стакан було додано порошок феромагнітних частинок з розміром частинок менше за 1000 нм (менше 1 мкм) при концентрації цих часток у середовищі (воді) 3,0 мас. 95. Стакан поміщено в механічну мішалку, середовище прогріто до температури 50 "С та протягом 10 хвилин проведено переміщування при цій температурі.

Після нанесення та закріплення частинок на дефектній поверхні алмазу зливали середовище, а осад (порошок алмазу з феромагнітними частинками) піддавали сушінню та наступному розподіленню у силовому полі (магнітному полі напруженості).

Отримані в результаті розподілення групи порошку алмазу досліджували. Визначали наступне: - дефектність поверхні, яку оцінювали у вигляді коефіцієнта поверхневої активності Ка, 95 і визначали за методикою М88 України 90.258-2004 "Методика визначення коефіцієнта поверхневої активності"; - міцність порошків алмазу (Р) визначали за методикою ДСТУ 9206-80; - однорідність алмазів за міцністю (Кодн. міц) оцінювали за методикою М 28.5-271:2008 "Методика аналитической оценки прочности зерен порошков сверхтвердьїх материалов (СТМ)".

Спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 2-9) та при виході за границі (приклади 10-17) пропонованих режимних параметрів у формулі корисної моделі, а також за прототипом (приклад 18). Результати зведено у таблицю Мо 1 (додається).

Як видно з таблиці Мо 1, при запропонованих у способі режимних параметрах одержано стабільно високі показники дефектності поверхні, міцності порошків, однорідності за міцністю, що перевищують показники, отримані при виході за граничні значення режимних параметрів, а також перевищують значення показників, що одержано за способом, який взято в якості 60 прототипу. Результати випробувань відображені у таблиці Мо 1 (випробування Мо 1-9).

При виході за границі режимних параметрів, які запропоновано у способі, погіршена технологічність розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен.

Показники випробувань за значеннями дорівнюють, або нижчі за показники, що отримано при застосуванні способу за прототипом (експерименти Мо 10-17).

Як видно з таблиці Мо 2, показники (середнє значення) характеристик порошку першої та другої груп, які отримано за пропонованим способом та за прототипом суттєво відрізняються.

Коефіцієнт поверхневої активності Ка, 96, який відображає дефектність поверхні порошку другої групи вище за першу групу (спосіб) який пропонується) у 2,2 рази; - (спосіб за прототипом) - 1,7 рази. Міцність порошку алмазу першої групи вище за другу групу (спосіб, який пропонується) у 4,0 рази; - (спосіб за прототипом) - 2,2 рази. Коефіцієнт однорідності за міцністю Кодн. міц., бо, порошку алмазу першої групи вище за другу групу (спосіб, який пропонується) у 1,6 рази; - (спосіб за прототипом) - 1,1 рази.

З отриманих результатів випливає, що відносно прототипу (показники, досягнуті при його використанні прийнято за 100 95) використання способу, який пропонується забезпечує розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю більше за 81,8 95, дефектністю поверхні більше за 29,4 95; мають підвищений рівень однорідності за міцністю більше за 42,7 об.

Застосування способу забезпечує підвищення дефектності поверхні алмазу та її очищення від домішок, які набуті в процесі швидкоплинного синтезу; підвищення селективного закріплення феромагнітних або електропровідних частинок на дефектних ділянках поверхонь зерен; підвищення набутих властивостей, що створює умови для ефективного проведення наступного розподілу порошку у силових полях на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Це досягається тим, що у способі розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен, який передбачає обробку зерен шляхом нанесення на дефектні ділянки поверхонь зерен матеріалу електропровідних або феромагнітних частинок розмірами не більше 1000 нм у рідинному середовищі з концентрацією цих частинок від 0,5 до 5 мас. 956, подальше сушіння зерен матеріалу та наступний розподіл зерен у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності, який відрізняється тим, що до нанесення електропровідних або

Зо феромагнітних частинок на поверхню зерен матеріалу здійснюють обробку зерен матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища від 1:2 до 1:25, 3 подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх перемішуванні у рідинному середовищі при температурі 30-70 "С, що забезпечує наступний розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та додатково мають підвищений рівень однорідності за міцністю.

Ефективність способу підтверджено науково-експериментальними дослідженнями, проведеними в НТАК "АЛКОН" НАН України.

Таблиця Мо 1

Тем-

Співвід- аку.

Сума- ношення Р ї Гру- Коефіці-

Об'єкт| Вип- |Час-| рна маси те па снта. Однорід- вип.- | робу- | то- |(енергіяічастинок е- | РОЗ- поверх- Міц- ність Нотатки робу-|вання)та,| УЗ | матері- ме. поді- е ге ність, і(алмазів за вань |Мо пп.) кГц |випро-| алу до шу- лу Ме ктивНО- Р, Н | міцністю бувань| середо- ва. п.п сті Кк 9у (Кодн. міцн.) вища бле; ння, "б

Найкращі показники 5о розподілу порошків 1. 054 |69,0| 73, |синтетичного алмазу за зерен (за рахунок розподілу у силовому полі отримано порошок

ІІ 11 (група) з незначним коефіцієнтом : гер во 1 ти 190 високою міна е з з з міцністю (експерименти ее Гете ре ЕЕ поно- спосіб | Погіршена 5о технологічність розподілу порошків дефектністю поверхні випробувань за значеннями дорівнюють, або нижчі ул вро ри о за локазники, що : 005 застосуванні способу

І сррименти МИТО тег вою | тив | во ур тв ттве т яви

Спо- сіб за 18 Показники розподілу за прото- 2 | 124 |ч85| 452 розподілу типом прототипом

Таблиця Мо 2

Показники (середнє значення) характеристик порошку першої та другої груп, які отримано за пропонованим способом та за прототипом

Спосіб, що . п опон є Спосіб за співвідношення

Формула й У прототипом ДІ ться показників порошку,

Позначення обчислення Зна- Значе-| який отримано за

Характерис- співвідно- |Сере-

Гру- | характери- чення ння способом, що тика . шення днє - Середнє . па | тик у групі . спів- співв- пропонується до порошку показників | зна- | . значення) : порошку відно- ідно- прототипу характери- |Ічення показни- ул шення : шення (Співвідношення стик пока- ків й зників Гока- показ- | показників прототипу зників ників | прийнято за 100 95,)

Ка? 1 Ка! 0,7

Ка. 95 4 2,2 1,7 29,4

Ка 21 ке | щ( 13

Р" 1 Р" 68,0 40,6

Р, Н рг 4,0 2,2 81,8 21 Р ЇЇ 77777111

Кодн. міц. ! 1 Кодн. міц.! 71,5 15,

Кодн. міц. 95 ТМ кодн ми? 1,57 1 42,7

ОДН. МІіЦ. (2 | Коднмц? | (454

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб розподілу порошків синтетичного алмазу за дефектністю поверхні зерен, який включає обробку зерен шляхом нанесення на ділянки дефектної поверхні зерен матеріалу електропровідних або феромагнітних частинок розмірами не більше 1000 нм у рідкому середовищі з концентрацією цих частинок від 0,5 до 5 мас.уою, подальше сушіння зерен матеріалу та наступний розподіл зерен у силовому полі на групи з різним рівнем дефектності поверхні і міцності, який відрізняється тим, що додатково наносять електропровідні або феромагнітні частинки на поверхню зерен матеріалу, здійснюють обробку зерен матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 50,0-770,0 кДж/л, виділеній у одиниці об'єму рідинного середовища, при співвідношенні маси зерен матеріалу до середовища від 1:2 до 1:25, з подальшим нанесенням електропровідних або феромагнітних частинок на ділянки дефектної поверхні зерен в процесі їх перемішування у рідинному середовищі при температурі 30-70 "С, що забезпечує наступний розподіл зерен у силовому полі на групи зерен, які відрізняються між собою за міцністю, дефектністю поверхні та мають підвищений рівень однорідності за міцністю.