RU2476376C2 - Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals - Google Patents
Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2476376C2 RU2476376C2 RU2011121732/04A RU2011121732A RU2476376C2 RU 2476376 C2 RU2476376 C2 RU 2476376C2 RU 2011121732/04 A RU2011121732/04 A RU 2011121732/04A RU 2011121732 A RU2011121732 A RU 2011121732A RU 2476376 C2 RU2476376 C2 RU 2476376C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- synthesis
- phosphorus
- diamonds
- diamond
- alloy
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 title 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 80
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 80
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 41
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 40
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 8
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000914 Mn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 16
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 13
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 8
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 2
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001096 P alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- JXBAVRIYDKLCOE-UHFFFAOYSA-N [C].[P] Chemical compound [C].[P] JXBAVRIYDKLCOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002065 alloy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009365 direct transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- SIBIBHIFKSKVRR-UHFFFAOYSA-N phosphanylidynecobalt Chemical compound [Co]#P SIBIBHIFKSKVRR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к производству алмазов и алмазных поликристаллов. Алмазы или алмазные порошки могут быть использованы для изготовления различных видов алмазных инструментов, в том числе, для получения композиционных материалов, соединением их друг с другом связующим компонентом, которые, наряду с поликристаллами, могут быть использованы в качестве рабочего элемента в различных видах режущих инструментов, например в резцах, правящих инструментах, выглаживателях, а также для изготовления деталей с износостойкими поверхностями, например струеобразующих сопел и др.The invention relates to the production of diamonds and diamond polycrystals. Diamonds or diamond powders can be used for the manufacture of various types of diamond tools, including the production of composite materials, combining them with each other by a binder component, which, along with polycrystals, can be used as a working element in various types of cutting tools, for example, in cutters, ruling tools, smoothers, as well as for the manufacture of parts with wear-resistant surfaces, for example, jet-forming nozzles, etc.
Известны способы синтеза алмазов воздействием на шихту, содержащую углеродный материал и катализатор (растворитель): железо, никель, кобальт, марганец, тантал, палладий, осмий, иридий, хром, давлением в диапазоне 75000-110000 атм и температурой 1450-2000°С (патент US №2947610, кл. B01J 3/06, 1958 г.).Known methods for the synthesis of diamonds by acting on a charge containing a carbon material and a catalyst (solvent): iron, nickel, cobalt, manganese, tantalum, palladium, osmium, iridium, chromium, with a pressure in the range of 75000-110000 atm and a temperature of 1450-2000 ° С ( US patent No. 2947610, CL B01J 3/06, 1958).
Основными недостатками способа являются высокие температуры и давления синтеза и, следовательно, низкая стойкость твердосплавной оснастки (камеры), в которой осуществляется синтез алмазных материалов.The main disadvantages of the method are the high temperature and pressure of the synthesis and, therefore, the low resistance of carbide tooling (chamber), in which the synthesis of diamond materials is carried out.
Известны способы получения алмазов, в которых алмазы получают при более низких термодинамических параметрах синтеза. В соответствии с патентом RU №2061654, кл. С01В 31/06, 1996 г.для синтеза алмазов берут растворитель, приготовленный сплавлением компонентов: хром, углерод, кобальт, железо. Этот растворитель позволяет значительно снизить давление синтеза до Р=4,5 ГПа и температуру синтеза до Т=1250°С. Время синтеза составляет 15 мин. В патенте RU №2073641, кл. С01В 31/06, 1997 г. в качестве растворителя углерода для синтеза алмазов используют сплав, полученный сплавлением железа, марганца и кремния. Синтез осуществляют при давлении Р=4,8 ГПа и температуре Т=1270°С, время синтеза составляет 10 мин.Known methods for producing diamonds in which diamonds are obtained at lower thermodynamic synthesis parameters. In accordance with patent RU No. 2061654, class. СВВ 31/06, 1996, for the synthesis of diamonds, a solvent prepared by fusion of components: chromium, carbon, cobalt, iron is taken. This solvent can significantly reduce the synthesis pressure to P = 4.5 GPa and the synthesis temperature to T = 1250 ° C. The synthesis time is 15 minutes In patent RU No. 2073641, class. СВВ 31/06, 1997, an alloy obtained by alloying iron, manganese, and silicon is used as a carbon solvent for the synthesis of diamonds. The synthesis is carried out at a pressure of P = 4.8 GPa and a temperature of T = 1270 ° C, the synthesis time is 10 minutes
Недостаток известных способов заключается в том, что процесс подготовки растворителя для синтеза алмазов, представляющего собой многокомпонентные сплавы металлов, которые достаточно сложно получить заданного состава (чем больше компонентов, тем сложнее), усложняет технологию получения алмазов. Кроме того, эти растворители предназначены только для синтеза алмазов, т.е. полученный в результате синтеза спек должен обладать свойствами, обеспечивающими достаточно простое извлечение алмазов из этого спека в результате отсутствия явления спекания синтезируемых частиц алмаза. Такой спек из-за невысоких физико-механических свойств не может быть использован в качестве режущих элементов для изготовления, например, лезвийных инструментов.A disadvantage of the known methods is that the process of preparing a solvent for the synthesis of diamonds, which are multicomponent metal alloys that are difficult to obtain a given composition (the more components, the more difficult), complicates the technology for producing diamonds. In addition, these solvents are intended only for the synthesis of diamonds, i.e. the synthesis cake obtained as a result of synthesis should have properties that provide a fairly simple extraction of diamonds from this cake as a result of the absence of sintering of the synthesized diamond particles. Due to its low physical and mechanical properties, such a spec can not be used as cutting elements for manufacturing, for example, blade tools.
Известен способ синтеза алмазов, при котором в шихту, содержащую углеродный материал и катализатор (растворитель), выбранный из группы: железо и/или медь, вводят металл-промотор, в качестве которого берут редкоземельный металл, выбранный из группы лантан, церий, неодим, эрбий или празедиум (SU №930800, кл. B01J 23/76, 1980 г.). Промотор повышает активность катализатора, в результате чего время синтеза сокращается до 1-5 с, сокращается также количество катализатора в шихте в целом, параметры синтеза при этом достаточно низкие: Р=55-60 кбар, Т=1200-1350°С. Данный металл-промотор не образует фаз, которые не разлагались бы при выделении кристаллов алмаза из спека при получении алмазного порошка. Недостаток способа заключается в том, что:A known method for the synthesis of diamonds, in which a promoter metal is introduced into a mixture containing carbon material and a catalyst (solvent) selected from the group: iron and / or copper, which is taken as a rare-earth metal selected from the group of lanthanum, cerium, neodymium, erbium or prazedium (SU No. 930800, class B01J 23/76, 1980). The promoter increases the activity of the catalyst, as a result of which the synthesis time is reduced to 1-5 s, the amount of catalyst in the charge as a whole is also reduced, while the synthesis parameters are quite low: P = 55-60 kbar, T = 1200-1350 ° C. This metal promoter does not form phases that would not decompose if diamond crystals were separated from the cake to produce diamond powder. The disadvantage of this method is that:
- при получении алмазного порошка в качестве катализатора используются дорогие дефицитные материалы;- upon receipt of diamond powder, expensive scarce materials are used as a catalyst;
- полученные поликристаллические материалы с использованием металлов группы железа и меди и промотора при синтезе слабо удерживают алмазные зерна, поэтому спек имеет низкие физико-механические свойства и не может быть использован в качестве поликристаллического материала.- the obtained polycrystalline materials using metals of the iron and copper groups and the promoter weakly retain diamond grains during synthesis, therefore, the cake has low physical and mechanical properties and cannot be used as a polycrystalline material.
Наиболее близким техническим решением является способ синтеза алмазных порошков, при котором на смесь углеродного материала, кобальта и фосфора или сплава кобальта-фосфора воздействуют давлениями Р=42200-49000 атм и температурой выше 1150°С в течение 90 мин. Использование кобальта и фосфора в качестве катализатора-растворителя углерода при синтезе алмазов позволило снизить параметры синтеза. Однако способ имеет следующие недостатки. Действия, производимые с мелкодисперсным фосфором при приготовлении шихты (взвешивание, перемешивание с кобальтом и углеродом), чреваты возможностями воспламенения шихты, отравлениями при контакте с фосфором. Стоимость порошка кобальта и кобальтсодержащих сплавов, которая определяется дефицитностью кобальта, достаточно высокая. Кроме того, при использовании фосфора в виде порошка отсутствует прямая реакция фосфор-углерод вплоть до температур выше 2000°С, в результате чего снижается выход алмазов за синтез. Для обеспечения завершения реакции Со-Р, и пересыщения расплава Со-Р углеродом, длительность процесса синтеза должна составлять не менее 90 мин, что оказывает существенное влияние на стойкость аппаратуры для синтеза, несмотря даже на то, что процесс синтеза алмаза протекает при более низких температурах. Кроме того, следует отметить, что кристаллы алмаза, синтезируемые в системе с кобальтом (также с никелем), содержат примеси в виде включений растворителя, которые снижают прочность и трещиностойкость алмазов и алмазного поликристаллического материала. Так как способ касается синтеза порошков алмазов, спеки, получаемые в процессе синтеза и из которых извлекают алмазные порошки, имеют недостаточные физико-механические характеристики, в том числе невысокую прочность и трещиностойкость, которая лимитируется включениями растворителя в конечном алмазном продукте.The closest technical solution is a method for the synthesis of diamond powders, in which a mixture of carbon material, cobalt and phosphorus or an alloy of cobalt-phosphorus is subjected to pressures P = 42200-49000 atm and a temperature above 1150 ° C for 90 minutes. The use of cobalt and phosphorus as a carbon solvent catalyst in the synthesis of diamonds made it possible to reduce the synthesis parameters. However, the method has the following disadvantages. The actions performed with finely dispersed phosphorus during the preparation of the mixture (weighing, mixing with cobalt and carbon) are fraught with the possibility of ignition of the mixture, poisoning in contact with phosphorus. The cost of cobalt powder and cobalt-containing alloys, which is determined by the deficiency of cobalt, is quite high. In addition, when using phosphorus in the form of a powder, there is no direct phosphorus-carbon reaction up to temperatures above 2000 ° C, as a result of which the yield of diamonds for synthesis is reduced. To ensure the completion of the Co-P reaction and the supersaturation of the Co-P melt with carbon, the duration of the synthesis process should be at least 90 minutes, which has a significant effect on the stability of the synthesis equipment, despite the fact that the synthesis of diamond proceeds at lower temperatures . In addition, it should be noted that diamond crystals synthesized in a system with cobalt (also with nickel) contain impurities in the form of solvent inclusions, which reduce the strength and crack resistance of diamonds and polycrystalline diamond material. Since the method relates to the synthesis of diamond powders, specs obtained during the synthesis and from which diamond powders are extracted have insufficient physical and mechanical characteristics, including low strength and crack resistance, which is limited by solvent inclusions in the final diamond product.
Технической задачей является разработка способа синтеза алмазов и алмазных поликристаллов, исключающего использование дефицитных компонентов и уменьшающего риски по вредности; позволяющего проводить синтез за более короткое время; получать алмазы с меньшим количеством примесей и, соответственно, получать алмазы и поликристаллические материалы повышенной прочности и трещиностойкости.The technical task is to develop a method for the synthesis of diamonds and diamond polycrystals, eliminating the use of scarce components and reducing the risks of harm; allowing synthesis in a shorter time; receive diamonds with fewer impurities and, accordingly, receive diamonds and polycrystalline materials of increased strength and crack resistance.
Технический результат достигается тем, что в способе синтеза алмазов и алмазных поликристаллов, включающем воздействие на шихту, содержащую углеродный материал и катализатор, содержащий металлический компонент и фосфор, давлениями и температурой в области термодинамической стабильности алмаза, в качестве металлического компонента берут металл, выбранный из группы: Fe, Mn, Si, при этом катализатор берут в виде сплава металлического компонента с фосфором либо смесь сплавов при весовом соотношении металлического компонента и фосфора, обеспечивающем проведение синтеза при температуре не выше 1450°С.The technical result is achieved by the fact that in the method for the synthesis of diamonds and diamond polycrystals, including the impact on a mixture containing a carbon material and a catalyst containing a metal component and phosphorus, by pressure and temperature in the field of thermodynamic stability of diamond, a metal selected from the group is taken as a metal component : Fe, Mn, Si, while the catalyst is taken in the form of an alloy of a metal component with phosphorus or a mixture of alloys at a weight ratio of the metal component and phosphorus, providing Chiva carrying out synthesis at a temperature of not higher than 1450 ° C.
При использовании в качестве металлического компонента железа сплав железа с фосфором должен содержать фосфор в количестве 8-12,5 вес.%.When used as a metal component of iron, an alloy of iron with phosphorus should contain phosphorus in an amount of 8-12.5 wt.%.
При использовании в качестве металлического компонента марганца сплав марганца с фосфором должен содержать фосфор в количестве 5-9 вес.%.When using manganese as a metal component, the alloy of manganese with phosphorus should contain phosphorus in an amount of 5-9 wt.%.
При использовании в качестве металлического компонента кремния сплав кремния с фосфором должен содержать фосфор в количестве 33-37 вес.%.When used as a metal component of silicon, an alloy of silicon with phosphorus should contain phosphorus in an amount of 33-37 wt.%.
Шихта дополнительно может содержать легирующий металл, выбранный из группы: В, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, их смесь или сплав.The mixture may additionally contain an alloying metal selected from the group: B, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, their mixture or alloy.
Легирующий металл, выбранный из группы: В, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, смесь или сплав металлов, вводят в шихту в количестве, обеспечивающем проведение синтеза при температуре не выше 1450°С.An alloying metal selected from the group: B, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, a mixture or alloy of metals, is introduced into the charge in an amount that ensures synthesis at a temperature of no higher than 1450 ° C.
Синтез алмазов и алмазных поликристаллов проводят при давлении Р=40-80 кбар и температуре Т=1200-1450°С.The synthesis of diamonds and diamond polycrystals is carried out at a pressure of P = 40-80 kbar and a temperature of T = 1200-1450 ° C.
Использование в шихте, содержащей углеродный материал, катализатор - растворитель в виде сплава металлического компонента, выбранного из группы Fe, Mn и Si с фосфором или смеси сплавов при весовом соотношении металлического компонента и фосфора, обеспечивающем проведение синтеза при температуре не выше 1450°С, позволяет проводить синтез при невысоких температурах (1200°С-1450°С) в течение короткого времени 15 с - 10 мин. За это время при температурах до 1450°С завершается процесс пересыщения расплава углеродом и кристаллизации алмазов или блоков алмазов. Снижение температуры и времени синтеза позволяет увеличить стойкость оснастки, увеличить количество циклов синтеза за определенный промежуток времени и, в результате, увеличить выход алмазных порошков и получение поликристаллического материала. Использование фосфора в виде готового сплава с металлами снижает риски, связанные с возможностью воспламенения фосфора, отравлений при контакте с порошковым фосфором. Исключается использование дефицитного кобальтового порошка, процесс захвата примесей (имеющий место при использовании карбидо-необразующего кобальта), в виде включений металла-растворителя в алмазной фазе. Получаемые при синтезе алмазные порошки и спеки могут быть эффективно использованы в качестве единичных зерен и поликристаллов, имеющих высокую прочность, трещиностойкость и износостойкость. Такими поликристаллами можно обрабатывать труднообрабатываемые материалы, обработка которых сопровождается высокими нагрузками и тепловыделением.The use of a catalyst — a solvent — in the form of an alloy of a carbon component in the form of an alloy of a metal component selected from the group Fe, Mn, and Si with phosphorus or a mixture of alloys at a weight ratio of the metal component and phosphorus ensuring synthesis at a temperature of no higher than 1450 ° C allows conduct synthesis at low temperatures (1200 ° С-1450 ° С) for a short time of 15 s - 10 min. During this time, at temperatures up to 1450 ° C, the process of supersaturation of the melt with carbon and crystallization of diamonds or diamond blocks is completed. Reducing the temperature and time of synthesis allows you to increase the stability of the tool, to increase the number of cycles of synthesis for a certain period of time and, as a result, to increase the yield of diamond powders and obtain polycrystalline material. The use of phosphorus in the form of a finished alloy with metals reduces the risks associated with the possibility of ignition of phosphorus, poisoning in contact with powder phosphorus. It excludes the use of scarce cobalt powder, the process of trapping impurities (which occurs when carbide-non-forming cobalt is used), in the form of metal-solvent inclusions in the diamond phase. Obtained in the synthesis of diamond powders and specs can be effectively used as single grains and polycrystals having high strength, crack resistance and wear resistance. Such polycrystals can be used to process difficult-to-process materials, the processing of which is accompanied by high loads and heat generation.
Порошки сплава Fe, Mn и Si с фосфором серийно изготавливаются на специализированных металлургических предприятиях, где соблюдаются все условия по технике безопасности труда. Содержание металлического компонента и фосфора в сплаве соответствует эвтектическому или близкому к нему, температура плавления которого колеблется около 560°С-1210°С. Использование сплавов с предложенным содержанием фосфора резко снижает себестоимость изготовления сплавов системы Ме-Р. Увеличение или уменьшение содержания фосфора в сплаве приведет к увеличению температуры плавления катализатора.Powders of Fe, Mn and Si alloys with phosphorus are serially produced at specialized metallurgical enterprises, where all labor safety conditions are observed. The content of the metal component and phosphorus in the alloy corresponds to eutectic or close to it, the melting temperature of which varies between 560 ° C-1210 ° C. The use of alloys with the proposed phosphorus content sharply reduces the cost of manufacturing alloys of the Me-P system. An increase or decrease in the phosphorus content in the alloy will increase the melting point of the catalyst.
В шихту дополнительно вводят легирующий металл, выбранный из группы: В, Si, Ti, Zr, Co, Cr, Mo, либо смесь, либо сплав этих легирующих металлов. Количество вводимого легирующего металла, их смеси или сплавов должно обеспечить температуру синтеза не выше 1450°С. Введение в шихту для синтеза легирующих металлов позволяет регулировать основные физико-механические характеристики конечного продукта. Например, при изготовлении алмазных порошков их характеристики могут меняться за счет захвата атомов компонентов, т.е. искажения кристаллической решетки алмаза при синтезе алмазов; при изготовлении алмазных поликристаллов можно менять их физико-механические характеристики за счет легирования прослоек сплавов между алмазными блоками, остающихся в поликристалле после синтеза.An alloying metal selected from the group: B, Si, Ti, Zr, Co, Cr, Mo, or a mixture or alloy of these alloying metals is additionally introduced into the charge. The amount of introduced alloying metal, their mixture or alloys should provide a synthesis temperature of no higher than 1450 ° C. Introduction to the mixture for the synthesis of alloying metals allows you to adjust the basic physical and mechanical characteristics of the final product. For example, in the manufacture of diamond powders, their characteristics can change due to the capture of component atoms, i.e. diamond crystal lattice distortions in diamond synthesis; In the manufacture of diamond polycrystals, their physicomechanical characteristics can be changed by doping alloy layers between diamond blocks remaining in the polycrystal after synthesis.
Параметры синтеза выбирают из условия обеспечения протекания процесса синтеза алмазов и алмазных поликристаллов в области термодинамической устойчивости алмаза. При температурах синтеза 1200-1450°С величина давления составляет 40-80 кбар, при этом при синтезе алмазов давление составляет 40-60 кбар, при синтезе поликристаллов - 60-80 кбар. Время протекания процесса составляет τ=15 с - 10 мин. При синтезе алмазов для полной перекристаллизации и получения алмазов необходимой зернистости время синтеза составляет до 10 мин. Процесс синтеза поликристаллов более короток, т.к. перекристаллизация углерода идет через очень тонкие прослойки металла катализатора. Для получения поликристаллов время синтеза составляет (5-60 с). За это время катализатор должен проникнуть через весь объем изготавливаемого поликристалла. При более коротком времени синтеза пройдет неполная перекристаллизация графита и в случае изготовления поликристалла конечный продукт будет содержать остатки графита. При увеличении времени свыше 10 мин процесс синтеза прекратиться из-за прекращения протекания тока через синтезируемый объем в результате большого выделения в объеме алмазов, являющихся диэлектриком.The synthesis parameters are selected from the conditions for ensuring the process of synthesis of diamonds and diamond polycrystals in the field of thermodynamic stability of diamond. At synthesis temperatures of 1200-1450 ° C, the pressure is 40-80 kbar, while in the synthesis of diamonds, the pressure is 40-60 kbar, in the synthesis of polycrystals - 60-80 kbar. The process time is τ = 15 s - 10 min. In the synthesis of diamonds for complete recrystallization and the production of diamonds with the necessary grain size, the synthesis time is up to 10 minutes. The process of polycrystal synthesis is shorter, because recrystallization of carbon goes through very thin layers of catalyst metal. To obtain polycrystals, the synthesis time is (5-60 s). During this time, the catalyst must penetrate the entire volume of the produced polycrystal. With a shorter synthesis time, incomplete recrystallization of graphite will take place and in the case of polycrystalline production, the final product will contain residues of graphite. With an increase in time of more than 10 min, the synthesis process ceases due to the cessation of the flow of current through the synthesized volume as a result of a large release of insulating diamonds in the volume.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Для изготовления алмазных порошков готовят шихту из гомогенной смеси графита и сплава металлического компонента Fe, Si, Mn с фосфором либо смеси сплавов. В шихту дополнительно можно вводить легирующий металл из группы: В, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, их смесь или сплав. Шихту помещают в камеру синтеза. Для получения поликристаллов из сплава или смеси сплавов металла Fe, Si, Mn с фосфором и легирующих металлов из группы: В, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, их смеси или сплава готовят стержень, который устанавливают в камеру синтеза, и засыпают графитом. Собранную камеру сжимают до давления 40-80 кбар. Нагрев шихты до температуры 1200°С-1450°С осуществляют прямым пропусканием тока через шихту и выдерживают условия синтеза в течение 15 с - 10 мин. После завершения процесса синтеза отключают электрический ток, снимают давление и из камеры извлекают готовый продукт, представляющий собой спек, который в зависимости от режимов синтеза направляется на дробление для получения алмазов или используется в виде поликристалла. Для использования поликристалла его закрепляют в корпусе и проводят механическую обработку для изготовления резцов, сопел и т.п.For the manufacture of diamond powders, a mixture is prepared from a homogeneous mixture of graphite and an alloy of the metal component Fe, Si, Mn with phosphorus or a mixture of alloys. An alloying metal from the group: B, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, their mixture or alloy can be added to the charge. The mixture is placed in the synthesis chamber. To obtain polycrystals from an alloy or a mixture of alloys of a metal Fe, Si, Mn with phosphorus and alloying metals from the group: B, Si, Ti, Zr, Cr, Ni, Mo, V, a rod or mixture is prepared, which is installed in the synthesis chamber , and fall asleep with graphite. The assembled chamber is compressed to a pressure of 40-80 kbar. The mixture is heated to a temperature of 1200 ° С-1450 ° С by direct transmission of current through the mixture and the synthesis conditions are maintained for 15 s - 10 min. After completion of the synthesis process, the electric current is turned off, the pressure is removed, and the finished product, which is a cake, is removed from the chamber, which, depending on the synthesis conditions, is sent to crushing to produce diamonds or is used as a polycrystal. To use the polycrystal, it is fixed in the housing and machined for the manufacture of cutters, nozzles, etc.
Пример №1.Example No. 1.
Готовили шихту из графита в виде порошка марки ГМЗ-50% об. и сплава металлического компонента с фосфором Fe-P (10% вес.) - 50% об. Температура плавления сплава составляла 1208°С. Синтез проводили при 1450°С с учетом сдвига линий равновесия диаграммы состояния при использовании высоких давлений. Давление синтеза - 45 кбар. Время синтеза - 2 мин. Получали алмазы средней прочности 32Н. Зернистость крупной фракции алмазов составляла 125/100. Рентгенограмма не показала наличия примесей в алмазах.The mixture was prepared from graphite in the form of a powder of the grade GMZ-50% vol. and the alloy of the metal component with phosphorus Fe-P (10% wt.) - 50% vol. The melting point of the alloy was 1208 ° C. The synthesis was carried out at 1450 ° C, taking into account the shift of the equilibrium lines of the state diagram using high pressures. The synthesis pressure is 45 kbar. The synthesis time is 2 minutes. Received diamonds of medium strength 32N. The grain size of the coarse fraction of diamonds was 125/100. The X-ray diffraction pattern did not show the presence of impurities in diamonds.
Пример №2Example No. 2
Готовили шихту из графита в виде порошка марки ГМ3-50% об. и смеси сплавов металлического компонента с фосфором Fe-P (10% вес.) - 25% об. и Mn-Р (7% вес.) - 25% об. Температура плавления сплава составляла 900°С. Синтез проводили при 1200°С. Давление синтеза -45 кбар. Время синтеза -10 мин. Получали алмазы средней прочности 82Н. Зернистость крупной фракции алмаза составляла 500/400. Форма кристаллов октаэдрическая. Кристаллы прозрачные бледно-желтого цвета.The mixture was prepared from graphite in the form of a powder of the grade GM3-50% vol. and mixtures of alloys of the metal component with phosphorus Fe-P (10% wt.) - 25% vol. and Mn-P (7% wt.) - 25% vol. The melting point of the alloy was 900 ° C. The synthesis was carried out at 1200 ° C. The synthesis pressure is -45 kbar. The synthesis time is 10 minutes Received diamonds of medium strength 82N. The grain size of the coarse fraction of diamond was 500/400. The shape of the crystals is octahedral. The crystals are transparent pale yellow.
Пример №3Example No. 3
Готовили шихту из графита в виде порошка марки ГМ3-50% об. и смеси сплавов металлического компонента с фосфором Fe-P (12,5% вес.) - 40% об., Fe-B (3,5% вес.) - 10% об. Температура плавления сплава составляла 1190°С. Синтез проводили при 1450°С. Давление синтеза -45 кбар. Время синтеза - 5 мин. Получали алмазы голубого цвета прочностью 65Н. Зернистость крупной фракции алмазов составляла 250/160.The mixture was prepared from graphite in the form of a powder of the grade GM3-50% vol. and mixtures of alloys of the metal component with phosphorus Fe-P (12.5% wt.) - 40% vol., Fe-B (3.5% wt.) - 10% vol. The melting point of the alloy was 1190 ° C. The synthesis was carried out at 1450 ° C. The synthesis pressure is -45 kbar. The synthesis time is 5 minutes. Received blue diamonds with a strength of 65N. The granularity of the large fraction of diamonds was 250/160.
Пример №4Example No. 4
Готовили шихту в виде смеси сплавов Fe-P (12,5% вес.) - 25% об. и Mn-Р (7% вес.) - 25% об. Полученную смесь компактировали в цилиндр ⌀×Н=2,5×2,5 мм. Цилиндр устанавливали в камеру и засыпали порошком графита марки ГМЗ. Соотношение веса смеси сплавов к графиту составляло 1:5. Синтез проводили при 1300°С. Давление синтеза -80 кбар. Время синтеза - 15 с. Получали поликристалл прочностью 10 ГПа. При визуальном осмотре поликристалла при 10x увеличении на поверхности поликристалла микротрещин не обнаружено.The mixture was prepared in the form of a mixture of Fe-P alloys (12.5% wt.) - 25% vol. and Mn-P (7% wt.) - 25% vol. The resulting mixture was compacted into a cylinder ⌀ × H = 2.5 × 2.5 mm. The cylinder was installed in the chamber and filled with GMZ grade graphite powder. The ratio of the weight of the mixture of alloys to graphite was 1: 5. The synthesis was carried out at 1300 ° C. The synthesis pressure is -80 kbar. The synthesis time is 15 s. Received a polycrystal with a strength of 10 GPa. Visual inspection of the polycrystal at 10 x magnification showed no microcracks on the surface of the polycrystal.
Ниже приводятся примеры на получение поликристаллического алмазного материала с легирующими металлами.Below are examples of obtaining polycrystalline diamond material with alloying metals.
Синтез проводили при давлении 80 кбар, температура синтеза варьировалась в диапазоне от температуры плавления катализатора до 1450°С. Время проведения синтеза составляло 5-15 с.The synthesis was carried out at a pressure of 80 kbar, the synthesis temperature ranged from the melting point of the catalyst to 1450 ° C. The synthesis time was 5-15 s.
В результате были получены поликристаллические материалы, прочность которых составляла 10-25 ГПа. На поверхности отсутствовали трещины, сколы и другие дефекты.As a result, polycrystalline materials were obtained whose strength was 10–25 GPa. There were no cracks, chips, or other defects on the surface.
Таким образом, при использовании в качестве катализатора-растворителя сплавов металлических компонентов Fe, Mn, Si с фосфором получают алмазы и поликристаллы при более низких температурах и за более короткое время синтеза; исключается использование дефицитного кобальта; алмазы содержат меньшее количество примесей, при этом получают алмазные материалы повышенной прочности и трещиностойкости.Thus, when using alloys of the metal components Fe, Mn, Si with phosphorus as a solvent catalyst, diamonds and polycrystals are obtained at lower temperatures and in a shorter synthesis time; use of scarce cobalt is excluded; diamonds contain fewer impurities, and diamond materials with increased strength and crack resistance are obtained.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011121732/04A RU2476376C2 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011121732/04A RU2476376C2 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011121732A RU2011121732A (en) | 2012-12-10 |
| RU2476376C2 true RU2476376C2 (en) | 2013-02-27 |
Family
ID=49121654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011121732/04A RU2476376C2 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2476376C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740599C1 (en) * | 2020-03-12 | 2021-01-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) | Method of producing polycrystalline diamond material |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115253907B (en) * | 2022-07-25 | 2024-03-29 | 湖南良诚新材料科技有限公司 | Synthesis method of diamond crystal |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5696712A (en) * | 1979-12-28 | 1981-08-05 | Yoshiharu Ozaki | Synthesis of diamond |
| RU2061654C1 (en) * | 1994-02-09 | 1996-06-10 | Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля НАН Украины | Solvent for synthesis of thermostable monocrystalline diamonds |
| RU94033879A (en) * | 1994-05-30 | 1996-07-27 | Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля НАН Украины (UA) | Solvent for carbon in diamond synthesis |
| RU2192511C1 (en) * | 2001-12-05 | 2002-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Базис-Интеллект" | Process of producing diamond single crystals |
| US6676750B1 (en) * | 1999-10-05 | 2004-01-13 | Geoffrey John Davies | Growth of diamond clusters |
| US6835365B1 (en) * | 1997-12-11 | 2004-12-28 | Moosa Mahomed Adia | Crystal growth |
| US20080219914A1 (en) * | 2005-05-31 | 2008-09-11 | Clint Guy Smallman | Method of Cladding Diamond Seeds |
-
2011
- 2011-05-31 RU RU2011121732/04A patent/RU2476376C2/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5696712A (en) * | 1979-12-28 | 1981-08-05 | Yoshiharu Ozaki | Synthesis of diamond |
| RU2061654C1 (en) * | 1994-02-09 | 1996-06-10 | Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля НАН Украины | Solvent for synthesis of thermostable monocrystalline diamonds |
| RU94033879A (en) * | 1994-05-30 | 1996-07-27 | Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля НАН Украины (UA) | Solvent for carbon in diamond synthesis |
| RU2073641C1 (en) * | 1994-05-30 | 1997-02-20 | Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля НАН Украины | Solvent of carbon for synthesis of diamond |
| US6835365B1 (en) * | 1997-12-11 | 2004-12-28 | Moosa Mahomed Adia | Crystal growth |
| US6676750B1 (en) * | 1999-10-05 | 2004-01-13 | Geoffrey John Davies | Growth of diamond clusters |
| RU2192511C1 (en) * | 2001-12-05 | 2002-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Базис-Интеллект" | Process of producing diamond single crystals |
| US20080219914A1 (en) * | 2005-05-31 | 2008-09-11 | Clint Guy Smallman | Method of Cladding Diamond Seeds |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740599C1 (en) * | 2020-03-12 | 2021-01-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) | Method of producing polycrystalline diamond material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011121732A (en) | 2012-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6690790B2 (en) | Alloy material, method for manufacturing the alloy material, product using the alloy material, and fluid machine having the product | |
| US3918219A (en) | Catalyst systems for synthesis of cubic boron nitride | |
| Horie et al. | Synthesis of nickel aluminides under high-pressure shock loading | |
| KR20100067657A (en) | Polycrystalline diamond composites | |
| Tillmann et al. | Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools | |
| CN103170347B (en) | FeMnNi powder accelerant with low cost and preparation method and application | |
| EP3043972A1 (en) | Method for recycling powdery silicon carbide waste products | |
| JP2012104558A (en) | THERMOELECTRIC MATERIAL COMPRISING Mg2Si GROUP COMPOUND AND MANUFACTURING METHOD THEREOF | |
| RU2476376C2 (en) | Method of synthesizing diamonds and diamond polycrystals | |
| Sanin et al. | Cast NiAl/Ni20Al3B6 composites by centrifugal SHS | |
| Barreto et al. | Preparation and characterization of sintered polycrystalline diamond (PCD) with 15 wt% Nb binder | |
| TWI646048B (en) | Single crystal state diamond particle containing cubic boron nitride particles, and manufacturing method thereof | |
| JP2012206902A (en) | Method of synthesizing cubic boron nitride and method of manufacturing cubic boron nitride sintered compact | |
| Rajabi et al. | Thermal stability of nanocrystalline Mg-based alloys prepared via mechanical alloying | |
| Muñoz-Moreno et al. | Effect of heat treatments on the microstructure and texture of CM247LC processed by selective laser melting | |
| US4406871A (en) | Process for growing diamonds | |
| Průša et al. | Application of SPS consolidation and its influence on the properties of the FeAl20Si20 alloys prepared by mechanical alloying | |
| TWI632024B (en) | Single crystal cbn featuring micro-fracturing during grinding | |
| CN108043408B (en) | Preparation method of catalyst for gem-grade artificial diamond monocrystal and catalyst | |
| Lagos et al. | Synthesis of γ-TiAl by thermal explosion+ compaction route: Effect of process parameters and post-combustion treatment on product microstructure | |
| Sesma et al. | An optimum path to obtain β Cu–Zn–Al by mechanical alloying | |
| JPS6117405A (en) | Production of cubic boron nitride | |
| De Barbadillo | Rebirth of mechanical alloying | |
| Novák et al. | Thermal stability of Al-Cu-Fe quasicrystals prepared by SHS method | |
| KR101568024B1 (en) | Method of preparing magnesium alloy |