Совершенствование технологии синтеза и применение технических алмазов в промышленности

Содержание

• Актуальность работы

В современных условиях решение задачи повышения производительности труда, обеспечения высокого качества я надежности изделий во многих отраслях промышленности неразрывно связано с увеличением объемов внедрения алмазной обработки. Алмазный инструмент широко применяется в бурении, строительстве, различных сферах промышленного производства (машино- и приборостроении, обработке полупроводниковых материалов и т. п.). В последнее время наряду с применением алмаза в процессах резания появляются новые области его использования, в частности, в элементах конструкций приборов, в качестве покрытий для упрочения деталей и др. [1].

Широкое внедрение алмазной обработки в народное хозяйство страны стало возможным благодаря созданию крупномасштабного производства инструментов из алмазов и других сверхтвердых материалов.

Структура алмазного инструмента, выпускаемого в нашей стране, отличается высокой долей инструментов, из синтетических алмазов (~ 93%). Его номенклатура предусматривает более 5 тыс. типоразмеров и включает практически все известные на мировом рынке виды инструментов.

В России производится более 15 марок порошков синтетических алмазов с частицами размером от 2500 до 0,1 мкм. Изготавливаемые порошки включают алмазы, различающиеся по морфологии, прочности, абразивной способности, содержанию примесей, и образуют большую гамму сырья, необходимого для производства практически всех известных в мировой практике инструментов.

В 70-х годах баланс производства и потребления адмазноабразивного инструмента сложился следующим образом: в натуральном выражении -машиностроение — 85%- добыча, обработка камня и стройиндустрия — 15%- в стоимостном выражении: 60% и 40% соответственно.

При этом в камнеобработке использовалось около 70% инструментов, изготовленных из природных алмазов. Технологии синтеза были ориентированы, в основном, на производство алмазов для изготовления инструмента для мящиностроения (марки АС2-АС32).

В то же время в СССР и за рубежам наблюдалось увеличение спроса на — вменение природного камня, в основном, мрамора и гранита. Расширение Зъемов производства отечественного алмазного инструмента для этих целей сдерживалось ограничением объемов применения природных алмазов и отсутствием технологии синтеза высокопрочных алмазов марок АС50-АС160.

Исследования в этой области, начатые диссертантом с соавторами в 70-е прошли все стадии всесторонней проверки и достаточно широко еализованы в промышленности,

Целью работы был выбран комплексный подход к решению проблемы алмазной обработки, включавший совершенствование технологий синтеза алмазов, изучение свойств алмазов и установления их связи с работоспособностью инструмента в экстремальных условиях, разработке на этой основе новых видов и конструкций алмазного инструмента, а также технологий его изготовления.

Научная новизна. В результате выполненного комплексного исследования влияния условий синтеза на свойства и выход получаемых алмазов найдены и экспериментально подтверждены пути дальнейшего совершенствования их свойств и повышения выхода высокопрочных и термостойких синтетических алмазов.

1. Экспериментально, с привлечением современных методов исследования, установлена связь между составом катализатора и внутренней морфологией и поверхности основных габитусных граней, заключающаяся в том, что внутренняя и внешняя морфология крупных алмазных кристаллов в значительной степени зависят от физических и физико-химических свойств металлов-катализаторов, что приводит к образованию различных центров кристаллизации и условий роста кристаллов.

2. Экспериментально показана зависимость между структурными особенностями алмазных кристаллов, выращенных на различных катализаторах и их прочностью, выражающаяся в том, что на ИК-спектрах поглощения появляются пики различеой природы, что четко указывает на влияние концентрации азотных дефектов в зависимости от количества магнитной и немагнитной фракции на совершенство структуры алмазов и, соответственно, их прочность.

3. Впервые экспериментально и на основе существующих научных представлений показано влияние легирования шихты соединениями редкоземельных элементов на прочность и термостойкость алмазов, выражающемся в том, что введение гексаборидоВ: иттрия и гадолиния приводит к заметному росту прочности и термостойкости алмазов, что связано с механизмом влияния этих добавок, включающим в себя один из важных этапов -«самоочистку» алмазов от парамагнитного азота и никеля,

4. При использовании в процессе синтеза в качестве катализатора различных минералов, например, карбонатов аммония, серебра, кальция, магния, и др., впервые установлена закономерность между параметрами синтеза, степенью превращения графита в алмаз, термостойкостью и прочностью с процессом кристаллизации и ростом кристаллов, выражающаяся в том, что в зависимости от параметров процесса образуются кристаллы различной формы и со значительно разным содержанием парамагнитного азота, что объясняется механизмом процесса синтеза с образованием при плавлении двухатомных ионов металла и ионов С03, выполняющих каталитические функции.

5. Установлении закономерности влияния дефектов структуры природных алмазов на их свойства и разработаны методы отбора технических алмазов с заданной теплопроводностью и трещиностойкостью.

Практическая значимость работы На основании комплекса исследовательских работ, выполненных в 1975—1997 гг., решена важная народнохозяйственная задача по увеличению объемов внедрения и повышению эффективности алмазной обработки в различных областях промышленности.

Разработаны и внедрены в промышленное производство технологии синтеза монокристаллических алмазов повышенной прочности, термостойкости и различного зернового состава марок от АС32 до АС 160.

Усовершенствованы технологии производства алмазов марок АС6, АС15,

АС20.

Исследования по синтезу монокристаллических алмазов завершились разработкой 16 комплектов технологической документации (КТД) и 5 инструкций по приготовлению шихты, сплава-катализатора, выбору катализатора, определению параметров синтеза, а также технической документации на изготовление алмазных инструментов из синтетических монокристаллических алмазов.

Разработанная документация передана на заводы алмазной отрасли для организации промышленного производства.

Под научным руководством автора разработаны: