Способ изготовления контейнеров устройства высокого давления

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРОВ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ(71) Заявители Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ Институт общей и неорганической химии НАНБ(73) Патентообладатели Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ, Институт общей и неорганической химии НАНБ(57) 1. Способ изготовления контейнеров устройства высокого давления, включающий измельчение материала, выбранного из доломита, литографского камня, карбоната кальция, пирофиллита, введение связующего,формование контейнеров и их последующий отжиг, отличающийся тем, что измельчение проводят в присутствии жидкости до дисперсности материала 0,05-200 мкм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду и/или органические растворители в количестве 5-90 мас.от общей массы. Изобретение относится к технике создания высоких давлений и температур, в частности, к технологии изготовления деталей устройств высокого давления и температур, и может быть использовано на предприятиях абразивно-алмазной промышленности при синтезе алмаза и кубического нитрида бора. Известен способ изготовления контейнеров устройства высокого давления 1, включающий измельчение материала, выбранного из доломита, литографского камня, карбоната кальция, пирофиллита, введение связующего, формование контейнеров и их последующий отжиг. Однако получаемые по известному способу контейнеры обладают невысокой пластичностью в условиях их сжатия и при нагревании в устройстве высокого давления их материал недостаточно активно диффундирует в реакционную смесь. Экспериментально это проявляется в достаточно частых выбросах материала контейнера при его сжатии и нагревании при синтезе алмаза и кубического нитрида бора и пониженном качестве синтезируемых материалов. Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных характеристик контейнеров и качества монокристаллических порошков сверхтвердых материалов за счет усовершенствования способа изготовления контейнеров устройств высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов. Поставленная задача решается заявляемым способом изготовления контейнеров устройств высокого давления, позволяющим повысить механические характеристики контейнеров. Сущность заявляемого способа заключается в следующем. В настоящее время при производстве алмазов и кубического нитрида бора контейнеры для камер высокого давления изготавливают, в основном, из следующих материалов - литографского камня, пирофиллита,доломита и карбоната кальция. Указанные материалы измельчают на воздухе в мельницах, смешивают их со связующим (поливиниловым спиртом, бакелитовым лаком, гидрооксидом кальция) и полимеризуют, либо подвергают карбонизации связующее путем нагревания контейнеров при температурах 80-120 С на воздухе, либо в атмосфере двуокиси углерода. Однако полученные известным способом контейнеры из-за низкой 3365 1 пластичности материала, измельченного на воздухе, при сдавливании в камере высокого давления либо при последующем нагреве часто (не менее 10-15 ), начинают самопроизвольно разгерметизироваться, что приводит к потере синтезируемого материала и уменьшению стойкости дорогостоящих твердосплавных камер из-за их деформации и образования трещин. С другой стороны, использование недостаточно активного материала контейнеров приводит к невысокому качеству монокристаллических порошков сверхтвердых материалов вследствие недостаточно активной диффузии материала контейнера в реакционную смесь, расположенную внутри контейнера. Мокрое измельчение доломита, литографского камня, карбоната кальция, к которому относится и мел,пирофиллита до дисперсности 0,05-200 мкм в воде и/или органических растворителях в количестве 5-90 мас.от общей массы смеси приводит к эффективному их измельчению, активации и частичному химическому взаимодействию с жидкой средой. Экспериментально это подтверждается тем, что при использовании контейнеров, полученных из порошков, подвергнутых механическому воздействию в жидкой среде,существенным образом уменьшается разгерметизация контейнеров, повышаются стойкость твердосплавных камер высокого давления, качество сверхтвердых материалов. Это связано с тем обстоятельством, что измельчение в жидкой среде указанных материалов увеличивает как пластичность контейнеров, что повышает их эксплуатационные характеристики (разгерметизацию и стойкость камеры), так и диффузионные процессы, происходящие при высоких температурах и давлениях между материалом контейнера и реакционной смесью, что повышает качество сверхтвердых материалов. Это связано с тем обстоятельством, что в условиях высоких давлений и температур происходит частичное разложение материала контейнера на составляющие элементы (, , , 2 и т.д.), являющиеся катализаторами фазовых превращений в сверхтвердых материалах, которые диффундируют в реакционную смесь и способствуют процессам зародышеобразования и роста сверхтвердых материалов. Мокрое измельчение материала контейнера, судя по существенному повышению качества сверхтвердых материалов по сравнению с сухим, стимулирует указанные выше диффузионные процессы. Измельчение материала для контейнеров до дисперсности менее 0,05 мкм приводит к заметному повышению времени измельчения, а измельчение до дисперсности более 200 мкм не приводит к существенному повышению эксплуатационных характеристик контейнеров. При содержании жидкости в смеси с порошками менее 5, либо более 90 мас.от общей массы смеси число разгерметизаций контейнеров увеличивается, а стойкость камер уменьшается. Следующие примеры представлены только с целью иллюстрации данного изобретения, но их не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения. Пример. В рабочий объем (1 м 3 ) шаровой мельницы помещают 60 кг доломита Витебского месторождения (ТУ 21 БССР 216-88) и 20 кг воды. Измельчение смеси проводят при скорости 40 об./мин в течение 6 ти часов до дисперсности 5-30 мкм. В качестве мелющих материалов использовались стальные шары диаметром 0,10-0,25 м, которые заполняли мельницы на 20-35 их объема. После измельчения смесь отстаивают, удаляется вода с поверхности осевшего доломита и затем сушат доломит при температуре 100-120 С в потоке горячего воздуха. К хорошо просушенному порошку доломита добавляют в качестве связующего 10 мас.водного раствора порошка ПВС. Из приготовленной шихты прессуют контейнеры под давлением 5-10 т/см 3. После сушки контейнеров при температуре 80-140 С они готовы к употреблению. Во внутреннее отверстие контейнеров помещают реакционную смесь для синтеза алмаза и нагревательные элементы. Затем контейнеры устанавливают в камеру высокого давления и создают внутри них давление 5 ГПа и температуру 1300 С. После двухминутной выдержки температура и давление снижаются и извлекается продукт синтеза - монокристаллические порошки алмаза марки АС 65. В идентичных условиях синтеза,но с использованием известных контейнеров, получаются алмазы марки АС 32-АС 50. Также было установлено, что при использовании шаровых мельниц различного диаметра (0,5 0,25 и 0,1 м) качество помола доломита, литографского камня, карбоната кальция (мела) и пирофиллита в присутствии жидкости, с точки зрения эксплуатационных характеристик контейнеров и качества сверхтвердых материалов, зависит от скорости вращения мельниц и дисперсности измельченного материала. Оптимальными скоростями вращения мельниц являются скорости метрах, а оптимальная дисперсность измельченного материала равна 0,05-200 мкм. При параметрах измельчения меньших, либо больших указанных величин увеличивается число разгерметизаций контейнеров, снижается стойкость камер и качество сверхтвердых материалов. В экспериментах были использованы стальные шары размером няли мельницы на 20-35 их объема. Было установлено, что размер шаров и объем их заполнения мельниц не существенно влияли на качество помола материалов для контейнеров. 2 3365 1 В таблице приведены другие примеры практического осуществления получения контейнеров для камер высокого давления по известному и заявляемому способу. В таблице указаны состав смеси, подвергающейся измельчению, состав и уровень связующего, параметры синтеза, а также эксплуатационные характеристики контейнеров и дисперсность материала после измельчения. Как видно из приведенных данных, использование контейнеров, полученных по заявляемому способу(примеры 3-6, 8, 10-13, 16-19, 21, 22, 24-28), существенно уменьшают число разгерметизаций контейнеров,повышают стойкость камер и увеличивают качество получаемых алмазных порошков по сравнению с известным способом (пример 1). При запредельных содержаниях жидкости в смеси (примеры 2, 7, 9, 14, 15,20), либо дисперсности измельчения (примеры 23, 29), число разгерметизаций контейнеров увеличивается, а стойкость камер и качество алмазов уменьшаются. Пример 23 относится к запредельным, т.к. время помола до 0,03 мкм в два раза выше, чем помол до дисперсности 0,05-1 мкм, что нарушает технологичность процесса. Основными преимуществами заявляемого способа изготовления контейнеров по сравнению с известными являются следующие 1. За счет уменьшения числа разгерметизаций контейнеров с 10-15 до 1-3 стойкость твердосплавных камер высокого давления повышается с 300 до 500 пресспеканий. 2. За счет увеличения процессов диффузии между материалами контейнера и реакционной смесью повышается качество синтезируемого алмаза. Так, если при идентичных условиях синтеза в известных контейнерах синтезируются алмазы марки АС 32-АС 50, то в заявляемых контейнерах АС 65. Температура сушки смеси Связующее Стойкость камер на 1000 карат алмаза Число разгерметизаций контейнеров на 1000 карат алмаза Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.