Способ получения алмазов

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела И полупроводников Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Шипило Виктор Брониславо вич Дутов Александр ГригорьевичШипило Наталья Викторовна Целу евский Михаил Станиславович (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси (ВУ)Способ получения алмазов, включающий приготовление щихты из графита, катализатора и добавки и воздействие на щихту высокими давлением и температурой, отличающийся тем, что в качестве добавки используют аммофос, карбамид, суперфосфат или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.катализатор 30-70 аммофос, карбамид, суперфосфат или их смеси 0,05-0,80 графит остальное.Изобретение относится к области химии и металлургии, а более конкретно к получению алмазов, и может быть использовано на заводах по выпуску алмазов и инструментов на их основе.Известен способ получения алмазов 1, который включает воздействие высоких давлений (свыще 4 ГПа) и температур (выше 1400 К) на щихту из графита и катализатора. В качестве катализатора для получения алмазов используют железо, кобальт, никель, марганец, хром, тантал, бор, медь, магний и другие элементы из ряда переходных металлов, их смеси и сплавы.Однако получаемые по известному способу порощки алмаза имеют сравнительно невысокую прочность.Известен также способ получения алмазов 2, включающий приготовление щихты из графита, одного или нескольких катализаторов, их сплавов и смесей, добавки и последующее воздействие на щихту высокими давлением и температурой. В качестве катализатора используют железо, кобальт, никель, марганец, хром, тантал, бор, медь, магний идругие элементы из ряда переходных металлов, их смеси И сплавы. В качестве добавки Используют пермангамат калия в количестве 0,1-2,5 мас. или его смесь с солями железа.Однако получаемые по Известному способу порошки алмаза Имеют сравнительно невысокую прочность вследствие отсутствия в пермангамате калия атомов, способных входить И упрочнять кристаллическую решетку алмазов.Способ по заявке 2 является наиболее близким техническим решением к заявляемому по технической сущности к достигаемому результату И выбран в качестве прототипа И базового объекта.Общим существенным признаком прототипа И заявляемого решения является приготовление шихты из графита, одного или нескольких катализаторов, их сплавов И смесей И добавки И последующее воздействие на шихту высокими давлением И температурой.Задачей настоящего изобретения является повышение прочности алмазов.Заявленный способ получения алмазов включает приготовление шихты из графита,катализатора И добавки И воздействие на шихту высокими давлением И температурой, отличается тем, что в качестве добавки используют аммофос, карбамид, суперфосфат или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас. катализатор 30-70, аммофос,карбамид, суперфосфат или их смеси 0,05 - 0,8, графит - остальное.Сущность изобретения заключается в следующем. Согласно существующим представлением о механизмах образования И роста алмазов при каталитическом синтезе, алмазы образуются И растут из пересыщенного углеродом расплава металла в области их термодинамической устойчивости. На процессы спонтанного зародышеобразования И роста кристаллов большое влияние могут оказывать определенные добавки, изменяющие поверхностную энергию границы раздела зародыш алмаза-расплав, а следовательно, пересыщение И вязкость расплава.Экспериментально было установлено, что введение в исходную шихту одной или нескольких сравнительно небольших добавок аммофоса, карбамида, суперфосфата И их смесей существенным образом повышает прочность алмазов. По-видимому, указанные добавки, содержащие в своем составе атомы азота И фосфора, в условиях высоких давлений И температур разлагаются на составляющие атомы, которые взаимодействуют с вакансиями кристаллической решетки алмаза, увеличивая прочность материала.При введении в шихту добавки менее 0,05 мас. прочность алмаза И выход уменьшаются из-за массового фактора - незначительного влияния добавки на процессы образования алмазов. При содержании в шихте добавки более 0,8 мас. прочность алмаза также уменьшается вследствие увеличения дефектности зерна алмаза. При содержании в шихте катализатора менее 30 мас. уменьшается выход алмаза из-за уменьшения кристаллизационного расплава металл-графит. При содержании в шихте катализатора более 70 мас. также уменьшается выход алмаза вследствие уменьшения критической массы графита в шихте, необходимого для образования кристаллизационного расплава.При получении порошков алмаза использовались порошки графита дисперсности 100800 мкм, которые смешивались с порошками катализатора дисперсности 100-400 мкм И микропорошками (менее 60 мкм) аммофоса, карбомида, суперфосфата в количестве, указанном в формуле Изобретения. Перемешанные порошки затем уплотнялись в пресс-форме при давлении 0,5 ГПа И помещались в контейнер из доломита либо литографского камня. Затем контейнер с шихтой устанавливался в центральное углубление камеры высокого давления И подвергался сжатию до заданных параметров синтеза Р 4,0-6,0 ГПа, Т 1300-1600 С,г 1-10 мин. После выдержки при указанных параметрах выключался ток нагрева, снималось давление в камере И извлекался продукт синтеза в виде спека. Из полученных спековвыделялись порошки алмаза, которые классифицировались по размерам И прочности согласно ГОСТ 9206 - 80.Использовался также И другой способ снаряжения контейнера - послойное расположение шайб из графита И катализатора, смешанного с добавками. В этом случае размеры алмазных порошков были заметно большими и более прочными, чем при объемном смешивании порошков.Пример 1 конкретного выполнения по способу прототипа.В качестве исходной шихты использовали смесь графита марки МГ-1 ОСЧ фракции 400-800 мкм (50 мас. ), никель-марганцевого катализатора (Ый-Мп) фракции 100-400 мкмПример 2 конкретного выполнения по заявленному способу.В качестве исходной шихты использовали смесь графита марки МГ-1 ОСЧ фракции 400-800 мкм (50 мас. ), никель-марганцевого катализатора (Ый-Мп) фракции 100-400 мкмУказанные ингредиенты шихты в примерах 1 и 2 перемешивались в пьяной бочке в течение часа, а затем прессовались под давлением 0,5 ГПа в таблетки. Спрессованные таблетки вставлялись во внутреннее отверстие контейнера из доломита и сдавливались до давления 5,0 ГПа. После создания давления включался нагрев и реакционная шихта нагревалась до 1450 С. При Р 5 ГПа и Т 1450 С шихта выдерживалась в течение 3-х минут. По завершении синтеза отключали нагрев, снижали давление и извлекали спеки,содержащие алмазы, графит, катализатор и продукты их взаимодействия. Полученные спеки дробили в щековой дробилке до размера 1-2 мм, а затем продукт дробления подвергался химической обработке с целью выделения порошков алмаза. Поскольку синтезированные порошки алмаза имели в своем составе ряд сростков и других дефектов, то они подвергались избирательному механическому дроблению в шаровой мельнице.После дополнительной химической очистки, отмывки и сушки порошки алмаза подвергались ситовой классификации по зернистости на вибросите в течение 10 минут с последующим определением прочности порошков заданной зернистости. Прочность порошков определялась по результатам разрушения 50 зерен согласно ГОСТ 9206-80.Исследования показали, что при использовании первой смеси с добавкой пермангамата калия, изготовленной по способу прототипа, выход преимущественных фракций порошков алмаза зернистости 100/80, 125/100 и 160/125 составил 31, 28 и 25 мас. , а их прочность была равна 5,2 6,4 7,1 Н, что соответствовало марке алмаза АС 6.При использовании второй смеси с добавками аммофоса, карбамида и суперфосфата в соответствии с заявляемым способом выход преимущественных фракций порошков алмаза зернистости 100/80, 125/ 100 и 160/ 125 составил 55, 58 и 60 мас. , а их прочность была равна 35, 35 и 32 Н, что соответствовало марке алмаза АС 65.В таблице приведены примеры получения алмазов по известному способу и заявляемому способу. Как видно из приведенных данных таблицы, в результате введения в состав шихты аммофоса, карбамида и суперфосфата или их смеси (примеры 3-6, 9-11, 13-18) существенно увеличивается выход преимущественных фракций алмазов и их прочность по сравнению с известным способом (пример 1). При запредельных количествах добавок либо катализаторов (примеры 2, 7, 8, 12) заметно снижаются либо прочность (примеры 2, 7),либо выход (примеры 8, 12).Использование заявляемого способа по сравнению с известным обеспечивает следующие технико-экономические преимущества1. При идентичных условиях синтеза увеличивается прочность алмаза фракции 125/ 100 в среднем в четыре раза.2. Увеличивается выход преимущественных фракций алмазов в среднем в два раза.М) Состав Исходной шихты Параметры синтеза Выход преимущественных Прочность алмазов фракции д фракций 100/80-160/ 125 125/ 100 (Марка алмазов) П графит Катализатор добавка Р, ГПа Т, С г, Мин Н Известный способ 1 0,5 перманЗаявляемый способ 2 5 ОМГ-1 49,97 (Мп-Ый) 0,03 аМ 5 1450 3 35 10-15 (АС 15-АС 20) 3 5 ОМГ-1 п 4 5 ОМГ-1 49,92 (Мп-Ый) 5 3 50 30-40 (АС 50-АС 65) 5 5 ОМГ-1 49,7 (Мп-Ый) 5 3 45 30-40 (АС 50-АС 65) 6 5 ОМГ-1 49,2 (Мп-Ый) 5 3 45 30-40 (АС 50-АС 65) 7 5 ОМГ-1 8 71,5 ГМЗ 28 (Ре-Ый) 6 4 28 30-40 (АС 50-АС 65) 9 69,5 ГМЗ 30 (е-Ый) 6 4 45 35-43 (АС 50-АС 65) 10 34,5 ГМЗ 65 (Ре-Ый) 6 4 60 35-43 (АС 50-АС 65) 11 295 ГМЗ п 12 275 ГМЗ 13 50 ГМЗ 49,7 (Мп-Ый) 3 55 30-40 (АС 50-АС 65) 14 50 ГМЗ 49,7 (Мп-Ый) 3 63 30-40 (АС 50-АС 65) 15 50 ГМЗ 49,7 (Мп-Ый) 3 61 30-40 (АС 50-АС 65) 16 50 ГМ-1 17 50 МГ-1