Синтез высокопрочных поликристаллов из графита с использованием сложнолегированных катализаторов. Системы никель-хром, никель-хром-углерод.

Поликристаллические материалы на основе алмаза по физи­ко-механическим свойствам существенно отличаются от монокристаллов. Для них характерна изотропия свойств, высокая износостойкость, по­ликристаллы значительно превосходят монокристаллы по трещиностой­кости (ударной вязкости).
Поликристаллы представляют собой ком позиционный материал, состоящий из зерен алмазной фазы, металло-керамической связки и остаточного непрореагировавшего графита.Синтез «карбонадо» проводили в камерах высокого давления типа «то-роид» при давлении 8,0 ГПа из графита МГОСЧ. Температура синтеза составляла 1800...2000°С, вес получаемых поликристаллов — 0,8... 1,0 ка­рат. В качестве катализатора использовали сплавы на основе никеля. Полученные поликристаллы дробили, рассеивали на фракции, проводи­ли классификацию на вибростоле, химическую обработку и испытание на прочность по ГОСТ 9206—80.       В работе была принята следующая методика. Алмазный порошок АРК4 500/400 подвергали травлению в кипящей смеси кислот НС1: HN03 (3:1). Для определения эффективности травления алмазного по­рошка АРК4 и получения порошков с различным содержанием метал­лической составляющей проводили травление их в течение различного времени. Результаты по влиянию продолжительности процесса травле­ния на потерю и остаточное содержание металлической связки (несго­раемый остаток при следующих условиях отжига: температура 1200°С, время 1ч) представлены в табл. 6.1, 6.2. Проведенная химическая обработка позволила получить алмазные по­ликристаллы с различным содержанием металлической составляющей — от 16,8 до 6,24%. Результаты по определению прочности алмазного по­рошка АРК4 500/400 с различным временем химической обработки пред­ставлены на рис. 6.1. Погрешность измерения при доверительной вероят­ности 95 % и числе измерений не менее 50 не превышала 6 %.         Система никель—хром. Для этой системы характерно монотонное уменьшение усадки (AV/V) с увеличением содержания хрома до 40...45 % (масс.) (рис. 6.2, кривая 2), из-за образования твердого раствора Сг в Ni. При дальнейшем увеличении содержания Сг в системе, AV/V начинает возрастать и максимум приходится примерно на середину двухфазной об­ласти, в соответствии с диаграммой состояния, что объясняется макси­мальной межфазной поверхностью. Кривая / (см. рис. 6.2) отражает по­ведение образцов в присутствии некоторого количества остаточного уг­лерода (0,5...1,0%) и фактически следует рассматривать систему Ni-Ci—С с фиксированным содержанием углерода.             Ход кривых J и 2 (см. рис. 6.2) за­метно различается при содержании Сг в системах >45% (масс). Рентгенофазо-вый анализ, проведенный для образцов, содержащих 20, 50 и 75 % (масс.) Сг, позволил установить соответственно на­личие: у-фазы, Сг7С3, Сг3С2; у-фазы, ^Сг23^сб> ^Сг7^Сз; У-фазы, Сг23С6, а-фазы, где у-фаза — твердый раствор на осно­ве никеля; а-фаза — твердый раствор на основе хрома. При сравнении данных рентгенофазового анализа спеченных об­разцов с фазами диаграммы состояния системы Ni-Cr-C выявилось совпадение       их фазового состава при определенных           соотношениях компонентов. Следова­тельно, можно предположить, что резкое ухудшение спекаемости образцов, полу­ченных мундштучным формованием, с       увеличением в них содержания хрома связано с изменением фазового состава, так как уже при содержании Сг>10% (масс.) образуется выс­ший карбид Сг3С2. Дальнейший ход кривой 1 (см. рис. 6.2) связан с образованием Сг23С6 (~ 35 % Сг), а-фазы (~ 50 % Сг), с отсутствием у-твердого раствора (80...90 % Сг). Таким образом, различная спекаемость образцов порошковых смесей системы Ni—Сг при наличии и отсутствии углерода (см. рис. 6.2) обус­ловлена, по-видимому, образованием карбидных слоев (кривая 7), кото­рые препятствуют протеканию твердофазных диффузионных процессов. Система никель—хром—углерод. В порошковую смесь (80 % Ni — 20 % Сг) -(0,5... 1,0) Сост (где Сост - аморфный углерод, продукт пиролиза пара­фина) вводили сравнительно крупнозернистый (~ 50 мкм) порошок гра­фита МГОСЧ в количестве до 10 %. На рис. 6.3 представлена зависимость изменения объема образца (А V/ V) от содержания углерода в порошко­вой смеси. Резкое ухудшение спекаемости при увеличении содержания углерода связано, по-видимому, с изменением количества карбидов в спеках. Нарушение монотонного изменения AV/V, проявляющееся при содержании углерода ~ 2,5 %, связано с появлением в образцах свобод­ного углерода в виде графита. Рентгенофазовый анализ спеков, содержащих 1 % С и 7 % С, пока­зал соответственно наличие у-фазы, Сг7С3, Сг3С2 и у-фазы, Сг7С3, Сг3С2, графита. Некоторое отличие фазового состава спеченных образцов от представленного на диаграмме состояния связано, вероятно, с исполь-         зованием крупнозернистого порошка графита в исходной порошковой смеси и, как следствие, с замедлением перехода системы в равновесное состояние.

 

30 Выращивание крупных монокристаллов алмаза. Использование алмазов наукоемких технологиях. Для выращивания крупных монокристаллов необходимо, чтобы значение Ац было небольшим и сохранялось длительное время.

При выращивании крупных монокристаллов основные технические трудности связаны с реализацией методов достоверного контроля и поддержания температуры и давления в реакционной зоне ячейки высокого давления.Метод температурного градиента позволяет создать условия для стабильного роста монокристаллов алмаза на специально введенной затравке.Для большей конкретности дальнейшее рассмотрение проведем на зимере кремния, руководствуясь прежде всего тем, что именно для него а сегодня достигнуты наибольшие успехи в получении бездислокацияных монокристаллов больших диаметров, для которых проблема микэдефектообразования наиболее актуальна.16), в котором происходит процесс выращивания монокристаллов алмаза.

Задача данного этапа работы заключается в разработке технологии по изготовлению контейнеров, пригодных для длительных экспериментов (несколько суток) по выращиванию крупных монокристаллов алмаза.Удается стабильно проводить процесс роста монокристаллов алмаза длительностью до пяти суток.

Запирающие прокладки, используемые при выращивании алмазных монокристаллов, изготовлялись следующим образом.Исследование газовыделения из графита марки МГ - ОСЧ, используемого в качестве источника углерода при выращивании монокристаллов алмаза на затравкеМногочисленные экспериментальные данные по выращиванию без-слокаиионных монокристаллов кремния свидетельствуют о том, что и малых V/ G в слитках наблюдаются микродефекты межузельного па (микродефекты А- и 5-типа), при промежуточных V/G — только [Кродефекты 5-типа, а при больших V/G — микродефекты D-типа, вставляющие собой вакансионные агрегаты. Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры, образование которых происходит при выращивании монокристаллов в условиях значительных отклонений от?Очевидно, что общая стратегия повышения структурного совершенства бездислокационных монокристаллов должна исходить из необходимости резкого снижения размеров и объемной плотности микродефектов различной природы.

Кристаллическую текстуру в сплавах Fe—Сг—Со можно получить не-жолькими способами: выращиванием монокристаллов или поликристал-тических магнитов со столбчатой структурой, получением многослойных магнитов из быстрозакаленных лент и вторичной рекристаллизацией по-никристаллических сплавов в условиях фазового наклепа.Выращивание крупных монокристаллов алмаза.Из всего многообразия нашедших достаточно широкое практическое применение полупроводниковых материалов задача получения бездислокационных монокристаллов больших диаметров решается относительно просто лишь для кремния.

31.Система никель-хром-металл. Высокопрочные алмазные поликристаллы для изготовления инструментов. (Ti, Та, Мо). Для исследованных систем характерно значительное ухудшение спекаемости образцов при небольших содержаниях металлов в исходных порошковых смесях (рис. 6.4). Это объясняется эффектом Френкеля, который заключается в увеличении пористости, вследствие различия парциальных коэффициентов диффузии компонентов, при растворении легирующих металлов в у-твердом растворе на основе никеля. При дальнейшем увеличении содержания металлов в порошковых смесях, ход концентрационных кривых относительно изменения объема различен, что связано с изменениями фазового состава при спекании. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ АЛМАЗНЫЕ ПОЛИКРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА Инструменты из карбонадо применяются во многих отраслях промышленности: станкостроении, автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении, авиастроении, машиностроении для легкой и пищевой промышленности, для лезвийной обработки цветных металлов, титановых сплавов, выглаживания сырых и закаленных сталей.Особенности процесса резания лезвийным материалом и выглаживания на основе карбонадо определяются физико-механическими свойствами алмаза: низким коэффициентом трения; высокими значениями тепло- и температуропроводности, обеспечивающими сравнительно низкие температуры в зоне резания и позволяющими производить обработку на высоких скоростях резания, достигающих 1000 м/мин; высокой износостойкостью, обеспечивающей размерную стойкость и длительную работу инструмента без переналадок.Главное влияние на контактные процессы оказывают низкий коэффициент трения алмаза с большинством обрабатываемых материалов и высокая его теплопроводность. Поэтому при обработке цветных металлов в контактных слоях не возникает высокой температуры при реальных режимах резания. Увеличение скорости до ЮООм/мин не меняет значения коэффициента трения.