Технология производства искусственных алмазов.

Синтетические алмазы и кубический нитрид бора P-BN все шире внедряются в производство абразивного инструмента, поскольку этот класс материалов обладает комплексом свойств (табл. 3.9), обусловливающих незаменимость их в ряде важнейших операций механической обработки металлических сплавов, керамики, стекла, гранита.

Параметры получения абразивных материалов на основе синтетических алмазов и кубического нитрида бора определяются диаграммами их равновесных состояний (рис. 3.13). Исходными материалами для производства синтетических алмазов и кубического нитрида бора (5-BN служат графит и гексагональный нитрид бора a-BN. Структурные кристаллические решетки графита, алмаза, гексагонального и кубического нитрида бора показаны на рис. 3.14.

Способ получения синтетических алмазов и p-BN основан на полиморфном превращении их гексагональных модификаций в кубическую при высоких давлениях и температурах и в присутствии катализаторов. Линия, разделяющая

области существования гексагональной и кубической модификаций на диаграммах равновесных состояний (см. рис. 3.13, а, б), показывает зависимость между температурой и давлением, при которых кубическая и гексагональная модификации находятся в равновесии, т. е. сосуществуют.

Согласно теории Г.В. Самсонова механизм полиморфного превращения гексагональной модификации углерода (графита) и нитрида бора a-BN в кубическую сводится к превращению менее устойчивых 5/?2-электронных состояний атомов углерода и бора в более устойчивые 5/?3-состояния. Такое значительное изменение электронного строения и соответствующая перестройка кристаллической структуры (см. рис. 3.14) требуют высокой энергии активации и поэтому могут происходить с заметной скоростью лишь при высоких температурах. В то же время повышение температуры, согласно приведенной диаграмме (см. рис. 3.13, а, 6), сдвигает равновесие в сторону ооразоианим менее стабильных 5р2-электронных конфигураций и, соответственно, гексагональных модификаций. По этой причине для поддержания параметров синтеза алмаза и p-BN в поле их термодинамической устойчивости требуется повышение давления. Согласно данным [11] при высоком давлении помимо P-BN существуют ешс две плотные формы нитрида бора: кубический сфалеритоподобный, образующийся при давлении 11,0 12,0 ГПа и температуре 1973 К (устойчив в области высоких температур в диапазоне 2470-3970 К), и гексагональный вюрцитоподобный (y-BN), образующийся при давлении выше 12,5-13,0 ГПа и комнатной температуре (устойчив в области низких температур — до 293 К). Однако современная техника, используемая на предприятиях абразивной отрасли, не позволяет поддерживать давление порядка 6-10 Гпа в течение длительного времени, вследствие чего для ускорения перехода гексагональных модификаций графита и а-нитрида бора в кубические модификации применяют катализаторы. В качестве катализаторов служат, прежде всего металлы и их соединения, которые обладают высокой концентрацией коллективизированных слабосвязанных с атомами электронов. Эти электроны способствуют образованию.^-конфигураций из sp2-кон фигураций по схеме

ё + sp2 -> sp?.

Экспериментально показано, что наибольшей каталитической активностью при синтезе алмаза обладают железо, марганец и другие переходные металлы. При превращении a-BN p-BN хорошими каталитическими свойствами обладают щелочные и щелочноземельные металлы, а также их нитриды

(особенно нитриды магния, лития, кальция), которые способствуют кристаллизации кубического нитрида бора из эвтектического расплава.

Вследствие использования катализаторов синтетические алмазы и кубический нитрид бора, полученные в производственных условиях, всегда содержат примеси катализаторов и продуктов их взаимодействия с алмазом и нитридом бора. Так, например, в промышленном кубическом нитриде бора массовая доля p-BN составляет не более 90 %, a-BN < 1 %, а негидролизуемых боридов и нитридов — менее 9 %.

3.3.2. Промышленное получение синтетических алмазов и кубического нитрида бора

Общая технологическая схема промышленного производства синтетического алмаза и кубического нитрида бора показана на рис. 3.15. Основные технологические операции — приготовление реакционной шихты, изготовление графитовых контейнеров и их сборка (засыпка в рабочий объем контейнера реакционной шихты), сборка аппарата высокого давления непосредственно перед синтезом.

Приготовление реакционной шихты заключается в измельчении исходных материалов (графита, гексагонального нитрида бора, катализаторов), их перемешивании в специальных смесителях, обеспечивающих получение равномерно распределенных в объеме приготовленной смеси всех ее компонентов.

Изготовление графитовых контейнеров производится методом точения или прессования, а сборка реакционной камеры заключается в размещении определенного объема реакционной шихты в контейнере нагревателя (производится на автоматических роторных установках). Приготовленная таким образом реакционная камера помещается в камеру высокого давления и подается на автоматические установки для синтеза алмаза или p-BN.

Камера высокого давления (рис. 3.16) состоит из контейнера / (реакционная камера), в который загружается реакционная шихта, и двух блок-матриц, состоящих из стальных колец 2 и вставок из твердого сплава 3. В зарубежной практике для синтеза алмаза и p-BN используют аппарат типа “Белт”, имеющий рабочий объем до 50 см3 и используемый для создания давления до 10 ГПа.

Давление, необходимое для синтеза алмаза и P-BN, создастся прессами усилием 50-1000 кН. Усилие, создаваемое прессом, через аппарат высокого давления передается на рабочую (реакционную) камеру (см. рис. 3.16), которая воспринимает это усилие на площади в несколько квадратных сантиметров, что обеспечиваст создание в рабочем объеме камеры высокого статического давления. При этом шихта, находящаяся в реакционной камере, нагревается непосредственно через систему трансформаторов от сети переменного тока.

Ввиду невозможности прямого измерения и контроля всех параметров синтеза по причине сложности этой проблемы в производственных условиях применяют косвенные методы измерения температуры по электрической мощности, требуемой для нагрева реакционной камеры до заданной температуры.

В России для контроля температуры процесса синтеза сконструированы специальные регуляторы мощности, позволяющие осуществлять автоматическое поддержание нужного значения мощности, обеспечивающей нагрев реакционной камеры до заданной температуры.

Прямое измерение давления в рабочем объеме реакционной камеры также является сложной технической задачей, и по этой причине в промышленности давление в камере оценивают косвенно по давлению в гидросистеме прессовой установки, в которую помещается камера высокого давления. Давление в самой гидросистеме измеряется с помощью электроконтактного манометра.

Во время синтеза синтетического алмаза и p-BN устанавливаются технологические параметры и время синтеза по технологической карте и в зависимости от марки изготовляемого материала могут колебаться в широком интервале давлений (4-12 ГПа) и времени синтеза (от 15 с до 30 мин). В результате их водимого синтеза его готовым продуктом является спек, в составе которого помимо основного продукта (алмаза или p-BN) содержатся примеси. Потому спек направляется на химическое обогащение для выделения определенных марок алмаза или кубического нитрида бора.

Исходным материалом для производства шлифовальных материалов из синтетических алмазов служит продукт синтеза, из которого удалены графит и катализатор.