Технология порошковой металлургии
Степанчук А.Н., Билык И.И., Бойко П.А.
К.: Выща школа, 1989 г.
6.2. СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материалы с микротвердостью Нμ>50 ГПа относят к сверхтвердым. В основу классификации сверхтвердых материалов положена их основная характеристика — твердость, согласно которой сверхтвердые материалы делят на пять основных классов:
1) природные алмазы (микротвердость свыше 100 ГПа);
2) синтетические алмазы (микротвердость 90—100 ГПа);
3) кубический нитрид бора (микротвердость 70—80 ГПа);
4) вюрцитоподобный нитрид бора (микротвердость 50—80 ГПа);
5) композиционные сверхтвердые материалы на основе карбидов, нитридов, боридов IV—VI групп периодической системы Д. И. Менделеева (микротвердость 30— 50 ГПа).
В каждом классе можно выделить несколько групп и подгрупп, в первую очередь, моно- и поликристаллы, композиции на основе алмаза, кубического и вюрцитоподобного нитрида бора и т. д. (схема 21).
Среди сверхтвердых материалов особое место занимают алмазы. Это наиболее твердые из всех известных в природе и полученных синтетически материалов.Применение алмазных фильер позволяет изготовлять волочением проволоки из тугоплавких, цветных и драгоценных металлов диаметром в несколько микрометров. Так, алмазной волокой из 1 кг вольфрама можно протянуть проволоку диаметром 12 мкм, длиной 450 км. Одним кристаллом алмаза массой 1 карат (0,2 г) можно разрезать столько стекла, что общая линия пореза будет равна 2,5 млн. м.
Алмазные сверла, резцы, буровые коронки и долота для бурения наиболее крепких пород, инструмент для правки шлифовальных кругов, наконечники к приборам для измерения твердости и чистоты поверхности, пилы для резки гранита и мрамора, алмазно-абразивные круги, хоны, диски для резки полупроводниковых материалов, подшипники для особо точных приборов и морских хронометров—вот далеко не полный перечень применения алмазов в технике.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ
Получение алмазных порошков. Современный метод получения синтетических алмазов основан на спонтанном образовании кристаллов алмаза в системе металл — углерод в условиях высоких температур и сверхвысоких давлений. Выдвинуто две гипотезы, различно трактующие роль металла. Согласно одной из них (гипотеза растворителя), механизм синтеза состоит в растворении углерода (графита) в расплавленном металле до состояния насыщения и кристаллизации из этого раствора алмаза, относительно которого раствор пересыщен.
Согласно гипотезе растворитель — катализатор, кристаллизация алмаза также происходит из раствора углерода в расплавленном металле (Ni, Со, Ni—Μη, Zn, Sn, Сu, Ca). Каталитический эффект в этом случае обусловлен уменьшением поверхностной энергии при образовании границы раздела алмаз — металл. При синтезе алмазов роль металлов сводится к образованию некоторых промежуточных соединений, которые затем разлагаются с образованием алмаза как одного из продуктов.
Наиболее благоприятными условиями синтеза алмаза в системе Me—С является давление 4—6 ГПа и температура 1125—1325 °С над линией равновесия алмаз — графит в области стабильности алмаза (рис. 43). В этих условиях образуются отдельные кристаллы алмазов. При давлении и температуре, выбранных внутри области стабильности алмаза, образуются поликристаллические агрегаты, вблизи кривой равновесия преобладает диффузионный рост, а внутри области стабильности алмаза — спонтанные процессы полиморфного превращения. Рост кристаллов происходит в два этапа: образование зародышей и последующий рост кристаллов на зародыше. Зародыши образуются при очень высоких давлениях во всех областях термодинамической устойчивости алмаза, процесс носит спонтанный характер.
В области более низких давлений для образования зародышей алмазов; необходимо наличие катализаторов, в качестве которых могут выступать различные флуктуации плотности, твердые частицы (карбиды) и т. п.
Первоначальный рост алмазов (до размера 0,02 см) при длительности синтеза 60 с происходит преимущественно в форме октаэдров, в интервале 60—420 с (с увеличением размера кристаллов до 0,04 см) резко возрастает количество граней куба. Подобный характер неустойчивости граней кристаллов сохраняется во всем интервале давлений и температур. Введение в исходную шихту небольших добавок В (1 %), а также In, Си, Sn, Са (до 3 %), повышает устойчивость формы кристаллов при синтезе в течение 60— 420 с при тех же давлениях и температурах.