RU1016941C - Method of synthesis of diamond monocrystals - Google Patents

Description

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, в частности алмазов, и может быть использовано на предприятиях, производящих искусственные алмазы и инструменты из них. The invention relates to the field of obtaining superhard materials, in particular diamonds, and can be used in enterprises producing artificial diamonds and tools from them.

Известен способ синтеза монокристаллов алмаза, включающий воздействие высокого давления и температуры на послойно расположенные в реакционном объеме графит и растворитель с увеличивающейся от слоя к слою по направлению от периферии к центру температурой плавления, причем в каждый из основных слоев растворителя дополнительно вводят разделяющую слой на две части прослойку растворителя с температурой плавления на 40-150^оС меньшей, чем основной слой, в состав растворителя прослойки входят металлы VI-VII групп и легирующие добавки в количестве 0,5-5 мас. например медь.A known method for the synthesis of diamond single crystals, which includes the effect of high pressure and temperature on graphite and a solvent layerwise arranged in the reaction volume, with a melting temperature increasing from layer to layer in the direction from the periphery to the center, moreover, a separating layer is additionally introduced into each of the main layers of the solvent into two parts the solvent layer with a melting point at 40-150 ^{° C} lower than the base layer of the interlayer solvent include metals of groups VI-VII, and alloying additives in quantitative e 0.5-5 wt. for example copper.

Способ позволяет увеличить выход алмазов и повысить их механическую прочность по сравнению с алмазами, выращенными без легирующих добавок. Однако теплопроводность кристаллов составляет 400-600 Вт/м˙град К, что не позволяет использовать их в качестве, например, теплостоков. Кроме того, кристаллы содержат по всему объему более 1,5 мас. включений, в основном неориентированной формы. The method allows to increase the yield of diamonds and increase their mechanical strength in comparison with diamonds grown without alloying additives. However, the thermal conductivity of the crystals is 400-600 W / m ˙ deg K, which does not allow their use as, for example, heat sinks. In addition, the crystals contain over the entire volume of more than 1.5 wt. inclusions, mostly non-oriented form.

Наиболее близким к предлагаемому является способ синтеза алмаза, включающий послойное размещение металла или сплава-растворителя, меди и графита и воздействие давления и температуры, лежащих в области термодинамической стабильности алмаза, причем, слой меди размещают между каждыми из 2 смежных слоев графита и растворителя, и он является разделительной перегородкой между последним и графитом в количестве 1,6 мас. В процессе синтеза частичное плавление металлической перегородки из меди создает возможность для образования алмазных зародышей в отдельных участках с постепенным передвижением участков зародышеобразования по мере расплавления разделительного диска меди. Указанное расположение меди приводит к увеличению размеров получаемых алмазов с одновременным уменьшением количества кристаллов. Closest to the proposed method is the synthesis of diamond, including layer-by-layer placement of a metal or alloy solvent, copper and graphite and the influence of pressure and temperature lying in the region of thermodynamic stability of diamond, moreover, a layer of copper is placed between each of 2 adjacent layers of graphite and solvent, and it is a dividing wall between the latter and graphite in an amount of 1.6 wt. In the process of synthesis, partial melting of the metal septum from copper creates the possibility for the formation of diamond nuclei in separate areas with the gradual movement of the nucleation sites as the copper separating disk melts. The indicated arrangement of copper leads to an increase in the size of the resulting diamonds with a simultaneous decrease in the number of crystals.

Недостатком данного синтеза является то, что он позволяет получать кристаллы алмаза несовершенной формы низкого качества, с большим количеством неориентированных включений (2,5-3,0 мас.) со значительными ступенями роста на гранях. Теплопроводность таких кристаллов около 300-400 Вт/м ˙ град К. The disadvantage of this synthesis is that it allows to obtain diamond crystals of an imperfect shape of low quality, with a large number of non-oriented inclusions (2.5-3.0 wt.) With significant growth levels on the faces. The thermal conductivity of such crystals is about 300-400 W / m ˙ deg K.

Целью изобретения является повышение теплопроводности монокристаллов алмаза и уменьшение количества включений в них. The aim of the invention is to increase the thermal conductivity of diamond single crystals and reduce the number of inclusions in them.

Поставленная цель достигается тем, что способ включает последовательное размещение в контейнере камеры высокого давления графита, металла или сплава-растворителя, слоя меди при содержании ее 2-25% от массы растворителя, металла или сплава-растворителя, графита и последующее воздействие давления при температуре в области термодинамической стабильности алмаза. The goal is achieved in that the method includes the sequential placement in the container of a high-pressure chamber of graphite, metal or alloy-solvent, a layer of copper with its content of 2-25% by weight of the solvent, metal or alloy-solvent, graphite and the subsequent pressure at a temperature of area of thermodynamic stability of diamond.

Отличие способа состоит в том, что слой меди размещают между слоями растворителя при содержании ее 2-25% от массы растворителя. The difference between the method is that the copper layer is placed between the layers of the solvent with a content of 2-25% by weight of the solvent.

Слой меди в виде диска или порошка размещают в середине слоя растворителя углерода, между слоем растворителя и слоем графита осуществляется прямой контакт, что при воздействии высокого давления при высокой температуре в области термодинамической стабильности алмаза обеспечивает одновременное появление зародышей алмаза на границе контакта. На последующем этапе наращивания алмаза на зародышах происходит диффузия меди к границе контакта и разбавление растворителя медью, не растворяющей углерод, вследствие чего снижается скорость выделения алмазного углерода из расплава в области термодинамической стабильности алмаза и осаждения на зародышах. Вследствие уменьшения скорости роста количество примесей в получаемых кристаллах минимально, алмазы прозрачные с зеркальными гранями высокого качества с высокой теплопроводностью. A copper layer in the form of a disk or a powder is placed in the middle of the carbon solvent layer, direct contact is made between the solvent layer and the graphite layer, which, when exposed to high pressure at high temperature in the region of thermodynamic stability of diamond, ensures the simultaneous appearance of diamond nuclei at the contact boundary. At the subsequent stage of diamond buildup on the nuclei, copper diffuses to the contact boundary and the solvent is diluted with copper that does not dissolve carbon, as a result of which the rate of diamond carbon evolution from the melt decreases in the region of the thermodynamic stability of diamond and deposition on the nucleus. Due to a decrease in the growth rate, the amount of impurities in the resulting crystals is minimal, diamonds are transparent with high-quality mirror faces with high thermal conductivity.

Механизм воздействия меди на процесс синтеза алмазов при указанном способе размещения слоя меди в реакционной шихте действует на любых растворителях углерода. The mechanism of the effect of copper on the synthesis of diamonds with the specified method of placing a layer of copper in the reaction mixture acts on any carbon solvents.

В качестве растворителей углерода предпочтительно использовать элементы, выбранные из группы Fe, Ni, Co, Mn, Cr в виде отдельных металлов, их смесей или сплавов-растворителей из-за их высокой способности раствоpять углерод в значительных количествах, позволяющих обеспечивать высокую степень превращения графита в алмаз в условиях термодинамической стабильности алмаза. В качестве растворителя углерода также могут быть использованы смеси или сплавы металлов с углеродом или карбидами с целью понижения параметров синтеза. Графиты могут быть использованы, например, марок С-3 МГ-ОСЧ, ГМЗ-ОСЧ, ЭГ-1. As carbon solvents, it is preferable to use elements selected from the group of Fe, Ni, Co, Mn, Cr in the form of individual metals, their mixtures or alloys-solvents due to their high ability to dissolve carbon in significant quantities, allowing for a high degree of conversion of graphite to diamond in the conditions of thermodynamic stability of diamond. Mixtures or alloys of metals with carbon or carbides can also be used as a carbon solvent in order to lower the synthesis parameters. Graphites can be used, for example, grades S-3 MG-OSCh, GMZ-OSCh, EG-1.

Содержание меди 2-25 мас. по отношению к массе металла или сплава-растворителя углерода определенно экспериментально. При этом соотношении либо не достигается цель изобретения, либо снижается выход алмазов. The copper content of 2-25 wt. with respect to the mass of the metal or alloy-solvent carbon is definitely experimental. With this ratio, either the goal of the invention is not achieved, or the output of diamonds is reduced.

П р и м е р. В цилиндрическое реакционное пространство контейнере с внутренним диаметром 15 мм, выполненного из литографского камня, помещают графитовый диск (графит марки МГОСЧ) диаметром 15 мм, толщиной 1,5 мм, весом 0,4 г, затем помещают слой стружки сплава-растворителя Ni-Mn-C (Ni 47 мас. С 0,9 мас. Mn остальное) в виде фракции 1000-500 мкм в количестве 0,6 г, слой меди в виде фольги весом 0,06 г, слой стружки сплава-растворителя, описанного выше, в количестве 0,6 г, затем графитовый диск диаметром 15 мм, толщиной 1,5 мм указанной марки весом 0,4 г. Содержание меди составляет 4,75 мас. содержание растворителя 95,25 мас. PRI me R. In a cylindrical reaction space of a container with an inner diameter of 15 mm made of lithographic stone, a graphite disk (graphite grade MGOSCH) with a diameter of 15 mm, a thickness of 1.5 mm, and a weight of 0.4 g is placed, then a chip layer of a Ni-Mn solvent-alloy alloy is placed -C (Ni 47 wt. C 0.9 wt. Mn else) in the form of a fraction of 1000-500 μm in an amount of 0.6 g, a layer of copper in the form of a foil weighing 0.06 g, a layer of chips of a solvent alloy described above, in an amount of 0.6 g, then a graphite disk with a diameter of 15 mm, a thickness of 1.5 mm of the specified grade weighing 0.4 g. The copper content is 4.75 ma . solvent content 95.25 wt.

Заполненный контейнер помещают в устройство высокого давления, затем в аппарат высокого давления и высоких температур и подвергают воздействию давления 40,5 кбар и температуры 1200^оС в течение 20 мин.The filled container is placed in a pressure device, then the high pressure and high temperature apparatus and subjected to a pressure of 40.5 kbar and a temperature of 1200 ^C for 20 minutes.

Продукт синтеза представляет собой смесь металлов, алмаза и остаточного графита, последний удаляется окислением, например, кислородом воздуха. Металлы удаляются растворением, например, в азотной кислоте. The synthesis product is a mixture of metals, diamond and residual graphite, the latter being removed by oxidation, for example, with atmospheric oxygen. Metals are removed by dissolving, for example, in nitric acid.

В результате превращение графита в алмаз составляет 40,6 мас. от массы используемого графита. As a result, the conversion of graphite to diamond is 40.6 wt. by weight of graphite used.

Полученные алмазы светло-желтого цвета имели правильную кристаллографическую форму кубооктаэдров с зеркальными гранями. Партия представлена кристаллами без видимых под микроскопом включений при увеличении в 80 раз и с ориентированными точечными включениями в виде прерывистых линий, сходящихся в центре кристалла. Содержание включений в алмазах менее 0,3 мас. по всем зернистостям. The resulting light yellow diamonds had the correct crystallographic form of cuboctahedra with mirror faces. The batch is represented by crystals without inclusions visible under the microscope at a magnification of 80 times and with oriented point inclusions in the form of broken lines converging in the center of the crystal. The content of inclusions in diamonds is less than 0.3 wt. for all grit.

Содержание алмазов фракций 800/630 315/250 мкм, составляющих 66,2 мас. от веса всей партии алмазного сырья, приведено в табл.1. The diamond content of fractions 800/630 315/250 microns, comprising 66.2 wt. by weight of the entire batch of rough diamonds, are given in table 1.

Прочность алмазов фракции 400/315 мкм составляет 14,4 кг, т.е. в 2,5 раза выше прочности алмазов марки АСС. The strength of the 400/315 micron fraction diamonds is 14.4 kg, i.e. 2.5 times higher than the strength of ACC diamonds.

Аналогично технологии, изложенной в примере, был осуществлен ряд опытов, результаты которых приведены в табл.2. Similarly to the technology described in the example, a number of experiments were carried out, the results of which are given in Table 2.

Как следует из результатов, изложенных в табл.2, способ синтеза позволяет получать прозрачные кристаллы алмаза с зеркальными гранями либо только с видимыми ориентированными включениями точечного типа в виде пересекающихся в центре кристалла прерывистых линий, либо из видимых с помощью микроскопа включений. Содержание включений в кристаллах алмаза менее 0,9 мас. т.е. в 2,5-3 раза ниже, чем по прототипу. Теплопроводность алмазов 1000-1200 Вт/м ˙град К, т.е. в 3-4 раза выше, чем по прототипу. As follows from the results set forth in Table 2, the synthesis method allows one to obtain transparent diamond crystals with mirror faces either only with visible oriented inclusions of a point type in the form of dashed lines intersecting in the center of the crystal, or from inclusions visible with a microscope. The content of inclusions in diamond crystals is less than 0.9 wt. those. 2.5-3 times lower than the prototype. The thermal conductivity of diamonds is 1000-1200 W / m ˙ city K, i.e. 3-4 times higher than the prototype.

Полученные алмазы высокого качества могут быть использованы также для изготовления бурового инструмента (долот, буровых коронок), пил для распиловки твердых пород камня, карандашей для правки шлифовальных кругов и т.д. т. е. эти алмазы могут использоваться в инструментах на металлической связке, где всегда требуются высокие температуры для спекания алмазоносного слоя. Прочность получаемых алмазов в 2,5 раза превышает прочность алмазов марки АСС соответствующих зернистостей по ГОСТу 9206-70. The resulting high-quality diamonds can also be used for the manufacture of drilling tools (chisels, drill bits), saws for sawing hard rock, pencils for dressing grinding wheels, etc. that is, these diamonds can be used in metal-bonded tools where high temperatures are always required for sintering the diamond layer. The strength of the obtained diamonds is 2.5 times higher than the strength of the ACC diamonds of the corresponding grit according to GOST 9206-70.

Claims (1)

СПОСОБ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА, включающий послойное размещение в контейнере камеры высокого давления металла или сплава-растворителя, меди и графита и последующее воздействие давления при температуре в области термодинамической стабильности алмаза, отличающийся тем, что, с целью повышения теплопроводности и уменьшения количества включений в кристаллах, слой меди размещают между слоями растворителя при содержании ее 2-25% от массы растворителя. METHOD FOR SYNTHESIS OF DIAMOND SINGLE CRYSTALS, including layer-by-layer placement in a container of a high-pressure chamber of a metal or solvent alloy, copper and graphite and subsequent pressure exposure at a temperature in the region of thermodynamic stability of diamond, characterized in that, in order to increase thermal conductivity and reduce the number of inclusions in crystals, a copper layer is placed between the layers of the solvent with a content of 2-25% by weight of the solvent.

Images