RU2087576C1 - Method of production of diamond-containing material from fulleren - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy; applicable in production from fulleren of diamond- containing material and polycrystalline diamonds. SUBSTANCE: the offered method includes mixing of fulleren with powder material and compaction of obtained mixture with subsequent synthesis of diamond. The offered method is distinguished by the fact that powder material is used in form of iron- containing composition, and diamond synthesis is carried out in the medium of hydrogen at atmospheric pressure and temperature of 930-980 C. In so doing, it is preferably to take powders of fulleren C60, ferrophosphorus and iron in ratio of 8:6:86. After heat treatment, the material is compacted at the pressure of 800-100 MPa and hardened from 930-980 C to minus 50 C with the cooling rate of 600-900 C/s. The structure of produced material presents iron matrix with 2% porosity and reinforced with cementite and phosphide inclusions with synthetic diamonds sizing 30-20 mcm distributed in matrix. Diamonds in pure state may be separated from matrix, for instance, by dissolving. Materials produced by the offered method may be applied in the capacity of structural and tool materials (for cutting and drawing tools) or abrasive materials, for instance, for working of glass and similar materials. EFFECT: simple and economically efficient method of production of diamond-containing material from fulleren. 2 cl

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к изготовлению композиционного алмазсодержащего материала и может быть использован для получения поликристаллов алмазов. The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the manufacture of composite diamond-containing material and can be used to obtain polycrystals of diamonds.

Основные способы изготовления алмазсодержащего композиционного материала из порошков заключаются в том, что алмазные зерна закрепляют, например с применением различных связующих, с помощью особой конструкции пресс-инструмента и др. на поверхности спрессованного материала матрицы, после чего осуществляют их запрессовку горячим прессованием в вакууме при температурах порядка 1300 1400^oC или пропитку [1]
Недостатками указанных способов являются трудоемкость процесса правильного установления алмазных зерен, необходимость использования в одном технологическом цикле нескольких комплектов пресс-инструмента особой конструкции (в том числе недолговечного графитового), применения оборудования для ДГП.The main methods of manufacturing a diamond-containing composite material from powders are that diamond grains are fixed, for example, using various binders, using the special design of a press tool and others on the surface of the pressed matrix material, after which they are pressed by hot pressing in vacuum at temperatures about 1300 1400 ^o C or impregnation [1]
The disadvantages of these methods are the complexity of the process of correctly establishing diamond grains, the need to use several sets of a special design (including short-lived graphite) in one technological cycle, and the use of equipment for BPH.

Существующие способы синтезирования алмазов из фуллеренов предполагают использование высокого давления, более 20 ГПа, и высоких температур, любо мощной энергии ионизации, до 250 эВ [2]
Известен способ синтеза поликристаллического алмаза из фуллерена, согласно которому эту технологическую операцию проводят при обычной температуре, но при этом возникает необходимость применения сверхвысокого давления [3]
Недостатками данных способов являются высокая энергетическая емкость процесса, использование вакуумной аппаратуры, низкая производительность процесса. Кроме того, существует необходимость нанесения затравочной поверхности для образования алмазов.Existing methods for synthesizing diamonds from fullerenes involve the use of high pressure, more than 20 GPa, and high temperatures, any powerful ionization energy, up to 250 eV [2]
A known method of synthesis of polycrystalline diamond from fullerene, according to which this technological operation is carried out at ordinary temperature, but there is a need to use ultra-high pressure [3]
The disadvantages of these methods are the high energy capacity of the process, the use of vacuum equipment, low productivity of the process. In addition, there is a need to apply a seed surface to form diamonds.

Перечисленные методы позволяют синтезировать алмазные частицы размером не более 25 35 нм. The listed methods allow to synthesize diamond particles with a size of not more than 25 35 nm.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ получения алмазсодержащего материала из фуллерена, заключающийся в смешивании фуллеритового порошка с порошком меди, уплотнении методом холодного прессования полученной смеси при давлении 180 МПа с последующим компактированием взрывом при давлении 24 40 ГПа. Данным способом удается синтезировать алмазы размером 0,1 1 мкм [4]
Недостатками данного способа являются необходимость использования оборудования взрывного компактирования, характеризующегося большим градиентом давлений и температур, а также трудоемкость процесса, тормозящая выход на технологические промышленные масштабы.The closest set of features to the claimed one is a method for producing a diamond-containing material from fullerene, which consists in mixing fullerite powder with copper powder, compaction by cold pressing of the mixture at a pressure of 180 MPa, followed by compacting by explosion at a pressure of 24 to 40 GPa. This method manages to synthesize diamonds with a size of 0.1 to 1 μm [4]
The disadvantages of this method are the need to use explosive compaction equipment, characterized by a large gradient of pressures and temperatures, as well as the complexity of the process, inhibiting access to the technological industrial scale.

Отмеченные недостатки могут быть устранены путем замены сложной и трудоемкой операции ударно-волнового компактирования термообработкой. The noted disadvantages can be eliminated by replacing the complex and time-consuming operation of shock wave compacting by heat treatment.

Заявляемый способ направлен на упрощение и удешевление технологии изготовления алмазсодержащего материала. The inventive method aims to simplify and reduce the cost of manufacturing technology for diamond-containing material.

Предлагаемый способ получения алмазсодержащего материала из фуллерена, включающий смешивание фуллерена с порошковым материалом, уплотнение смеси и последующий синтез алмаза из фуллерена, отличается тем, что фуллерен смешивают с железосодержащей композицией, а синтез алмаза осуществляют термообработкой. The proposed method for producing diamond-containing material from fullerene, including mixing fullerene with powder material, compacting the mixture and subsequent synthesis of diamond from fullerene, is characterized in that the fullerene is mixed with an iron-containing composition, and the synthesis of diamond is carried out by heat treatment.

Предпочтительно при смешивании брать фуллерен, феррофосфор и железо в соотношении 8 6 86, а термообработку проводить в атмосфере водорода при температуре 930 980^oC с последующими уплотнениями при 800 1000 МПа и закалкой с 930 980^oC до минус 50^oC со скоростью 600 900 град/с.When mixing, it is preferable to take fullerene, ferrophosphorus and iron in a ratio of 8 6 86, and heat treatment is carried out in a hydrogen atmosphere at a temperature of 930 980 ^o C with subsequent compaction at 800 1000 MPa and quenching from 930 980 ^o C to minus 50 ^o C at a speed of 60000 900 deg / s.

Использование железосодержащей композиции обеспечивает наилучшие условия для протекания превращения фуллерен-алмаз благодаря высокому содержанию железа, поскольку введение в состав основы композиционного материала карбидообразующих элементов (Cr) приводит к увеличению количества карбидов, а графитизирующих (Cu) к разложению фуллерена и образованию графита, что в обоих случаях значительно уменьшает количество синтезированного алмаза. Феррофосфор не оказывает влияния на превращение фуллерена в алмаз и вводится для активации спекания. The use of an iron-containing composition provides the best conditions for the fullerene-diamond transformation to occur due to the high iron content, since the introduction of carbide-forming elements (Cr) into the base of the composite material increases the amount of carbides, and graphitizing (Cu) leads to the decomposition of fullerene and the formation of graphite, which in both Cases significantly reduces the amount of synthesized diamond. Ferrophosphorus does not affect the conversion of fullerene to diamond and is introduced to activate sintering.

Термообработка материала при температуре ниже указанного предела не обеспечивает достаточной прочности композиционному материалу, а выше - способствует графитизации образующегося алмаза. Heat treatment of the material at a temperature below the specified limit does not provide sufficient strength to the composite material, and above it contributes to the graphitization of the formed diamond.

Способ поясняется следующим примером конкретного исполнения. The method is illustrated by the following example of a specific implementation.

Пример. Порошки фуллерена C 60, феррофосфора и железа, взятых в количестве 8, 6, 86 г соответственно перемешивают, уплотняют холодным прессованием при давлении 800 МПа. Спрессованный образец подвергают термообработке в водородной печи при 950^oC в течение 1 часа, при которой основная часть фуллерена C 60 трансформируется в алмаз, частично связывается в карбид, небольшая часть графитизируется, а незначительная часть не претерпевает превращения.Example. Powders of fullerene C 60, ferrophosphorus and iron, taken in amounts of 8, 6, 86 g, respectively, are mixed, compacted by cold pressing at a pressure of 800 MPa. The compressed sample is heat-treated in a hydrogen furnace at 950 ^° C for 1 hour, in which the main part of the fullerene C 60 is transformed into diamond, partially bound to carbide, a small part is graphitized, and a small part does not undergo conversion.

Спеченный композиционный алмазсодержащий материал имеет пористость порядка 50% Материал дополнительно уплотняют холодным прессованием при давлении 800 МПа с промежуточным отжигом в атмосфере водорода при 500^oC, что позволяет уменьшить пористость до 2% Последующее применение закалки композиционного материала с 950^oC с охлаждением до минус 50^oC (в жидкий азот) со скоростью 600 град/сек гарантирует преимущественное расположение алмазных частиц по поверхности образца и полное протекание превращения фуллерен-алмаз.The sintered composite diamond-containing material has a porosity of about 50%. The material is additionally compacted by cold pressing at a pressure of 800 MPa with intermediate annealing in a hydrogen atmosphere at 500 ^o C, which allows to reduce porosity to 2%. Subsequent application of hardening of the composite material from 950 ^o C with cooling to minus 50 ^o C (into liquid nitrogen) at a speed of 600 deg / s guarantees the predominant location of diamond particles on the surface of the sample and the complete conversion of fullerene-diamond.

Структура полученного материала представляет собой железную матрицу с пористостью порядка 2% упрочненную цементитными и фосфидными включениями, с распределенными в ней синтетическими алмазами размером 3 20 мкм. The structure of the obtained material is an iron matrix with porosity of the order of 2% hardened by cementite and phosphide inclusions, with synthetic diamonds 3-20 microns in size distributed in it.

Алмазы могут быть выделены из матрицы любым известным способом, например растворением. Для получения алмазов в чистом виде не требуется проведения допрессовок и закалки, в этом случае технологический цикл ограничивается операциями смешивания, прессования и термообработки. Diamonds can be isolated from the matrix by any known method, for example, by dissolution. To obtain pure diamonds, it is not necessary to carry out pre-pressings and hardening, in this case the technological cycle is limited to the operations of mixing, pressing and heat treatment.

Преимущества предлагаемого способа заключаются: в применении простой технологической схемы, легко осуществимой на стандартном оборудовании цехов порошковой металлургии, что позволяет полностью автоматизировать процесс производства, сокращении его трудоемкости, уменьшении затрат на оборудование и энергоресурсы. The advantages of the proposed method are: the use of a simple technological scheme that is easily feasible on standard equipment of powder metallurgy workshops, which allows fully automating the production process, reducing its labor intensity, and reducing equipment and energy costs.

Кроме того, размеры синтезированных алмазов, полученных по предлагаемому способу, в несколько раз превышают размеры аналога. In addition, the dimensions of the synthesized diamonds obtained by the proposed method are several times the size of the analogue.

Материалы, полученные по данному способу могут найти применение в качестве конструкционных, инструментальных (для режущего или волочильного инструментов) или абразивных, например для обработки стекол, монокристаллических алмазов и т.д. The materials obtained by this method can find application as structural, tool (for cutting or drawing tools) or abrasive, for example for processing glasses, single-crystal diamonds, etc.

Claims (2)

1. Способ получения алмазосодержащего материала из фуллерена, включающий смешивание порошка фуллерена с порошком металлсодержащего компонента, уплотнение смеси и последующее компактирование с синтезом алмаза, отличающийся тем, что в качестве металлсодержащего компонента используют железосодержащую композицию, а компактирование с синтезом алмаза осуществляют термической обработкой в среде водорода при атмосферном давлении и температуре 930 - 980^oС.1. A method of obtaining a diamond-containing material from fullerene, comprising mixing the fullerene powder with a powder of a metal-containing component, compacting the mixture and subsequent compacting with diamond synthesis, characterized in that the iron-containing composition is used as a metal-containing component, and compacting with diamond synthesis is carried out by heat treatment in a hydrogen medium at atmospheric pressure and a temperature of 930 - 980 ^o C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешиванию подвергают порошок фуллерена С 60 с композицией, содержащей железо и феррофосфор, при соотношении фуллерена, феррофосфора и железа 8 6 86, а после компактирования проводят дополнительное уплотнение при давлении 800 1000 МПа с промежуточным отжигом при 500^oС и закалку с 930 980^oС до -50^oС со скоростью охлаждения 600 900^o/с.2. The method according to claim 1, characterized in that the mixture is subjected to fullerene C 60 powder with a composition containing iron and ferrophosphorus, with a ratio of fullerene, ferrophosphorus and iron 8 6 86, and after compacting, an additional compaction is carried out at a pressure of 800-1000 MPa with an intermediate annealing at 500 ^o С and quenching from 930 980 ^o С to -50 ^o С with a cooling rate of 600 900 ^o / s.