Получение синтетических алмазов и кубического нитрида бора

Теоретическая основа процесса синтеза алмаза и кубического нитрида бора

Синтетические алмазы и кубический нитрид бора р-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.

Таблица 3. 9

Физико-механические характеристики абразивных и инструментальных материалов

Материал

р 10 3,

кг/м3

Яц, ГПа

Е,

ГПа

Предел прочности, ГПа

X,

Вт/м К

а,

ос'ю4

Tmах,

°С-102

<7из

Алмаз

3,48-3,56

84,4-98,4

900

2,0

0,21-0,49

146,6

0,9-1,45

7-8

Эльбор

3,45-3,49

78.5-98,1

720

0.5

41,9

2,1-2,3

13-15

Карбид бора

2,48-2,52

39,2-44,2

296

1,8

0,21-0,28

11,5

4,5

7-8

Карбид кремния

3,15-3,25

32,4-35,3

365

1,5

0,05-0,15

15,5

6,5

13-14

Электрокорунд

3,95-4,10

18.9-23,5

370

0,76

0,08-0.09

19.7

7.5

17-19

Карбид титана

4,93

31,4

322

3,85

0,56-0,60

24,3

7,42

31,4

Карбид вольфрама Твердые сплавы

15,60

17,0

722

3,0

0,52-0,56

29,3

5,2-7,3

26,0

Т15К6

11,0-11,7

27,4

520

3,9

1,15

27,2

6,0

8,0

ВК8

14,4-14,8

15.2

540

4.5

1,60

58.7

5.0

9,0

Мннералокерами- ка ЦМ-322

3,93

19,6-22,5

4

1,2

0,30-0,45

4,2

7,9-8,2

12,0

Быстрорежущая закаленная сталь Р18

8,5-8,7

12,7-13,7

220

3,6

3,7

24,3

п.о

Примечание, р — плотность; — микротвердость; Е— модуль упругости; асж — предел прочности на сжатие; аиз — предел прочности на изгиб; X — коэффициент теплопроводности; Тшх — температурный предел устойчивости материала.

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 (3-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 р-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 $/>2-электронных состояний атомов углерода и бора в более устойчивые ^-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 лить при высоких температурах. В то же время повышение температуры, согласно приведенной

Фазовая диаграмма алмаза (а), кубического нитрида бора (б) и диаграмма состояния углерода и нитрида бора |4, 11]

Рис. 3.13. Фазовая диаграмма алмаза (а), кубического нитрида бора (б) и диаграмма состояния углерода и нитрида бора |4, 11]: I — область действия катализатора; 2 — область прямого перехода;

3 — гексагональный алмаз диаграмме (см. рис. 3.13, а, б), сдвигает равновесие в сторону образования менее стабильных $/?2-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 111| при высоком давлении помимо p-BN существуют еще 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 .9/^-конфигураций из ^-конфигураций по схеме

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

Кристаллические решетки графита (а), гексагонального нитрида бора (б), алмаза (в), кубического нитрида бора (г)

Рис. 3.14. Кристаллические решетки графита (а), гексагонального нитрида бора (б), алмаза (в), кубического нитрида бора (г)

(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 р-BN составляет не более 90 %, a-BN < 1 %, а негидролизуемых боридов и нитридов — менее 9 %.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >