Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C
The influence of such factors as the value and geometry of the metal graphite contact surface, the density and concentration of formed crystallization centers on the final result of diamond synthesis is studied. The relation between the value of the Me – C contact surface and the number of cryst...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21785 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C / Н.Т. Лоладзе, М.П. Церодзе // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 162-170. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859481746773377024 |
|---|---|
| author | Лоладзе, Н.Т. Церодзе, М.П. |
| author_facet | Лоладзе, Н.Т. Церодзе, М.П. |
| citation_txt | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C / Н.Т. Лоладзе, М.П. Церодзе // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 162-170. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The influence of such factors as the value and geometry of the metal graphite contact surface, the density and concentration of formed crystallization centers on the final result of diamond
synthesis is studied. The relation between the value of the Me – C contact surface and the number of
crystallization centers is evaluated quantitatively on the basis of experimental data; also, the properties of synthesized diamonds are studied for various schemes of arrangement of reagents in the
high pressure chamber. Detailed consideration is given to the physical meaning of such values as
the specific concentration of crystallization centers N/V and the specific density of crystallization
centers N/S. It is shown that the specific concentration of nuclei depends on the Me-C contact surface value, while their density is determined by the physical and chemical properties of metal and
graphite reagents. It is established that by varying the geometry and value of the Me-C contact surface and also by choosing appropriately a scheme of reagents arrangement it is possible to improve
essentially the technological parameters of synthesis processes in one and the same P-T conditions.
|
| first_indexed | 2025-11-24T15:10:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
162
УДК 666.233
Н. Т. Лоладзе, канд. техн. наук, М. П. Церодзе, канд. хим. наук
Грузинский технический университет, г. Тбилиси
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
АЛМАЗА В СИСТЕМЕ Ме – С
The influence of such factors as the value and geometry of the metal graphite contact sur-
face, the density and concentration of formed crystallization centers on the final result of diamond
synthesis is studied. The relation between the value of the Me – C contact surface and the number of
crystallization centers is evaluated quantitatively on the basis of experimental data; also, the prop-
erties of synthesized diamonds are studied for various schemes of arrangement of reagents in the
high pressure chamber. Detailed consideration is given to the physical meaning of such values as
the specific concentration of crystallization centers N/V and the specific density of crystallization
centers N/S. It is shown that the specific concentration of nuclei depends on the Me-C contact sur-
face value, while their density is determined by the physical and chemical properties of metal and
graphite reagents. It is established that by varying the geometry and value of the Me-C contact sur-
face and also by choosing appropriately a scheme of reagents arrangement it is possible to improve
essentially the technological parameters of synthesis processes in one and the same P-T conditions.
Кинетика кристаллизации алмаза при каталитическом синтезе в условиях высоких
значений р и Т зависит от многих факторов, основными из которых являются пересыщение
системы, структура исходного углерода, состав металла-катализатора, площадь контактной
поверности Ме – С, схема снаряжения. При известных закономерностях влияния этих факто-
ров на процесс алмазообразования возможен синтез алмазов определенных марок и зерни-
стости. Широко применяемые в практике синтеза гомогенная и послойная схемы расположе-
ния реагентов – Ме и Сгр – имеют как преимущества, так и недостатки.
Качественная оценка факторов, влияющих на кинетику кристаллизации алмазов при
различных схемах расположения графита и металла, приведена в 1– 4. Одним из важней-
ших параметров, определяющих процесс кристаллизации, является площадь поверхности
раздела между графитом и металлом-катализатором.
Формулы для определения соответственно массовой и линейной скорости роста ал-
мазной фазы имеют вид 3
SKSK
CCSSKK
dt
dM )(
(1)
)4(
)(
2
SKNRK
CCSKK
dt
dR (2)
где M масса образовавшегося алмаза, ;
3
4 3 NRM K и K константы скорости со-
ответственно роста алмаза и растворения графита; S и S площадь межфазной поверхно-
сти соответственно графит–металл и алмаз–металл, NRS 24 ; C и C равновесная
концентрация углерода соответственно над графитом и алмазом; плотность алмаза;
R радиус кристаллов условно имеющих форму шара; N количество зародышей алмаза.
На начальной стадии процесса кристаллизации алмаза при SS массовая ско-
рость роста алмаза )(
CCSK
dt
dM
, зависит от количества зародышей и не зависит от
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
163
величины контактной поверхности металл–графит S . Линейная скорость роста и размер
кристаллов алмаза
)( CCK
dt
dR . (3)
tCCKR )( . (4)
Два последних показателя также не зависят от S и определяются только константой скоро-
сти роста алмаза и пересыщением; к тому же радиус R прямопропорционален продолжи-
тельности синтеза.
На более поздней стадии кристаллизации алмаза при SS массовая скорость кри-
сталлизации алмаза не зависит от площади поверхности алмазных кристаллов и их количест-
ва, однако она прямо пропорциональна площади контактной поверхности
)(
CCSK
dt
dM (5)
При этом линейная скорость роста алмаза
24)( RNCCSK
dt
dR (6)
обратно пропорциональна количеству зародышей и повышается с увеличением отношения
NS .
Радиус кристаллов алмаза
314)(3 NtCCSKR (7)
также увеличивается с увеличением отношения NS .
Таким образом, на начальной стадии процесса кристаллизации алмаза решающую
роль играет собственно кинетика роста алмаза, тогда как при увеличении площади поверхно-
сти алмазных кристаллов она определяется скоростью растворения углеграфитового мате-
риала и зависит от отношения NS , т. е. от площади контактной поверхности, приходя-
щейся на один зародыш алмаза – величины, обратной плотности зародышей. Плотность за-
родышей можно изменять различными методами: применением углеграфитовых материалов
различной структуры, изменением значений Т и р в процессе синтеза, а также геометрии и
площади контактной поверхности S .
Формулы (1–7) эмпирические и поэтому не позволяют полностью оценить влияние
термодинамических и кинетических факторов на процесс спонтанной кристаллизации алма-
зов в системе Ме–С. В научной литературе такие данные ограничены.
Цель настоящей работы – количественно оценить влияние таких факторов, как вели-
чина, и природа контактной поверхности «графит–металл», плотность зародышей SN / , на
процесс алмазообразования.
Эксперименты при высоком давлении и температуре проводили на камерах высокого
давления реакционным объемом около 20 см3. Соответствующий контейнер изготовили из
литографского (Алгетского) камня. Синтез осуществляли при р = 4,3 ГПа, Т = 1500 К и про-
должительности выдержки 11 мин. В качестве исходного сырья использовали графит марки
МГ-осч, металлом-катализатором служил сплав 50% Ni – 50% Mn в виде дисперсного по-
рошка. Применяли как гомргенную схему снаряжения (рис.1, а), так и схему послойного
расположения реагентов (рис.1, б, в).
При гомогенной схеме графит использовали в виде смеси порошков зернистостью
1600/1000, 1000/800, 800/630,630/500 мкм в различных процентных соотношениях. При из-
менении фракционного состава графитового порошка изменялась площадь контактной по-
верхности Ме–С. Гомогенное снаряжение контейнера рабочей смесью Гр+Ме проводили так,
что по всему объему порошка металла равномерно распределялись частицы графита. Соот-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
164
ношение состава было взято 79% Ме -21% С, что обеспечило при высоком давлении наличие
между частицами графита прослоек металла толщиной 0,5–1 мм. При такой схеме располо-
жения компонентов не менее 95% площади поверхности каждого графитового зерна сопри-
касались с металлом и участвовали в создании суммарной площади контактной поверхности
Ме –С ( S ).
а б
в
Рис.1. Используемых в опытах схемы снаряжения контейнеров: а – гомогенная схема сна-
ряжения; б – послойная схема снаряжения (графитовые шайбы с плоской поверхностью); в
– послойная схема снаряжения (графитовые слой с развитой шероховатой поверхностью);
1 – тепло- и электроизоляционные крышки из камня; 2 –электроконтакты; 3 – теплоизоля-
ционные прокладки; 4 – графит; 5 – металл-катализатор
При послойной схеме снаряжения графит имел вид круглых дисков диаметром 30
мм (диаметр рабочей зоны контейнера) и толщиной 2 мм с различной геометрией поверхно-
сти. В одних случаях поверхность графита была гладкой, в других – шероховатой. Метод
приготовления графитовых изделий большой площади поверхности рассматривать в данной
работе не будем.
При гомогенной схеме снаряжения рабочей зоны контейнера (рис. 1, а) площадь кон-
тактной поверхности в системе Ме–С была равна сумме площадей поверхностей каждого
находящегося в зоне реакции графитового зерна. Было принято, что каждое графитовое зер-
но со всех сторон соприкасается только с металлическим порошком и графитовые частицы
различных заданных фракций имеют определенную геометрическую форму, например, сфе-
рическую или кубическую радиуса (или ребра) r. При этом площадь поверхности одного
зерна составила 334 r или 26r .
В случае послойной схемы снаряжения площадь контактной поверхности Ме–С
)2(0 KSS , где 0S площадь графитовой шайбы с плоскими торцевыми поверхностями
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
165
Рис. 2. Зависимость количества об-
разованных центров кристаллизации
в единице объема (мм3) от приходя-
щейся на 1 г металла-катализатора
площади контактной поверхности в
системе Ме–С при схеме снаряже-
ния: АВ – послойной; СD – гомоген-
ной
(рис. 1, б); K – количество графитовых слоев в схеме. При этом ,2
0 RS где R – радиус
графитовой шайбы. В исследуемом случае R = 15 мм. Как отмечалось, для увеличения пло-
щади контактной поверхности Ме–С в случае применения послойной схемы расположения
реагентов в качестве углеродного слоя применяли специальные графитовые изделия с раз-
личной заданной геометрией поверхности (рис. 1, в). Площадь поверхности рассчитывали с
помощью моделирования и компьютерной графики: ),2( KSS x ,2
xx RS где Rx=(R+x);
x –прирост воображаемого радиуса графитового слоя за счет повышенной шероховатости
поверхности.
Количество центров кристаллизации определяли по расчетной методике, описанной в
[5]. Экспериментальная кривая зависимости образованных в единице объема (мм3) центров
кристаллизации от площади контактной поверхности системы Ме–С, приходящейся на 1 г
металла-катализатора показана на рис. 2.. В этом случае привязка к единице массы металла, а
не графита оправдана в целях исключения влияния толщины графитового слоя, не участ-
вующего в реакции (послойная схема), на площадь удельной поверхности. Кроме того, для
послойной схемы снаряжения сделана поправка на общий объем реакционной зоны (рабочий
объем контейнера) вычитанием определенного объема графита, не участвующего в реакции
(середина графитовой шайбы по высоте).
Такой подход правомерен, поскольку во
всех используемых схемах масса металла
практически одинакова (25–27 г), соответственно
одинакова толщина металлических прослоек
между рабочими поверхностями графита
(диффузионный пробег).
Полученные данные (рис. 2) свидетельст-
вуют, что при прочих равных условиях (р, Т, хи-
мический состав, соотношение Ме:С) увеличение
площади контактной поверхности Ме–С приво-
дит к увеличению количества центров кристал-
лизации. Характерная особенность заключается в
явном увеличение тангенса угла наклона кривой
по мере увеличения площади контактной по-
верхности. Этот факт однозначно не объясняется.
Вероятнее всего в этом случае действует ряд
факторов. Одна из причин такова: когда центров
кристаллизации мало (нижняя часть кривой), они
беспрепятственно быстро растут и уже на
начальных стадиях процесса сильно уве-
личиваются. В этом случае в зонах их «влияния»
появление новых центров кристаллизации
маловероятно. Поскольку пересыщение над
крупными кристаллами выше, чем над зароды-
шами (кривизна поверхности, уравнение
Томсона), энергетически более вероятно осажде-
ние диффундирующего потока углерода на грани
уже имеющегося кристалла определенного размера. С увеличением площади контактной
поверхности увеличивается количество центров кристаллизации. За такое же (малое) время
средний размер образованных кристаллов намного меньше, зона их влияния резко сужается,
снимаются отмеченные препятствия для образования новых центров кристаллизации и т. д.
Еще одним фактором нелинейного увеличения концентрации центров кристаллизации
при дальнейшем увеличении площади контактной поверхности в системе Ме–С является
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
166
интенсификация процессов растворения и переноса углерода графита в расплаве Ni –Mn. Как
указывалось ранее, регулирование контактной поверхности между реагентами Ме–С связано
с изменением фракции графитового порошка в исходной шихте (гомогенная набивка). Пло-
щадь контактной поверхности увеличивается в результате измельчения графитового порош-
ка, т. е. увеличения кривизны поверхности. На основании формулы Томсона
1крист.
ЖТ1 2ln
RTrc
c
(8)
где c1, с растворимость кристаллов соответственно мелких и крупных; ЖТ поверхност-
ное натяжение на границе раздела кристалл/раствор; крист. плотность кристаллов; r1 - ради-
ус мелкого кристалла, можно предположить существенное повышение скорости растворения
графитовых частиц по мере уменьшения их радиуса вследствие разницы в предельной рас-
творимости мелких и крупных частиц графита. Изменение в кинетике растворения исходно-
го углерода-графита способствует количественному изменению в процессе алмазообразова-
ния. Так, в 6 показано, что при прочих равных условиях близкие по структуре ),,( 002 ca LL
углеграфитовые материалы, существенно различающиеся скоростью растворения в распла-
вах Ni–Mn, также значительно отличаются количеством образуемых центров кристаллизации
алмаза в условиях синтеза. Зависимость имеет линейный характер: выше скорость растворе-
ния – большее количество центров кристаллизации.
Указанный факт объясняется так. При повышении скорости растворения графита в
определенное короткое время (начальная стадия процесса) большее количество углеродной
массы, способной трансформироваться в алмаз, перейдет в расплав металла-катализатора.
Одновременно образуется большое количество близких по размерам конкурентоспособных
зародышей алмаза, имеющих фактически идентичные стартовые условия для дальнейшего
роста и выживания. При низкой скорости растворения графита переход углерода графита в
расплав металла-катализатора и дальнейшее образование центров кристаллизации довольно
продолжительные – в кристаллизационной среде будут находиться алмазные кристаллики,
существенно различающиеся размерами. В таких условиях выживание и рост малых кри-
сталлов или вновь образованных зародышей связаны с рассмотренными энергетическими
трудностями. Приведенные факты и рассуждения объясняют резкое нелинейное увеличение
концентрации центров кристаллизации (N/V) по мере увеличения площади контактной по-
верхности Ме–С (зона C1D на рис. 2).
Смысл введеных терминов «концентрация» (N/V) и «удельная плотность» (N/S) цен-
тров кристаллизации различаются. Так, концентрация центров кристаллизации показывает
количество центров кристаллизации в единице объема, которая кроме прочих факторов зави-
сит от площади контакта реагентов в той же единице объема. Чем больше контактная пло-
щадь, тем больше продуктов реакции (см. рис. 2). Плотность центров кристаллизации N/S
указывает на способность конкретных реагентов (графита, металла) при определенных тер-
модинамических параметрах образовывать N-е количество центров кристаллизации на еди-
ницу площади контакта, поскольку, как известно, алмазообразование наблюдается именно на
разделе фаз графит–металл. В свою очередь, N/S при идентичных р,Т-условиях процесса за-
висит от структуры исходного углерода 7 и природы металла-катализатора 8, т. е. от та-
ких величинах как rCK ,,, жТ (см. (1) и (8)).
Подтверждением выскаазнных рассуждений служат данные, показанные на рис. 3.
Плотность центров кристаллизации не изменяется с увеличением площади контакт-
ной поверхности в единице объема (участок АC1 на рис. 3). Увеличение плотности центров
кристаллизации наблюдается при таком измельчении исходного графитового порошка, когда
размеры графитовых частиц начинают влиять на кинетику процесса растворения ( ), CK по-
следних (участок СID на рис.3).
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
167
Рис. 3. Зависимость плотности центров кристаллизации N/S от площади контактной по-
верхности (S) в единице объема при схеме снаряжения: – послойной; ×– гомогенной
Изменение концентрации образованных в кристаллизационной среде зародышей су-
щественно влияет на условия их дальнейшего роста. При этом изменяется фракционный со-
став синтезированных алмазов. Это подтверждает зависимость концентрации центров кри-
сталлизации от среднего размера получаемых алмазных кристаллов (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость концентрации центров кристаллизации от среднего размера синтези-
рованных алмазных кристаллов при схеме снаряжения: – послойной; × – гомогенной
Большая концентрация центров кристаллизации свидетельствует о малых размерах
кристаллов и наоборот. Зависимость закономерна как для послойной схемы снаряжения (AB
на рис. 4), так и для гомогенной набивки (CD на рис. 4). Анализ кривой показывает, что за-
висимость не имеет линейного характера. При наиболее высоких концентрациях центров
кристаллизации (участок C1D на рис. 3) в результате большой площади контакта между ме-
таллов и графитов, влияние этого обстоятельства на средний размер синтезированных кри-
сталлов нивелируется. Это явление объясняется рядом причин:
Подавляющее большинство центров кристаллизации образуется на начальных стадиях
процесса (1–2 мин). В дальнейшем наблюдаются процессы роста и перекристаллизации об-
разованных кристаллов алмаза. По мере увеличения продолжительности процесса перекри-
сталлизациинаблюдается снижение пересыщения системы за счет большого количества об-
разованных кристаллов (снимают пересыщение), а также в результате снижения p в камере
высокого давления при продолжительности процесса более 10 мин. Следует также отметить
уменьшение площади контактной поверхности реакции Ме–С за счет покрытия алмазами
части графитной поверхности.
Все приведенные обстоятельства способствуют протеканию процесса перекристалли-
зации – растворению одних кристаллов и рост за их счет других. Растворению и перекри-
сталлизации подвержены прежде всего мельчайшие кристаллы, поскольку равновесная кон-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
168
центрация углерода над ними выше, чем над «крупными» алмазами. Наблюдается процесс
укрупнения кристаллов. Эти рассуждения основываются на результатах предыдущих иссле-
дований кинетики процессов зародышеобразования и роста кристаллов. В результате было
установлено, что S-образный ход кривых образования центров кристаллизации и степени
превращения в алмаз характерны для графитовых материалов 7, 9.
Изменения, происходящие в кристаллизационной среде, влияют на процесс формиро-
вания кристаллов. Форма и габитус синтезированных кристаллов содержат информацию об
тех условиях, в которых они росли. Особенно это относится к сравнительно крупным кри-
сталлам, поскольку можно предположить, что они участвовали в этих процессах на протяже-
нии всего опыта. Это подтверждают результаты исследования алмазов, полученных с ис-
пользованием различных геометрических схем расположения исходных реагентов. Далее
определяли процентное содержание по фракциям высококачественных изометричных моно-
кристаллов (К<1,15) с зеркальными гранями без видимых дефектов.
Высокая изометричность формы кристаллов является результатом равномерного их
роста по всем кристаллографическим направлениям. Это наблюдается при создании соответ-
ствующих условий в кристаллизационной среде – равномерной подпитки со всех сторон рас-
тущего кристалла. Данные рис. 5 показывают сле-
дующую закономерность: независимо от схемы
расположения реагентов шихты по мере увеличе-
ния площади контактной поверхности Ме–С мак-
симум кривых по содержанию высококачествен-
ных монокристаллов смещается в сторону мелких
фракций. Это объяснимо с учетом того, что такое
происходит на фоне резкого увеличения количе-
ства центров кристаллизации. При этом уменьша-
ется средний размер кристаллов (рис. 4), что обу-
словлено снижением пересыщений системы за
счет увеличения количества растущих кристаллов.
При этом снижается средняя скорость роста и
увеличивается выход качественных кристаллов по
мере уменьшения их среднего размера. Получен-
ные данные хорошо согласуются с результатами
работы 10.
Кривые 3 и 4 (рис. 5) характеризуют каче-
ство синтезируемых алмазов, когда стартовые
кинетические характеристики процесса очень
близки и площадь контактной поверхности Ме–С
составляет соответственно 730 и 760 мм2/г. При
этом реализуются плотности центров кристалли-
зации 7,5/мм3 и 7,7/ мм3, средний размер получае-
мых кристаллов – соответственно 270 и 280 мкм.
Различие состоит лишь в схеме снаряжения – в
первом случае она послойная (кривая 3 на рис. 5),
а во втором – гомогенная (кривая 4 на рис. 5).
Заметное увеличение выхода качественных монокристаллов в случае послойного рас-
положения по сравнению с гомогенным подтверждают предыдущие рассуждения об опреде-
ляющей роли анизотропии физико-химических характеристик кристаллизационной среды на
кинетику роста алмазного кристалла. Вероятно послойное заведомо симметричное располо-
жение реагентов позволяет легче достичь наиболее благоприятных условий роста кристал-
лов.
Рис.5. Зависимости выхода изомет-
ричных кристаллов по фракциям от
площади контактной поверхности в
реакционной зоне при схеме снаряже-
ния: – послойная (1 – S = 337
мм2/г; 2 – S = 406 мм2/г; 3 – S = 760
мм2/г); – гомогенная (4 – S = 730
мм2/г; 5 – S = 1120 мм2/г; 6 – S =
1380 мм2/г)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
169
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что при прочих равных ус-
ловиях (P, T, ,002 ЖТ , C ) изменение только одного такого параметра, как площадь удель-
ной контактной поверхности ( S ) в системе Ме–С, приводит к существенным изменениям
термодинамических и кинетических условий и, соответственно, меняет интенсивность одно-
временно протекающих процессов, таких как растворение углерода, зародышеобразование и
рост кристаллов алмаза в системе Ni–Mn–C при высоких значениях р и Т в условиях термо-
динамической стабильности алмаза. Изменения термодинамических и кинетических условий
в кристаллизационной среде влияют на процесс формирования кристаллов и отражаются на
их габитусе и морфологии.
Процесс алмазообразования состоит из совокупности отдельных процессов, проте-
кающих одновременно и тесно взаимосвязанных. В этой связи полноценное количественное
описание процесса спонтанной кристаллизации алмаза требует применения сложного мате-
матического аппарата и прежде всего дополнительных термодинамических и кинетических
данных о протекающих в системе Ме–С реакциях в условиях высоких значений р и Т.
Выводы
1. Влияние величины площади контактной поверхности Ме–С на концентрацию обра-
зованных центров кристаллизации носит нелинейный характер. Причиной этого явления яв-
ляется участие фактора геометрии поверхности раздела Ме–С, изменяющего кинетические и
термодинамические величины ( ), CK реакции взаимодействия реагентов.
2. Удельная концентрация центров кристаллизации N/V зависит от площади контакт-
ной поверхности S в объеме V, которая возрастает с увеличением объема и плотности цен-
тров кристаллизации. Плотность центров кристаллизации N/S, в свою очередь, зависит толь-
ко от термодинамических условий процесса, структуры и физико-химических свойств ис-
ходного углерода и металла-катализатора процесса синтеза.
3. При идентичных термодинамических (р–Т) и стартовых кинетических N/V парамет-
рах процесса наиболее симметричное расположение реагентов (Ме–С) позитивно влияет на
формирование изометричных высококачественных кристаллов алмаза.
4. Варьируя схемой расположения реагентов, площадью контактной поверхности и
его геометрией, можно существенно изменять условия кристаллизационной среды и тем са-
мым влиять на технологические параметры процесса синтеза в целом.
Литература
1. Федосеев Д. В., Дерягин Б. В., Варшавская И. Г., Семенова-Тян-Шанская А. С. Кри-
сталлизация алмаза. – М.: Наука, 1984. – 135с.
2. Федосеев Д. В., Семенова-Тян-Шанская А. С., Клюев Ю. А. Массовая кристаллиза-
ция альмаза в области его термодинамической стабильности // ДАН СССР. – 1985 – т.
281, № 5 – с.1192 –1195.
3. Федосеев Д. В., Семенова-Тян-Шанская А. С., Оконов Л. М., Шадиев. А. Ш. Кинети-
ка массовой кристаллизации альмаза // Журнал Физической Химии. – 1986 – т. LХ.,
№10 – с. 2422 – 2424.
4. Елютин В. П., Поляков В. П., Федосеев Д. В., Лоладзе Н. Т. Влияние аморфного угле-
рода на зародышеобразование и рост кристаллов алмаза // ДАН СССР – 1987 – т. 297,
№4 – с. 854 – 857.
5. Marvin D. Horton, Gary H. Peterson // Nucleation and growth of diamond. High tempera-
tures – High Pressures. – 1978 – v. 10, №4 – с. 339 –345.
6. Loladze N., Tserodze M. and Berdzenishvili I. The Influence of the Dissolution Kinetics of
Various forms of Carbon in Ni-Mn Melfs of the Diamond Formation Process. //Georgian
Engineering News. – 2007 – N 2, p. 63 –65.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
170
7. Лоладзе Н. Т. Влияние структуры исходного углеродсодержащего вещества на кине-
тику процесса алмазообразования. Проблемы сварки, металлургии и родственныз
технологии // межд. научно-техническая конференция, Проблемы сварки, метал-
лургии и родственных технологий посв. 80-летию Патона Б.Е., Тбилиси, 15 – 18
декабря 1998, сб.докл. – Тбилиси: Ассоциация сварщиков Грузии,1998 – с. 170 –177.
8. Munson R.A. Surface Energies of Liquid Metal Interfaces with Carbon.//Carbon. –1967 –
v.5 – p.471 –474.
9. Безруков Г. Н., Поляков В. П., Лоладзе Н. Т., Мухаметкулова М. М.. Исследование
кинетикикаталитического превращения графита в алмаз при различных термодинами-
ческих условияхсинтеза //Сверхтвердые материалы. –1982 –№ 2 – с. 7 –10.
10. Кацай М. Я., Невструев Г. Ф., Мясников Е. П. Влияние концентрации углерода в
сплаве на процессе синтеза и свойства алмазов // Сверхтвердые материалы – 1985 – №
2 – с. 3 –7.
Поступила 05.06.09
УДК 621.921:661.65
И. А. Боримский
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА В ПРИСУТСТВИИ
УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ – АЛМАЗА И ГРАФИТА
It is shown, that introduction of carbon materials - diamond and graphite in a reactionary
charge mixture for cBN synthesis reduces the fractional conversion hBN→сBN and influences a
habitus of formed crystals. It is shown, that crystals of diamond with sizes more than 10 microns
are not the crystallization centers at a cBN synthesis.
Введение
Высокотвердые и термостойкие кристаллы кубического нитрида бора (cBN) [1] широ-
ко применяются при изготовлении различных инструментов, используемых при абразивной
и лезвийной обработке широкого класса труднообрабатываемых материалов, таких как зака-
ленные углеродистые, конструкционные и легированные стали, жаропрочные сплавы, высо-
котвердые наплавленные и напыленные покрытия, высокопрочные и износостойкие чугуны
и др. [2].
cBN является синтетическим материалом, который получают из бор- и азотсодержа-
щей реакционной шихты при высоких р,Т-параметрах в области термодинамической ста-
бильности [3; 4].
При синтезе cBN в зависимости от состава применяемой реакционной шихты, р,Т-
параметров, продолжительности синтеза, а также других факторов одновременно получают-
ся кристаллы, различающиеся формой, размерами и физико-механическими свойствами [4].
На характеристики синтезируемых кристаллов cBN существенно влияют дополни-
тельные центры кристаллизации. В качестве последних обычно применяют кристаллы cBN,
которые вводят в реакционную шихту [5; 6].
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21785 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T15:10:14Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лоладзе, Н.Т. Церодзе, М.П. 2011-06-17T12:16:59Z 2011-06-17T12:16:59Z 2009 Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C / Н.Т. Лоладзе, М.П. Церодзе // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 162-170. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21785 666.233 The influence of such factors as the value and geometry of the metal graphite contact surface, the density and concentration of formed crystallization centers on the final result of diamond synthesis is studied. The relation between the value of the Me – C contact surface and the number of crystallization centers is evaluated quantitatively on the basis of experimental data; also, the properties of synthesized diamonds are studied for various schemes of arrangement of reagents in the high pressure chamber. Detailed consideration is given to the physical meaning of such values as the specific concentration of crystallization centers N/V and the specific density of crystallization centers N/S. It is shown that the specific concentration of nuclei depends on the Me-C contact surface value, while their density is determined by the physical and chemical properties of metal and graphite reagents. It is established that by varying the geometry and value of the Me-C contact surface and also by choosing appropriately a scheme of reagents arrangement it is possible to improve essentially the technological parameters of synthesis processes in one and the same P-T conditions. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C Article published earlier |
| spellingShingle | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C Лоладзе, Н.Т. Церодзе, М.П. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C |
| title_full | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C |
| title_fullStr | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C |
| title_full_unstemmed | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C |
| title_short | Некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе Mе–C |
| title_sort | некоторые аспекты массовой кристаллизации алмаза в системе mе–c |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21785 |
| work_keys_str_mv | AT loladzent nekotoryeaspektymassovoikristallizaciialmazavsistememec AT cerodzemp nekotoryeaspektymassovoikristallizaciialmazavsistememec |