Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте

The results of durability study are presented for synthetic type-Ib diamond monocrystal under heat at 1150 ° C in an argon environment. In current stage of the research the applicability of such diamonds in experimental drill bits is ensured due to use of magnetic separation methods.

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Date:2010
Main Authors: Заневский, О.А., Ивахненко, С.А., Ильницкая, Г.Д., Александрова, Л.И., Закора, А.П., Богданов, Р.К.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23421
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. ЗаневскийО.А. Заневский, С.А. Ивахненко, Г.Д. Ильницкая, Л.И. Александрова, А.П. Закора, Р.К. Богданов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 311-315. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859665010422185984
author Заневский, О.А.
Ивахненко, С.А.
Ильницкая, Г.Д.
Александрова, Л.И.
Закора, А.П.
Богданов, Р.К.
author_facet Заневский, О.А.
Ивахненко, С.А.
Ильницкая, Г.Д.
Александрова, Л.И.
Закора, А.П.
Богданов, Р.К.
citation_txt Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. ЗаневскийО.А. Заневский, С.А. Ивахненко, Г.Д. Ильницкая, Л.И. Александрова, А.П. Закора, Р.К. Богданов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 311-315. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description The results of durability study are presented for synthetic type-Ib diamond monocrystal under heat at 1150 ° C in an argon environment. In current stage of the research the applicability of such diamonds in experimental drill bits is ensured due to use of magnetic separation methods.
first_indexed 2025-11-30T10:23:55Z
format Article
fulltext РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 311 является возможность выращивания монокристаллов алмаза на 20 масс. % больше, чем для базового варианта ячейки. 2. Результаты расчетов температурных полей при выращивании монокристаллов ал- маза размером 7–8 мм (максимальной массой 2,5–3,0 карат) показали, что изменение темпе- ратурного градиента в процессе увеличения кристаллов не превышает значений, необходи- мых для получения структурно совершенных образцов. Литература 1. Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента / А. П. Чепугов, В. В. Лысаковский, М. А. Серга и др.//Породоразрушающий и металлообра- батывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр.– К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2009. – Вып. 12. – С. 179– 182. 2. Будяк А. А., Иваненко С. А. О влиянии конфигурации деформируемого уплотнения на тепловое поле в реакционной ячейке при выращивании монокристаллов алмаза ме- тодом температурного градиента // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2006. – Выпуск 9. – С. 155–157. 3. Расчет температурного поля и массопереноса углерода при выращивании монокри- сталлов алмаза в расплаве металлов / С. А. Ивахненко, О. А. Заневский, А. А. Будяк и др.// Рос. хим. журн. – 2006. – Т. L. – № 1. – С. 43–47. 4. Будяк А. А., Ивахненко С. А. К модели массопереноса углерода при выращивании монокристаллов алмаза на затравке //Сверхтвердые матер. – 1990. – № 4. – С. 11–17. 5. Будяк А. А. Расчет теплового поля в реакционной ячейке АВД методом поэтапного моделирования //Сверхтвердые матер. – 1994. – № 3. – С. 13–17. 6. Серга М. А., Шевчук С. Н. Моделирование температурных полей в ячейке для выра- щивания монокристаллов алмаза при стимулированном зародышеобразовании // Сверхтвердые матер. – 2005. – № 6. – С. 71–77. Поступила 07.07.10 УДК 622.23.051.7 О. А. Заневский, канд. хим. наук; С. А. Ивахненко, д-р техн. наук; Г. Д. Ильницкая, Л. И. Александрова, А. П. Закора, Р. К. Богданов, кандидаты технических наук Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА ТИПА Ib РАЗМЕРОМ 1–2 ММ В БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ The results of durability study are presented for synthetic type-Ib diamond monocrystal un- der heat at 1150 ° C in an argon environment. In current stage of the research the applicability of such diamonds in experimental drill bits is ensured due to use of magnetic separation methods. Развитие методов выращивания монокристаллов алмаза позволяет значительно рас- ширить области их применения. Одной из сторон практического применения таких монокри- сталлов является их использование для производства породоразрушающего инструмента, в Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 312 частности коронок. Исходя из требований, предъявляемых к алмазному буровому инстру- менту, основными характеристиками зерен алмазов являются прочность и термостойкость. При изготовлении буровых коронок алмазы должны сохранять высокую статическую проч- ность после отжига в газовых средах с высоким парциальным давлением кислорода, что по- зволит им выдерживать большие нагрузки в процессе работы. В настоящей работе приведены результаты испытаний на прочность при сжатии мо- нокристаллов, выращенных методом температурного градиента при стимулированном заро- дышеобразовании в ростовом объеме. Выращивание алмазов производили в аппарате высо- кого давления (АВД) типа «тороид» ТС 40 с объемом реакционной ячейки около 6 см3 при использовании сплава-растворителя Fe–Ni–Co. Источником углерода являлся специальный синтетический графит. Скорость роста при выращивании монокристаллов алмаза можно изменять в широких пределах путем варьирования осевых и радиальных градиентов температуры. В настоящее вре- мя существует много методов задания начальных значений этих градиентов путем изменения конфигурации резистивных элементов ростовой ячейки. Хотя экспериментально определять эти параметры довольно сложно, расчеты с помощью компьютерного моделирования температур- ных полей позволяют легко и быстро определять влияние таких факторов, как теплопровод- ность, электропроводность, размеры электропроводящих и теплоизолирующих деталей на осе- вые и радиальные температурные градиенты и их соотношение [1]. С помощью таких расчетов можно задавать значения величин температурного перепада в ростовом объеме в целях получе- ния максимального значения переноса углерода. Обычно качественные монокристаллы получают при максимальной скорости роста 5 мг/ч [2]. В практике выращивания монокристаллов алмаза на затравке в области термодина- мической стабильности используют скорость роста в 1,5–2 раза ниже, чем для ростовых сис- тем на основе железа и никеля, и в 3–5 раз ниже при использовании растворителей с приме- нением геттеров азота. Однако для спонтанной кристаллизации алмаза, а также для случая, когда она стимулируется путем создания в реакционном объеме областей локального пере- сыщения растворителя углеродом, удается достичь скорости роста в несколько раз выше, чем при использовании затравочных кристаллов – до 20 мг/ч. При такой массовой скорости роста продолжительность выращивания кристаллов массой до 0,08–0,1 карата составляет около 1 ч, в следствие чего процесс их получения становится экономически целесообразным. Изменять скорость роста можно путем подбора свойств растворителя по максимальной рас- творимости и характеристикам переноса углерода в нем. Таким образом, среднюю скорость роста, необходимую для получения структурно совершенных кристаллов, можно задавать, варьируя состав используемого сплава-растворителя. Плотность стимулированного зародышеобразования в проводимых экспериментах за- давали исходя из следующих соображений. Объем, который занимает монокристалл алмаза размером около 2 мм, не должен превышать объема сферы, в которую он может геометриче- ски вписаться, т. е. Vсф = 4/3πRmax 3, где Vсф – объем сферы, в которую может вписаться моно- кристалл алмаза максимального размера 2 мм. В этом случае радиус сферы Rmax = 1 мм, объем Vсф 4 мм3. Если считать, что полученные в течение одного цикла выращивания монокристал- лы алмаза размером 2 мм должны занимать около 1/20 части реакционного объема V (V  6 см3 для используемого АВД типа «тороид»), плотность зародышеобразования должна составлять ρ  Vсф .20/ V = 1,3.10-2 см-3. При этом расчетное количество центров нуклеации и выросших на них кристаллов составит 75. Исходя из такого тривиального расчета оптимизировали размеры и характеристики ячеек для выращивания монокристаллов алмаза (максимальный размер – до 2 мм). Во время экспериментов по выращиванию таких кристаллов в течение одного цикла по- лучали образцы массой 0,05–0,08 карата (рис. 1). РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 313 а б Рис. 1. Общий вид образцов монокристаллов алмаза, полученных при использовании метода стимулированного зародышеобразования, в растворителе Fe-–Ni-–Co: а – массой 0,05–0,06 карата, средний размер кристалла – 1,5 мм, количество кристаллов на 1 карат – 18; б – массой 0,07 – 0,08 карата, средний размер кристалла – 1,8 мм, количество кристаллов на 1 карат – 13–14 (одно деление измерительной линейки соответствует 1 мм) Выращенные кристаллы (рис. 1) имеют кубооктаэдрический и октаэдрический габи- тус с преимущественным развитием граней октаэдра; площадное развитие этих граней со- ставляет 75–97 %. Кристаллы относятся к типу Ib согласно физической классификации [3], довольно совершенны и не имеют при рассмотрении под микроскопом при увеличении х56 видимых включений. Такие кристаллы, по нашему мнению, перспективны для изготовления однокристального инструмента. Как отмечалось, для использования в породоразрушающем инструменте большое значение имеет термостойкость кристаллов – сохранение прочности после термической обработки. В ис- следовании определяли термостойкость образцов после нагревания при температуре Т = 1150 оС в течение 15 мин в токе аргона (технология изготовления буровых коронок). Термостойкость монокристаллов алмаза изучали для образцов весовой группы 0,07– 0,08 карата – двух исходных и двух после термической обработки (образцы соответственно 1, 2 и 3, 4 в таблице), а также для образцов весовой группы 0,05–0,06 карата – трех исходных и трех после термической обработки (образцы соответственно 5, 6, 7 и 8, 9, 10 в таблице). Влияние термической обработки кристаллов алмаза в токе аргона при Т = 1150 оС в течение 15 мин (весовые группы 0,07–0,08 и 0,05–0,06 карата) на потерю массы, магни- тную восприимчивость и разрушающую нагрузку № об- раз- ца Весо- вая груп- па, карат Масса кристаллов, карат Потеря массы, % Удельная магнит- ная восприимчи- вость, χ .10-8, м3/кг Разрушающая на- грузка Р, Н исход- ная после тер- мической обработки исход- ная после тер- мической обработки исход- ная после тер- мической обработки 1 0,07 – 0,08 0,079 - - - - 2150 - 2 0,073 - - - - 3300 - 3 0,076 0,058 24,9 33,6 23,4 - 5650 4 0,079 0,054 28,9 36,1 3,2 - 1600 5 0,05 – 0,06 0,053 - - - - 3400 - 6 0,053 - - - - 6450 - 7 0,055 - - - - 5400 - 8 0,057 0,049 13,8 17,3 8,6 - 1750 9 0,058 0,051 11,4 8,7 6,5 - 1400 10 0,054 0,050 7,1 43,1 5,2 - 1200 До термической обработки кристаллы обеих весовых групп имеют ограненную форму с зеркальными октаэдрическими гранями (рис. 2). Термическая обработка образцов из раз- Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 314 ных весовых групп (№№ 3, 4 и 8, 9, 10, табл.) приводит к деградации поверхности кристал- лов и потере массы, которая происходит, по-видимому, из-за наличия в газовой среде возду- ха или кислорода; хотя количество этих компонентов газовой смеси незначительное, однако, они, как следует из наших экспериментов, оказывают достаточно существенное влияние на термоокисление алмаза при температуре 1150 оС. Рис. 2. Общий вид монокристаллов алмаза весовых групп 0,07–0,08 и 0,05–0,06 карата до термической обработки (а) и после термической обработки в токе аргона при Т = 1150 оС в течение 15 мин (б) Как видим, значительно большая потеря массы в процентном отношении (в 2 и более раз) у кристаллов весовой группы 0,07–0,08 карата по сравнению с кристаллами весовой группы 0,05–0,06 карата, что обусловлено большей площадью поверхности образцов, имею- щих большую массу. Далее определяли разрушающую нагрузку на монокристаллы в исходном состоянии и после термической обработки. Разрушающую нагрузку и предельную прочность на сжатие кри- сталлов алмаза определяли на испытательной машине FP-10 с максимальным усилием нагруже- ния 10 кН; для сжатия образцы кристаллов помещали между алмазно-твердосплавными пласти- нами так, чтобы грани кристаллов контактировали с алмазной поверхностью пластин. Получен- ные результаты испытаний монокристаллов в исходном состоянии и после термической обра- ботки приведены в таблице. В исходном состоянии (без термической обработки) разрушающая нагрузка на кристаллы небольшого размера (весовая группа – 0,05–0,06 карата) выше, чем на кристаллы большего размера (весовая группа – 0,07–0,08 карата). Результаты наблюдения за процессом разрушения кристаллов и исследования частиц разрушенных алмазов показывают, что кристаллы весовой группы 0,07–0,08 карата разрушаются с образованием блоков размером около 0,5 мм, плоские поверхности которых являются гранями октаэдра, в то время как кристал- лы весовой группы 0,05–0,06 карата разрушаются с образованием изометричных мелкодисперс- ных частичек размером около 0.05 мм. По нашему мнению, различие размеров разрушенных частиц кристаллов различных весовых групп обусловлено различным характером разрушения, который следует изучить глубже. Термическая обработка кристаллов весовой группы 0,05–0,06 карата приводит к сниже- нию предела их прочности на сжатие примерно в 3 раза, в то время как для кристаллов весовой группы 0,07–0,08 карата в одном случае снижение составляет 50–70 %, в другом предел прочно- сти повышается. Такое различное влияние термообработки на прочностные характеристики кри- сталлов обусловлено неоднородностью свойств кристаллов вследствие неоднородного распре- деления микровключений растворителя в их объеме. В результате экспериментов по определе- нию удельной магнитной восприимчивости кристаллов двух различных весовых групп выявили ее значительную неоднородность как у исходных алмазных кристаллов (образцы 8–10 в табли- це), так и у алмазов после термической обработки (образцы 3 и 4 в таблице). РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 315 Выводы 1. Полученные результаты позволяют заключить, что термопрочность кристаллов по- сле обработки при температуре 1150 оС в среде аргона может снижаться до 30–70 %, а в от- дельных случаях повышаться. Причина такого влияния термической обработки на предел прочности монокристаллов алмаза состоит в неоднородном распределении микровключений в кристаллах, что связано с условиями их получения. 2. Для оптимизации термопрочности монокристаллов алмаза следует сортировать кристаллы различными методами магнитной сепарации и отбора кристаллов в выбранном диапазоне удельной магнитной восприимчивости с последующим испытанием партий кри- сталлов с отобранными значениями прочностных и магнитных характеристик в породораз- рушающем инструменте. Литература 1. The influence of temperature gradients on the kinetics of seed growing of diamond single crystals / S. A. Ivakhnenko, S. A. Terentiev, I. S. Belousov, O. A. Zanevsky // Proc. J. XV AIRAPT & XXXIII EHPRG: Intern. сonf. “High Pressure Science & Technology”. – War- saw, Poland, 1995. – P. 210. 2. Large synthetic diamonds/ R. Burns, S. Kessler, M. Sibanda, C. Welbourn et al. // The 8th NI- RIM Intern. Sympos. on Advanc. Mater. (ISAM 2001). – Tsukuba, Japan, 2001. – P. 105–111. 3. Физические свойства алмаза: Справочник/Под ред. Н. В. Новикова – К.: Наук. думка, 1987. – 188 с. Поступила 19.07.10 УДК 621.921.343 Г. П. Богатырева1, д-р. техн. наук; В. Ю. Долматов2, канд. хим. наук; М. В. Веретенникова2 1 Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев 2ФГУП «СКТБ «Технолог», г. Санкт-Петербург, Россия СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ In the work classical for diamonds analysis results used for detonation nanodiamonds (DND) are presented. It is shown that for just identification the development of additional analysis methods is necessary. The present analytical methods are under-informative. DND obtained at detonation of a TNT-RDX (40/60) charge in aqueous solution of urea is demonstrated to have the best quality among the investigated samples. В настоящее время стабильно действующих производств детонационных наноалмазов (ДНА) в России, Украине и Беларуси не существует. Запасы ДНА, кроме низкокачественных в НПО «Алтай» (г. Бийск, Россия), практически исчерпаны. В то же время наращивается производство ДНА в Китае, строятся производства в Японии (фирма «Nippon Kayaku Co., Ltd.»), США (фирма «Nanoblox, Ltd.»), Иране (государственные инвестиции), Турции (част- ные инвестиции), Финляндии (фирма «Carbodeon Ltd., OY»). Потенциальные потребности рынка ДНА огромны, но его развитие сдерживается от- сутствием высококачественных ДНА необходимого первоначального объема (около 10 т), что обеспечило бы главное – ритмичность поставок потребителям.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23421
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn XXXX-0065
language Russian
last_indexed 2025-11-30T10:23:55Z
publishDate 2010
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
record_format dspace
spelling Заневский, О.А.
Ивахненко, С.А.
Ильницкая, Г.Д.
Александрова, Л.И.
Закора, А.П.
Богданов, Р.К.
2011-07-04T14:27:39Z
2011-07-04T14:27:39Z
2010
Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. ЗаневскийО.А. Заневский, С.А. Ивахненко, Г.Д. Ильницкая, Л.И. Александрова, А.П. Закора, Р.К. Богданов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 311-315. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
XXXX-0065
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23421
622.23.051.7
The results of durability study are presented for synthetic type-Ib diamond monocrystal under heat at 1150 ° C in an argon environment. In current stage of the research the applicability of such diamonds in experimental drill bits is ensured due to use of magnetic separation methods.
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
Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
Article
published earlier
spellingShingle Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
Заневский, О.А.
Ивахненко, С.А.
Ильницкая, Г.Д.
Александрова, Л.И.
Закора, А.П.
Богданов, Р.К.
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора
title Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
title_full Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
title_fullStr Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
title_full_unstemmed Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
title_short Возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа Ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
title_sort возможность применения синтетических монокристаллов алмаза типа ib размером 1–2 мм в буровом инструменте
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/123456789/23421
work_keys_str_mv AT zanevskiioa vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente
AT ivahnenkosa vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente
AT ilʹnickaâgd vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente
AT aleksandrovali vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente
AT zakoraap vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente
AT bogdanovrk vozmožnostʹprimeneniâsintetičeskihmonokristallovalmazatipaibrazmerom12mmvburovominstrumente