КОЙ деформации. В то время как вторая, промежуточная, стадия характеризуется линейно-вязким течением, которое обеспечивается наличием вязко-жидкой структуры на перемещающейся по объему деформируемого металла границе аД-перехода, которая играет принципиальную роль в механизмах деформации и аккомодации. Поэтому показатель скоростного упрочнения т существенно зависит от скорости фазового превращения (см. рис. 5.37). При этом максимальное значение показателя т зависит от скорости деформации. Из этого следует, что повыщение скорости фазового превращения может способствовать увеличению показателя т при более высоких скоростях деформации.

СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

6.1. Современный уровень исследований И производства сверхтвердых материалов

6.2. Синтез высокопрочных поликристаллов из графита с использованием

сложнолегированных катализаторов

6.3. Высокопрочные алмазные поликристаллы для изготовления инструмента

6.4. Выращивание крупных монокристаллов алмаза

6.1. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОИЗВОДСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся четыре вещества: кубический алмаз; гексагональный алмаз или лонсдейлит; кубическая и вюрцитоподобная модификации нитрида бора. По объему научных исследований и использования в технике алмаз значительно опережает другие СТМ.

С глубокой древности алмаз известен как один из самых красивых и дорогих минералов. Большие значения твердости и оптические свойства ставят его вне конкуренции в ряду других ювелирных камней. Однако ценность алмаза как технического материала несравнимо выше. Широкое распространение в промышленности алмаз получил прежде всего из-за своей твердости. Это обусловило его применение в буровой технике, в камнеобработке, при обработке высокотвердых материалов в лезвийном и абразивном инструментах. Несмотря на высокую эффективность, инструмент из природных алмазов оставался весьма дорогостоящим и уникальным. Назрела необходимость решения проблемы синтеза этого минерала. В 50-х годах XX в. стратегическая задача получения искусственного алмаза была решена сначала в Швеции и США, а затем в СССР.

Производство сверхтвердых материалов является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности в мире. Современный технический уровень индустриально-развитых стран по крайней мере на четверть определяется объемом и структурой потребления технических алмазов и других сверхтвердых материалов, а также абразивного, режущего и других видов инструментов на их основе. Это объясняется тем, что алмазы обладают уникальными прочностными и физическими свойствами и не имеют альтернативы для таких отраслей промышленности, как машиностроение, стройиндустрия, приборостроение, электроника, горнодобывающая и геологоразведочная.

Динамика развития отрасли весьма впечатляет. В 1990 г. мировое потребление синтетических алмазов (без учета социалистических стран) составило 215 млн карат. При среднегодовом увеличении потребления на 5...6 % в 2000 г. использование алмазов составило 320...390 млн карат.

Основным потребителем и крупным производителем синтетических алмазов являются США (производство в 1990 г. -ПО млн карат, в 2000г. -150 млн карат).

В качестве примера можно привести структуру потребления технических алмазов и алмазного материала в промышленности США, представленную ниже, %:

Машиностроение......................................................................35

Буровой инструмент................................................................18

Камнеобработка, стройиндустрия..........................................27

Производство абразивов.........................................................15

Прочие........................................................................................5

Алмазный материал: низкопрочные порошки для шлифовального инструмента на органических и гальванических

связках.............................................................................. 15... 20

среднепрочные порошки для инструмента на

металлических связках...................................................30...35

высокопрочные и термостойкие порошки для инструмента на металлических связках........................45..50

В настоящее время одним из крупнейших производителей и потребителей синтетических алмазов становится Китай. По оценкам экспертов, в 1995 г. в Китае произведено -200 млн карат синтетических сверхтвердых материалов, в 2000 г. - -300 млн карат.

Анализ хозяйственной деятельности ведущих производителей и потребителей технических алмазов (природных и синтетических) свидетельствует об опережающем росте производства и потребления технических алмазов, по сравнению с динамикой развития промышленности в целом. Это объясняется, в частности, тем, что все больше расширяются области их применения.

Предприятия алмазной промышленности в стране в 1990 г. синтезировали около 245 млн карат алмазных порошков и выпустили алмазный инструмент, содержащий более 215 млн карат алмаза, в том числе около 16 млн карат природных алмазов. Более 45 млн карат синтетических порошков было продано на экспорт, использовано в свободном состоянии и для изготовления специальных инструментов на предприятиях- потребителях.

В настоящее время производство алмазных порошков в России не является сбалансированным. Основную долю (до 95 %) составляют высокоабразивные низкопрочные порошки марок АС2 - АС6, которые в основном используются для изготовления абразивного инструмента на органических связках, В то же время Россия закупает большое количество высокопрочных алмазных порошков и инструмента на их основе для камнеобработки.

Результаты международного разделения труда показывают, что отечественные камеры типа наковальня с лункой наиболее эффективны в

мире при производстве высокоабразивных шлифпорошков марок от АС2 до АС20. Ведущие мировые производители алмазов практически полностью уступили этот сектор рынка предприятиям СНГ. Экспортный потенциал этого сектора (включая микропорощки) оценивается примерно в 50 млн карат в год. В настоящее время основными экспортерами таких порощков являются предприятия Украины и России. Внутренние потребности России по этой группе порощков могут быть оценены в 60...80 млн карат. Задача российских производителей - не потерять этот сектор мирового рынка и потеснить на нем конкурентов из СНГ.

Сегодня ведущими производителями синтетических алмазов в мире являются фирмы: Дженерал Электрик (США); Де Бирс (международная компания); Сумитомо (Япония); Дю Понт (США); предприятия России и Украины; предприятия Китая и Южной Кореи. При этом первые два производителя фактически определяют рынок и диктуют цены.

По выпускаемой номенклатуре промышленные синтетические алмазы можно разделить на следующие группы: режущие алмазы типа SDA (классификация Де Бирс ) для производства камнеобрабатывающего инструмента; щдифпорощки типа металбонд (АС32 - АС80); шлиф-порошки типа резинбонд (АС2 - АС20); микро- и субмикропорошки; поликристаллы и композиты, в том числе двухслойные алмаз - твердый сплав ; крупные монокристаллы алмазов (до 10 карат); моно- и поликристаллические алмазные и алмазоподобные пленки.

В последние годы приоритетное направление получают исследования, направленные на использование оптических свойств синтетического алмаза уникальной теплопроводности и, в особенности, полупроводниковых свойств легированных алмазов. По своей значимости и эффективности переход от кремниевой и германиевой полупроводниковой техники к алмазной сравним с переходом от ламповой электроники к полупроводниковой.

Необходимо отметить, что уровень отечественных разработок в области синтеза алмазных материалов достаточно высок, и по ряду проблем российские ученые сохраняют приоритет. Из результатов, полученных в области синтеза алмазов за последние 5 лет, можно вьщелить следующие:

- выращивание монокристаллических алмазов весом до 10 карат в установке Барс и разработка методов их дозированного легирования с целью получения полупроводниковых свойств;

- получение материала на основе фулеренов С60 с твердостью выше природных алмазов;

- новый высокоизносостойкий алмазный материал для формообразующих сопел;

- получение диэлектрических моно- и поликристаллических алмазов с высокой теплопроводностью (в том числе безазотных, моноизотопных);

- получение поликристаллических алмазов и алмазных пластин, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства в области металлообработки и струеформирующего инструмента;

- создание специальных технологий получения шихтовых компонентов для синтеза алмаза, обеспечивающих заданный уровень качества алмазных материалов.

6.2. СИНТЕЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ ИЗ ГРАФИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Поликристаллические материалы на основе алмаза по физико-механическим свойствам существенно отличаются от монокристаллов. Для них характерна изотропия свойств, высокая износостойкость, поликристаллы значительно превосходят монокристаллы по трещиностойкости (ударной вязкости).

В соответствии с принятой в настоящее время классификацией поли-кристаллические СТМ (ПСТМ) на основе алмаза делятся на 4 группы. 1-я группа - СТМ, получаемые при высоких давлениях и температурах путем превращения графита в алмаз, в присутствии специально вводимых металлов или сплавов-катализаторов. К этой группе относятся поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК). Синтетические балласы и карбонадо имеют природные поликристаллические аналоги. 2-ая фуппа - ПСТМ, получаемые путем спекания алмазных порошков в условиях высоких статических давлений и температур. При реализации этого метода получают поликристаллы с повышенной термостойкостью. Однако этот метод требует для своей реализации значительно более высоких давлений. 3-ая фуппа - ПСТМ, получаемые при высоких статических давлениях и температурах на подложке или в обойме из твердого сплава или стали. 4-ая фуппа - ПСТМ, получаемые методом спекания алмазных порощков при более низких давлениях (до 1,9 ГПа) в присутствии связующего материала.

Данный этап работы посвящен совершенствованию методов получения поликристаллов типа АСПК (поликристаллических алмазов, получаемых синтезом из углеродсодержащих материалов в присутствии ком-