Сверхтвердые материалы : процессы получения и свойства сверхтвердых материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2413 

Кафедра функциональных наносистем  
и высокотемпературных материалов 

 
 
 

Сверхтвердые материалы

Процессы получения и свойства  
сверхтвердых материалов 

Практикум 

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области материаловедения, 
технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки бакалавров и магистров 150100 
«Материаловедение и технологии материалов» и специальности 
150701 «Физико-химия процессов и материалов» 

Москва  2014 

УДК 66.09 
 
С24 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р хим. наук А.Г. Ракоч; 
канд. хим. наук Л.Г. Севастьянова (МГУ) 

Авторы: Н.И. Полушин, А.И. Лаптев, М.Н. Сорокин,  
      М.С. Овчинникова, А.Л. Маслов 

               Сверхтвердые материалы : процессы получения и свойства 
С24 сверхтвердых материалов : практикум / Н.И. Полушин [и др.]. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 54 с. 
ISBN 978-5-87623-794-1 

В практикум включены темы, связанные с технологией получения сверхтвердых материалов на основе алмаза и плотных форм нитрида бора, а также 
композиционных покрытий. Рассмотрено влияние различных факторов, таких 
как температура, давление, время, состав, структура исходных реагентов и других на качество и физико-химические свойства получаемых материалов. Обучающиеся изучают основы работы на оборудовании для синтеза сверхтвердых 
материалов, особенности получения композиционного покрытия с наночастицами алмаза и методику исследования их прочностных характеристик.  
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности 
150701 «Физико-химия процессов и материалов», по направлению 150100 
«Материаловедение и технологии материалов» бакалавров и магистров, 
а также для студентов других направлений, преподавателей, аспирантов 
и слушателей курсов повышения квалификации. 

УДК 66.09 

ISBN 978-5-87623-794-1 
© Коллектив авторов, 
2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Синтез алмазных  порошков по режиму АС4....................................4 
2. Синтез алмазных  поликристаллов карбонадо...................................9 
3. Спекание алмазных поликристаллов  из микропорошков  
алмаза.......................................................................................................13 
4. Спекание алмазных поликристаллов  с активирующими  
добавками................................................................................................18 
5. Получение алмазного поликристаллического материала 
инфильтрацией........................................................................................20 
6. Синтез поликристаллов кубического нитрида бора  
«Эльбор-Р» ..............................................................................................23 
7. Синтез поликристаллов  на основе плотных модификаций  
нитрида бора «Гексанит-Р» ...................................................................26 
8. Смачивание углеродных материалов металлами и сплавами ........28 
8.1. Особенности адгезионного взаимодействия расплавов 
металлов с углеродными материалами.............................................28 
8.2. Термодинамика явлений смачивания ........................................30 
8.3. Связь работы адгезии с механической прочностью  
контакта связка–УМ...........................................................................31 
8.4. Проведение эксперимента по смачиванию ...............................31 
9. Получение композиционных электрохимических покрытий.........34 
9.1. Дисперсное упрочнение..............................................................34 
9.2. Механизмы упрочнения  металлов дисперсными  
частицами ............................................................................................36 
9.3. Дисперсное упрочнение  гальванических покрытий ...............39 
9.4. Технология получения  композиционных  
электрохимических  покрытий с наночастицами алмазов ...............42 
10. Измерение микротвердости композиционных  
электрохимических  покрытий..............................................................44 
10.1. Твердость....................................................................................44 
10.2. Метод измерения твердости  вдавливанием шарика  
(по Бринеллю).....................................................................................47 
10.3. Метод измерения твердости вдавливанием алмазной 
пирамидки (по Виккерсу) ..................................................................50 
Библиографический список...................................................................53 
 

1. СИНТЕЗ АЛМАЗНЫХ  
ПОРОШКОВ ПО РЕЖИМУ АС4 

Промышленность выпускает порошки синтетических алмазов 
широкой гаммы марок (по ГОСТ 9206–80) [1], отличающиеся главным образом по показателю прочности и размеру зерна. Наряду 
с этим постоянно ведутся работы по созданию эффективных технологических процессов, обеспечивающих получение новых марок порошков алмаза с улучшенными свойствами (например, термостойких, с повышенной абразивной способностью и др.). В связи с этим 
большое значение имеет выявление и изучение различных факторов, 
влияющих на процесс получения порошков синтетических алмазов. 
Одним из важных факторов является величина контактной поверхности графита и металла-растворителя (металла-катализатора). 
Эта величина зависит от размеров частиц графита и металла, их формы, удельной поверхности, а также от соотношения по массе или по 
объему графита и металла в шихте. В общем случае при увеличении 
контактной поверхности возрастает степень превращения графита 
в алмаз ( Г
А
→
), но увеличивается дисперсность порошка алмаза 
(уменьшается средний размер зерна), причем: 

 
 
1/
m
S
≈
  и  
S
α ≈
,  
(1.1) 

где m – средняя масса частиц полученного алмазного порошка; S – контактная поверхность; α – степень превращения графита в алмаз. 

Другим важным фактором процесса перехода Г
А
→
 является содержание растворенного углерода в исходном сплаве-катализаторе. При 
содержании углерода в сплаве более 1 % масс. доли существенно увеличивается число центров кристаллизации алмаза, что ведет к уменьшению среднего размера частиц получаемого алмазного порошка. 
Существенное влияние на свойства получаемого алмазного порошка оказывают термодинамические параметры процесса синтеза – 
давление, температура. По мере увеличения давления увеличивается 
число центров кристаллизации, возрастает скорость роста кристаллов. Зависимости числа центров кристаллизации и скорости роста 
кристаллов от температуры имеют вид кривых с максимумом [2]. 
Кроме того, давление и температура процесса существенным образом определяют габитус кристаллов алмаза: по мере отклонения P, Тпараметров синтеза от равновесных в область стабильности алмаза 
октаэдрическая форма кристаллов сменяется кубооктаэдрической 
и кубической. 

Важным технологическим фактором, влияющим на свойства получаемых алмазных порошков, является используемый способ снаряжения реакционного объема контейнера, который определяет контактную поверхность графита и металла-катализатора, распределение давлений и температур в реакционном объеме. 
Учитывая, что в применяемых в настоящее время камерах высокого давления (КВД) практически всегда существуют градиенты по 
температуре (от 3 до 100 К/мм) и давлению, получаемые порошки 
синтетических алмазов всегда отличаются многообразием размеров, 
форм, физико-механических и других свойств отдельных зерен. 
Для характеристики дисперсного состава получаемых алмазных 
порошков используют распределение размеров частиц (гранулометрический состав), который обычно представляют в виде таблицы, 
графика или гистограммы f(di) – di, где f(di) – относительные частоты, 
или относительные количества частиц с размерами di. Размеры di определяются размерами ячеек используемых сит, f(di) – массой получаемых фракций. В данном случае под di подразумевается среднее 
арифметическое di = (D+ + D–) / 2, где D+, D– – размеры ячеек сит, сквозь 
которые соответственно прошли частицы порошка и на которых задержались. 
Для того чтобы определить примерное количество частиц алмазного порошка во фракции D+/D–, необходимо разделить массу фракции (Mi) на среднюю массу одной частицы, которая рассчитывается 
по формуле 

  
3
i
m
Kd
−
= ρ
,  
(1.2)  

где ρ – плотность алмаза (3,53 г/см3); K – коэффициент заполнения 
объема, зависящий от формы частицы.  

Например, для куба объем V = d3, K = 1; для шара V = πd3/6, 
K = π/6 = 0,526; для цилиндра высотой, равной диаметру, V = πd3/4, 
K = 0,785; для правильного октаэдра V = 0,4714di
3, K = 0,4714. Следует отметить, что алмазные порошки таких марок, как АС2–АС6, имеют обычно 
зерна неправильной формы. Для многих партий алмазных порошков этих 
марок экспериментально было обнаружено, что величина K колеблется 
от 0,161 до 0,228. Таким образом, при расчете массы частиц алмазов неправильной формы (а также агрегатов частиц, сростков) можно с достаточной 
точностью принять значение K = 0,2. 
Общее количество частиц алмаза в i-й фракции D+/D–, будет равно 

3
3
3
3
1
...

l
i
i
i
i
i
j
i
i
i
i
j

M
M
M
M
N
K
Kd
Kd
Kd
d
=

γ
γ
γ
γ
⎛
⎞
=
+
+
+
=
⎜
⎟
ρ
ρ
ρ
ρ
⎝
⎠
∑
, 
(1.3) 

где γ – доля кристаллов соответствующего морфологического типа – 
кубических, октаэдрических, кубооктаэдрических, неправильной 
формы, сростков и агрегатов; l – количество морфологических 
типов в i-й фракции. 

Общее количество частиц алмаза по всем фракциям данной партии алмазного порошка будет равно

3
1
1

1
n
l
i

i
j
j
i

M
N
K
d
=
=

γ
⎛
⎞
=
⎜
⎟
ρ
⎝
⎠
∑∑
,  
(1.4) 

 где n – количество фракций в партии порошка. 

Следует отметить, что более точное значение среднего диаметра 
частиц дает формула 

 
 
(
)(
)

13
2
2
1
.
4
id
D
D
D
D
+
−
+
−

⎡
⎤
=
+
+
⎢
⎥
⎣
⎦
 
 (1.5) 

В соответствии с ГОСТ 9206–80 алмазные порошки характеризуются также коэффициентом формы (не путать с K). 3а коэффициент 
формы алмазного зерна принимают отношение длины проекции зерна к ширине проекции, а за коэффициент формы зерен алмазного 
шлифпорошка – среднее арифметическое значение коэффициентов 
формы не менее 50 зерен данного порошка. Изометричным считают 
зерно, коэффициент формы которого не превышает 1,3. 
По морфологии кристаллы подразделяются на совершенные, обломки, сростки, агрегаты. Совершенные кристаллы алмаза – это целые, прозрачные, полногранные алмазы с гладкими блестящими гранями, с отдельными точечными и нитевидными включениями в объеме. Допускаются незначительные механические повреждения, сколы 
одной или двух вершин, одного или двух ребер, составляющие 
не более 1/3 радиуса кристалла. Обломки кристалла – это часть кристалла, составляющая менее 2/3 его исходного объема. Сростки – 
это зерна, состоящие из двух-трех плотно сросшихся кристаллов. Агрегаты – это зерна, состоящие более чем из четырех кристаллов алмаза. Для характеристики морфологии алмазного порошка определяют 
долю зерен каждой формы.