научная статья по теме НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ СИНТЕЗА КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА ДЛЯ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (ЧАСТЬ 2) Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ СИНТЕЗА КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА ДЛЯ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (ЧАСТЬ 2)»

ЮВЕНИЛЬНЫЙ ВОДОРОД

JUVENILE HYDROGEN

Статья поступила в редакцию 22.05.14. Ред. рег. № 2018

The article has entered in publishing office 22.05.14. Ed. reg. No. 2018

УДК 546.26; 621.921

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ СИНТЕЗА КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА ДЛЯ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

(ЧАСТЬ 2)

С.В. Дигонский

ОАО "ВНИИАЛМАЗ" 107996, Москва, ул. Гиляровского, 65 Тел.: (495) 681-59-07, e-mail: digonsky@rambler.ru

Заключение совета рецензентов 29.05.14 Заключение совета экспертов 07.06.14 Принято к публикации 11.06.14

Приведены материалы, показывающие историю создания лезвийного инструмента на основе кубического нитрида бора, а также современное состояние производства отечественных режущих сверхтвердых материалов. Рассмотрены параметры превращения гексагонального нитрида бора в кубическую форму и показано, что главную роль в этом процессе играют газофазные транспортные реакции с участием водорода. Отмечено сходство между процессами газофазного синтеза графита и гексагонального нитрида бора, а также получения алмаза и кубического нитрида бора, хотя синтез алмаза уже осуществляется и прямо из метана, и косвенным путем - из графита. Показано, что для кубического нитрида бора существует аналогичная схема и если до настоящего времени реализован лишь косвенный процесс синтеза кубической структуры из гексагональной модификации в устройстве высокого давления, это не означает, что алмазоподобный нитрид бора нельзя получить непосредственно из газообразных соединений бора и азота. Представлены положительные результаты исследований по синтезу кубического нитрида бора в условиях, вообще исключающих всякое давление на исходную шихту из гексагонального нитрида бора и металла-катализатора. Описаны предполагаемые условия газофазного синтеза кубического нитрида бора из соединений бора и азота при нормальном давлении и приведено описание установки для реализации процесса. Для газофазного синтеза кубического нитрида бора без применения сверхвысоких давлений требуется создать условия СВЧ-нагрева, аналогичные таковым для синтеза алмаза из метана, то есть повысить подводимую удельную мощность, а также опытным путем установить оптимальную концентрацию исходных для получения КНБ газообразных веществ, содержащих бор и азот.

Ключевые слова: графит, алмаз, кубический нитрид бора, газофазный синтез, устройство высокого давления.

HISTORY REVIEW ON CUBIC BORON NITRIDE, INTENDED FOR EDGE CUTTING TOOL (PART 2)

S. V. Digonsky

«VNIIALMAZ» 65 Gilyarovskiy street, Moscow, 107996, Russia Тел.: (495) 681-59-07, e-mail: digonsky@rambler.ru

Referred 29.05.14 Expertise 07.06.14 Accepted 11.06.14

The paper presents historical materials on edge cutting tools design, based on cubic boron nitride, and describes modern state of local cutting superhard materials production. Parameters of hexagonal boron nitride conversion into cubic form are considered, and it is shown that gas-phase transport reactions with hydrogen play the main role. The author note likeness between processes of graphite gas-phase synthesis and hexagonal boron nitride, and also obtaining diamond and cubic boron nitride; though diamond synthesis has been performed both from methane and indirectly from graphite. It is shown that there is a similar scheme for the cubic boron nitride. In spite of the fact that today we have only indirect process of cubic structure synthesis from hexagonal modification in a high-pressure device, it does mot mean that it is impossible to obtain diamond-like boron nitride directly from gaseous compositions of boron and nitrogen. The paper presents positive investigation results on the cubic boron nitride synthesis in conditions excluding any pressure on initial burden of hexagonal boron nitride and catalyst metal. Estimated conditions of gasphase synthesis of the cubic boron nitride from boron and nitrogen compound at normal pressure are proposed and description of the device for the process realization is presented. Conditions of microwave heating that are similar to ones for diamond synthesis from methane should be created to obtain gas-phase synthesis of the cubic boron nitride without high pressures; i.e. it is necessary to increase supplied specific power and find experimentally optimum concentration of initial gaseous substances, containing boron and nitrogen, to obtain the cubic boron nitride.

Keywords: graphite, diamond, cubic boron nitride, phase synthesis, the device of a high pressure.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (150) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Обзор условий каталитического синтеза нитрида бора кубической структуры необходимо дополнить результатами, полученными российскими учеными. В совместном изобретении ученых МГУ и Института абразивов [1], запатентованном в тринадцати странах [2-14], сказано: «Рентгенографические исследования показывают, что при применении в качестве катализаторов боридов или нитридов переходных металлов (Т^ Zr, Щ V, №, Ta, Сг, Mo, W), их смесей со щелочными и щелочноземельными металлами и их боридами из гексагонального нитрида бора получают кубический нитрид бора при соответствующих условиях. Например, в качестве реакционной смеси берется тщательно перемешанная смесь на основе гексагонального нитрида бора и борида или нитрида циркония».

В изобретении сотрудников Института абразивов [15], запатентованном в шести европейских странах [16-21], в качестве катализаторов применяются бориды германия и кремния, в изобретении с учеными МГУ [22], заявленном практически одновременно с [15], в этом качестве применяются силициды и германиды железа и кобальта как в чистом виде, так и в виде сплавов, а вот в изобретении [23] его суть описывается так: «... с целью повышения физико-механических свойств готового продукта и расширения сырьевой базы используемых инициаторов в качестве эвтектического состава соединений щелочных и щелочноземельных металлов применяют соединения класса сульфидов, фосфидов этих металлов или соответствующих им по составу смесей указанных элементов».

В изобретении того же абразивного института [24], на которое получены патенты США, ФРГ, Швейцарии, Англии, Японии, Швеции и Франции [25-31], говорится следующее: «Способ получения кубического нитрида бора, включающий воздействие высокого давления и температуры на графитоподобный нитрид бора в присутствии катализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости полученного материала в качестве катализатора используют соединение цинка, выбранное из группы: окись, гидроокись, нитрид и амид цинка».

А вот в более позднем совместном изобретении ученых Института сверхтвердых материалов (Украина) и Института абразивов [32] говорится следующее: «Сущность изобретения состоит в том, что шихта, включающая гексагональный нитрид бора, магний и галогенид металла, дополнительно содержит гидроокись щелочного и/или щелочноземельного металла при следующем соотношении компонентов (мас.%): магний - 5-15, галогенид металла - 1-5, гидроокись щелочного и/или щелочноземельного металла - 0,5-4,5, гексагональный нитрид бора - остальное.

На основании теоретических и экспериментальных данных установлено, что введение в шихту гидроокиси приводит к образованию аммиака, которое происходит при

взаимодействии расплавленной гидроокиси с гексагональным нитридом бора в условиях синтеза кубического нитрида бора. Совместное применение гидроокисей и галогенидов металлов способствует образованию аммиака и удержанию его в реакционном сосуде, что обеспечивает увеличение количества шлифпорошка крупной зернистости при синтезе».

В целом, даже при мимолетном взгляде на используемые катализаторы-инициаторы, можно утверждать, что в их применении нет никакой систематики, связывающей их с кристаллизацией из расплава: в самом деле, что общего может быть у серебряно-кадмиевого сплава с амидом цинка или оксидом европия? Это означает, что механизм действия большинства катализаторов не осмыслен и нельзя говорить о кристаллизации кубического нитрида бора, как о процессе, всегда протекающем только в системе Ме-Б-Ы. Поэтому любые теоретические построения, основанные на промежуточном синтезе боридов и нитридов, могут претендовать в лучшем случае лишь на объяснение маленьких частностей этого сложного процесса.

Однако большинство теоретиков, надежно ухватившихся за выстроенную еще Р. Венторфом концепцию существования в ячейке высокого давления соединений щелочных и

щелочноземельных металлов с бором и азотом, не желает обращать внимание на какие-либо другие «неудобные» вещества-инициаторы, среди которых: сурьма, свинец, германид железа, силицид германия, борид циркония, сплав алюминия с кобальтом и многие другие. Сказанное в полной мере относится и к отечественным специалистам, которые вот уже пятьдесят лет с переменным успехом исследуют все ту же жидкофазную систему Ме-Б-Ы и в основном изучают поведение в ней бора. Подобные взгляды на процесс образования кубического нитрида бора, фактически пропагандирующие «синтез по Венторфу» изложены, например, в работах [33-35], разделенных интервалом в сорок пять лет.

В работе Н.Е. Филоненко с соавторами [33] концепция жидкофазного синтеза в системе Ме-Б-Ы полностью поддерживается, хотя имеются некоторые разногласия с основоположниками: «Необходимость подробного обсуждения столь элементарных для физиков и химиков, работающих в области высокотемпературного синтеза, истин возникла в связи с тем, что в кругу лиц, занятых получением кубического нитрида бора [см. Часть 1 - Авт.], нет правильного представления о механизме его образования. Экспериментаторы применяют в качестве теоретической основы известную диаграмму взаимозависимости давления и температуры при получении кубического нитрида бора и не учитывают химизма протекающих процессов и роли в них концентрации исходных компонентов. Именно этим можно объяснить, что Венторф считает возможным получение кубического нитрида бора из любых компонентов в любых их соотношениях, лишь бы они вносили в реакционную

Международный научный журнал «Альтернативна

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком