Влияние процессов, происходящих в углеродсодержащей среде на твердофазную автоэпитаксию алмаза

Abstract

RU: Целью данной работы – анализ влияния структурных перестроек в металлической матрице чугунов вблизи графитных включений, происходящих на мезоуровне при комплексном воздействии физических полей, на особенности образования и роста алмаза динамического синтеза. Методика. Материалами для исследований служили синтетические чугуны с различной матрицей и формой графита. Динамические нагружение осуществляется путем удара металлической пластиной, разогнанной продуктами детонации взрывчатого вещества. Некоторые образцы подвергали ковке при температуре 950 °С, а также термоциклированию со скоростью нагрева 150 °С/мин до 900 °С, выдержка 20…30 мин, охлаждение с печью (5 циклов). Применяли методы исследования: металлографический («Neophot-21»), микрорентгеноспектральный, растровая электронная микроскопия («МS-46» и «Nanolab-7»), рентгеноструктурный (ДРОН-УМ1). Результаты. Обсуждается влияние деформационных и тепловых обработок на перераспределение дефектов кристаллического строения в условиях комплексного воздействия физических полей, способствующих зарождению и росту частиц при твердофазной автоэпитаксии алмаза. Показано, что для реализации роста взрывных алмазов наиболее благоприятным является аустенитный серый чугун с пластинчатым графитом. Научная новизна. Указанный процесс является результатом благоприятного сочетания ряда факторов: состав и структура ростовой среды (матрица чугуна), источник углерода (графит), температура и деформационные поля, обеспечивающие прохождение полиморфного превращения графит → алмаз и возникновение градиентных полей напряжений, а также перераспределение дефектов кристаллического строения на мезоуровне на стадиях ковки, взрыва и термоциклирования, что способствует ускорению доставки атомов углерода к растущим частицам алмаза и преимущественному росту алмаза в кинетическом режиме в условиях его термодинамической метастабильности. Практическая значимость. Использование полученных результатов позволит разработать методы и режимы получения ультрадисперсных алмазов для нужд современной техники.

UK: Мета роботи – аналіз впливу структурних перебудов у металевій матриці чавунів поблизу графітних включень, що відбуваються на мезорівні за комплексної дії фізичних полів, на особливості утворення і росту алмазу динамічного синтезу. Методика. Матеріалами для досліджень були синтетичні чавуни з різною матрицею і формою графіту. Динамічні навантаження здійснювали шляхом удару металевою пластиною, розігнаною продуктами детонації вибухової речовини. Деякі зразки піддавали куванню за температури 950 °С, а також термоциклюванню зі швидкістю нагріву 150 °С/хв до 900 °С, витримка 20...30 хв, охолодження з піччю (5 циклів). Застосовували методи дослідження: металографічний ( «Neophot-21»), мікрорентгеноспектральний, растрова електронна мікроскопія («МS-46» і «Nanolab-7»), рентгеноструктурний (ДРОН-УМ1). Результати. Обговорюється вплив деформаційних і теплових обробок на перерозподіл дефектів кристалічної будови в умовах комплексного впливу фізичних полів, що сприяють зародженню і росту частинок з твердофазної автоепітаксії алмаза. Показано, що для реалізації росту вибухових алмазів найбільш сприятливий аустенітний сірий чавун із пластинчастим графітом. Наукова новизна. Вказаний процес – це результат сприятливого поєднання низки факторів: склад і структура ростового середовища (матриця чавуну), джерело вуглецю (графіт), температура і деформаційні поля, щоб забезпечити проходження поліморфного перетворення графіт → алмаз і виникнення градієнтних полів напружень, а також перерозподіл дефектів кристалічної будови на мезорівні на стадіях кування, вибуху і термоциклювания, що сприяє прискоренню доставки атомів вуглецю до зростаючих частинок алмазу і переважному росту алмаза в кінетичному режимі в умовах його термодинамічної метастабільності. Практична значимість. Використання отриманих результатів дозволить розробити методи і режими одержання ультадисперсних алмазів для потреб сучасної техніки.

EN: Purpose. The purpose of this work was to analyze the effect of structural rearrangements in the metal matrix of cast iron near graphite inclusions occurring at the meso-level with the complex effect of physical fields on the formation and growth characteristics of dynamic synthesis diamond. Methodology. Synthetic cast irons with different matrix and graphite form served as materials for research. Dynamic loading is carried out by striking a metal plate accelerated by the detonation products of an explosive. Some samples were subjected to forging at a temperature of 950 °C, as well as thermal cycling at a heating rate of 150 °C/min to 900 °C, holding 20...30 min, cooling with a furnace (5 cycles). The following research methods were used: metallographic (“Neophot-21”), X-ray microscopy, scanning electron microscopy (“MS-46” and “Nanolab-7”), X-ray diffraction (DRON-UM1). Findings. The influence of deformation and heat treatments on the redistribution of defects of the crystal structure under conditions of complex action of physical fields that promote the nucleation and growth of particles during solid-phase auto-epitaxy of diamond is discussed. It is shown that austenitic gray iron with lamellar graphite is the most favorable for realization of blast diamond growth. Originality. It is shown that this process is the result of a favorable combination of a number of factors: the composition and structure of the growth medium (cast iron matrix), the carbon source (graphite), temperature and deformation fields ensuring the passage of polymorphic transformation of graphite → diamond and the appearance of gradient stress fields, as well as the redistribution of defects of crystalline structure at the mesolevel in the stages of forging, explosion and thermal cycling, which facilitates the acceleration of the delivery of carbon atoms to the growing particles of diamond and predominantly growth of diamond in the kinetic regime under conditions of its thermodynamic metastability. Practical value. Using the obtained results will allow to develop methods and modes of obtaining ultradispersed diamonds for the needs of modern technology.