УДК 679.8
к. т.н.
председатель Совета Учредителей
главный инженер
УралАлмазИнвест»
г. Москва
проф., д. т.н.
студент 5 курса
кафедра «Технология художественной обработки материалов»
Московский государственный горный университет
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗНЫХ ЗАГОТОВОК С НАНОМЕТРОВЫМ РЕЛЬЕФОМ ПОВЕРХНОСТИ
APPLICATION THERMOCHEMICAL METHOD FOR GETTING DIAMOND PRODUCT WITH NANOMETER RELIEF
Благодаря высокой теплопроводности, химической инертности, прозрачности, диэлектрической проницаемости, твердости алмаз применяется не только в ювелирной и инструментальной промышленности, но и является перспективным материалом для микроэлектронной промышленности (оптические окна, подложки, многокристальные модули), медицинской (микролезвия офтальмологических и нейрохирургических скальпелей), а также для космической индустрии (детекторы ядерных и ионизирующих излучений, приемники УФ излучения) [5, 7].
Традиционным способом обработки твердых хрупких минералов (в том числе кристаллов алмазов) является механическое шлифование свободным и связанным абразивом. В абразивном механическом способе шлифования удаление массы алмаза происходит за счет механического соударения с частицами абразива при быстром вращении алмазного диска на ограночном станке (около 3 тыс. об./мин.) [4]. Обработанная поверхность имеет шероховатость 200-300 нм и требует дополнительной обработки травлением в агрессивных средах. В ограночном производстве контроль осуществляет огранщик, который руководствуется своими органами чувств и квалификацией для диагностики параметров процесса обработки. При этом невозможно осуществить объективное диагностирование параметров процесса огранки. Поэтому получение алмазных заготовок с нанометровой шероховатостью для использования в высокотехнологичных областях промышленности является большой проблемой [1, 3].
Качественно новые результаты достигнуты при термохимическом способе. При термохимической обработке алмазов можно получить изделия с шероховатостью поверхности Rа=5нм. Получение изделий такого качества обуславливает следующие применение термохимического метода:
Для офтальмологии, нейрохирургии и микробиологии - заточка микролезвий скальпелей. Высокое качество заточки алмазного микролезвия обеспечивается благодаря термохимическому методу.
Для нанесения несмываемых линий разметки на кристаллы перед их распиливанием. Линия с углублением позволяет распиливать кристалл без выполнения операции запила, т. е. без изготовления насечки на месте начала распиливания кристалла [2].
Для распиливания кристаллов алмаза за счет локального растворения атомов углерода в металле (сплаве), способном растворять значительное количество углерода (до 3-5%).
Для ювелирной промышленности - осуществление гравировки на поверхности алмаза и инкрустирование металлами; обработка твердых направлений кристалла {111}, позволяющая изготавливать ювелирные изделия из некондиционного алмазного сырья, например, из алмазов разновидности «Boart»; проведение дополнительной полировки эксклюзивных, инвестиционных бриллиантов, повышающей стоимость.
Для дальнейшего использования в создании окон и подложек, детекторов ядерных и ионизирующих излучений, приемников УФ излучений - прецизионная обработка поверхности алмазного материала [6].
При термохимической обработке алмаза происходит переход и растворение атомов углерода в металлическом обрабатывающем диске. Это возможно только при очень высоких температурах (свыше 600°С). Растворение углерода алмаза металлическим диском происходит в водородной среде с последующей термохимической реакцией водорода и углерода:
С(тв) + 2H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль.
Это позволяет сохранить кристалл алмаза в участках не требующих обработки и уменьшить концентрацию растворенного в металле обрабатывающего диска углерода.
При обработке алмаза неподвижным относительно него инструментом обработанная поверхность кристалла принимает рельеф поверхности металла, а также происходит повышение содержания углерода в металле до 3-5%, после чего обработка прекратится. Для предотвращения повышения концентрации углерода в металле было принято конструкционное решение о создании подвижного обрабатывающего металлического диска.
Небольшая нагрузка (150Н) на алмазную заготовку и медленное вращение нагретого диска (от 2 до 10 об./мин) позволяет получать шероховатость Ra поверхности алмаза порядка 5 нм [2].
Установка термохимической обработки алмаза показана на рис. 1.
Рис. 1. Термохимическая установка*
1 - алмазообрабатывающий диск; 2 - кожух; 3 - кристаллодержатель с алмазом; 4 - крышка; 5 – смотровое окно; 6 - нагреватель; 7 - основание; 8 - шкив; 9 - пружинный упор; 10 –трубка подачи водорода; 11 – трубки водного охлаждения; 12 – винт изменения высоты кристаллодержателя; 13 – винт изменения угла кристаллодержателя.
* Элементы 1 и 6 находятся под кожухом 2; элементы 8 и 9 – под основанием 7.
Достоинства и недостатки термохимического метода
1. Термохимический способ можно использовать при разметке кристаллов и распиловке в любом кристаллографическом направлении. Но, имея невысокую производительность, термохимический метод разметки и распиливания уступает лазерному, который активно применяется в ограночной промышленности.
Однако проведение ряда мер, направленных на усовершенствование конструкции термохимической установки (использование новых материалов, увеличение диаметра диска, добавление окон для кристаллодержателей) позволит одновременно вести обработку нескольких заготовок, что увеличит производительность в несколько раз.
2. При обработке на термохимической установке можно получить алмазные изделия с шероховатостью поверхности Rа=5нм. В режиме эксплуатации установки недостаточно изучены функциональные возможности процесса (недостаточно информации о материале обрабатывающего диска, среды реакции). Проведение исследовательских работ с целью изучения и установления экспериментальной базы в области: материала установки, газовой среды термохимической реакции, различного алмазного сырья (природные алмазы, алмазные пленки, поликристаллы, монокристаллы, синтетические алмазы) способствовали бы повышению качества обработки поверхности алмазных образцов.
3. Термохимическим способом можно вести обработку криволинейных поверхностей алмаза (гравировка, создание отверстий, вырезание различных форм) и создание изделий разной номенклатуры. Однако база возможных алмазных изделий отсутствует, потому что термохимический способ недостаточно широко применяется (способ применяется для узкоспециализированных задач предприятий).
Однако формирование стандартной базы возможных изделий с последующим составлением технических заданий, инструкции, описанием технологического процесса, создание оснастки соответствующей этой базе позволит расширить номенклатуру получаемых изделий, что увеличит спрос на алмазные изделия в различных отраслях промышленности, а также повысит производительность способа.
4. Простая конструкция установки с использованием дешевых материалов, а, следовательно, низкая стоимость оборудования. Малогабаритные размеры позволяют располагать несколько установок в небольшом помещении, что способствует мобильности. Ввиду отсутствия базы стандартных изделий, подготавливаемых с помощью термохимической установки, и стандартного ряд оснастки и инструмента, появляются трудности применения способа для обработки новых изделий. Разработка и создание оснастки значительно снижает время выполнение заказов на технологические изделия. Для повышения производительности необходимо использовать установки с возможностью групповой обработки алмазных заготовок, а также формирование технических заданий для изделий соответствующей номенклатуры.
5. Эксплуатация установки термохимической обработки несет повышенную опасность. Источником опасности являются следующие узлы: генератор водорода, камера заточного диска, понижающие трансформаторы переменного напряжения. Но простота конструкции дает возможность комбинирования различных материалов для изолирования опасных узлов или предотвращения травматических ситуаций.
Термохимический способ обработки алмазов обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной механической обработкой и может быть успешно использован для изготовления изделий научно-технического, научно-исследовательского и медицинского назначения.
Работы по исследованию термохимического процесса обработки алмазных заготовок необходимы для определения рациональных режимов обработки, повышающих эффективность процесса обработки и качество поверхности. Результаты этих исследований найдут применение в изготовлении изделий научно-технического назначения (производство подложек, модулей памяти, детекторов излучений и т. д.), в производстве ювелирных изделий (дополнительная полировка эксклюзивных бриллиантов) и в изготовлении изделий технического (производство алмазных гребенок, волок и т. д.) и медицинского назначения (производство микролезвий для офтальмологических и хирургических скальпелей).
Термохимический способ является экологически чистым. Это подтверждает отсутствие опасных отходов, выбросов химикатов, наличие небольших механических узлов в конструкции, а также возможность работы с некондиционным алмазным сырьем, сокращающая расходы алмазного сырья.
Литература.
1. , , С Алмазные фотоприемники ультрафиолетового диапазона. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2007. – №4. – С. 29-31.
2. , , В., , – Пат. 90375 РФ B 28 D. Устройство термохимической обработки алмаза.
3. , , Поморцев – перспективный материал для наноэлектроники. // Инженерная физика, 2003. – №5. – С. 51-58.
4. Епифанов обработки алмазов в бриллианты: учеб. пособие/, , . – 5-е изд., репринтное. – Якутск: Бичик, 2001. – 336 с.
5. , М. В, Николаев, . Геммология алмаза: учебник. – М.: Агат, 2008. – 416 с.
6. , , . О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций. - Наука и техника в Якутии. – 2002. – № 1. – С. 27-29.
7. Интернет источник: http://www. *****. Проверено: 20.01.2013
Аннотация.
Применение алмаза в микроэлектронике ставит технологические задачи формирования поверхности алмазной заготовки нанометровой шероховатости. Для изготовления изделий научно-технического, научно-исследовательского и медицинского назначения необходимо использовать новые способы. Одним из таких способов является термохимический, который позволяет достигнуть шероховатости Ra до 5 нм.
Способ термохимической обработки поверхности алмаза известен с 1975 года, но недостаточно широко распространен. Использование его для обработки изделий микроэлектроники не имеет аналогов. Исследование термохимического процесса обработки алмазных заготовок необходимы для выявления эффективных режимов обработки, чтобы повысить производительность процесса обработки и добиться высокого качества поверхности.
В статье раскрывается проблема достижения нанометрового рельефа поверхности алмаза при его применении в высокотехнологичных изделиях микроэлектроники и медицины. Приводится описание термохимического способа, конструкции термохимической установки, указывается область применения, достоинства и недостатки способа, экологичность технологии.
Diamond application in microelectronics sets technological tasks of formation of a surface of diamond preparation of a nanometer roughness. For production of products of scientific and technical, research and medical appointment it is necessary to use new ways. One of such ways is thermochemical which allows to reach Ra roughness to 5 nanometers.
The way of thermochemical processing of a surface of diamond is known since 1975, but is insufficiently widespread. Use it for processing of products of microelectronics has no analogs. Research of thermochemical process of processing of diamond preparations are necessary for identification of effective modes of processing to increase productivity of process of processing and to achieve a quality surface.
In article the problem of achievement of a nanometer relief of a surface of diamond reveals at its application in hi-tech products of microelectronics and medicine. The description of a thermochemical way, design of thermochemical installation is provided, the scope, merits and demerits of a way, environmental friendliness of technology is specified.
Ключевые слова.
микроэлектроника, термохимический способ обработки алмаза, экологичность, шероховатость поверхности нанометрового уровня
microelectronics, thermochemical way of processing of diamond, environmental friendliness, roughness of a surface of nanometer level
