采用粉末冶金铁基触媒合成金刚石的工艺初探

采用粉末冶金方法制备的新型铁基触媒在六面顶压机上进行人工合成金刚石实验，提出了与新型铁基触媒相配套的金刚石合成工艺参数。     

添加剂铜对铁基触媒合成金刚石的影响

以铁、镍单质金属粉和适量的电解铜粉为原料,采用粉末冶金方法制备规格为φ15×0.5 mm的片状铁基触媒,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶.通过分析金刚石的产量、形貌、粒度与晶形分布、静压强度、冲击韧性、磁化率以及热稳定性等,探讨添加剂铜对铁基触媒合成金刚石的影响.实验发现,在铁基触媒中添加适量的铜粉可以有效地控制金刚石的成核数量和生长速率,使得粒度增粗,晶体完整度增加,杂质与包裹体的数量减少,纯净度提高.相应的,金刚石的主要性能指标均高于普通金刚石,超过SMD25锯片级金刚石性能要求.     

用铁基粉末触媒合成金刚石的研究

本文利用五种铁基粉末触媒 (FeNiXn,n =1,2 ,3 ,4,5Xn代表Fe在触媒中的含量 ,Xn>Xn -1)在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验 ,研究了高温高压条件下 (～ 5 4GPa ,～ 14 0 0℃ ) ,铁基粉末触媒随铁含量的改变 ,石墨碳-铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的生长特性 ,利用穆斯堡尔谱对金刚石中铁元素形成的包裹体进行了检测。结果表明 ,随着铁基粉末触媒中铁含量的增加 ,合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高 ,金刚石生长的“V形区”上移 ,同时得出了铁基粉末触媒适合高温区 ( 110 )和 ( 111)面生长以及金刚石中铁元素以FeNi和Fe3 C形式存在的结论     

碳片厚度及合成时间对铁基触媒合成金刚石的影响

本采用粉末冶金铁基触媒合成金刚石，匹配不同厚度的碳片以及采用不同的合成时间，探讨碳片厚度及合成时间对金刚石合成效果的影响。实验发现，适当增加碳片与触媒的厚度比和延长合成时间可以使金刚石的单产率、粒度、晶形和抗压强度等各项性能指标有所提高。     

用片状粉末冶金铁基金刚石催化剂合成金刚石

利用自行研制的片状粉末冶金铁基金刚石催化剂在六面顶压机上进行了金刚石合成试验。结果表明：该催化剂使合成金刚石耗用电流明显降低，并使因“放炮”造成的硬质合金顶锤消耗几乎减少到零；由于铁基催化剂形成的金刚石包覆膜极脆，有望实现合成块的机械式分离，减少电解或酸洗对环境造成的严重污染；同时合成的金刚石晶型好、强度高，可满足工业生产要求。     

专利信息

CN200710013220．8一种合成高强度金刚石用粉末冶金触媒，CN200710013221．2一种渗碳体型金刚石催化剂及其制备方法，CN200710051245．7金属基底上合成纳米金刚石的方法及应用，CN200610128330．4导电金刚石的合成方法，CN200610128334．2一种高纯金刚石微粉及其提纯方法，CN200710048823．1金刚石钻头及其制造方法。     

铁基粉末触媒的粒度及其均匀性对合成金刚石的影响

本文利用铁基粉末触媒在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成。研究了高温高压条件下（5.7GPa，1370～1650℃），筛分的6种不同粒度（140／170，170／200，200／230，230／270，270／325，325／400）以及未经筛分的混合粒度的铁基粉末触媒生长金刚石的形貌特征。同时研究了粉末触媒粒度均匀性对合成金刚石的影响。结果表明，触媒粒度越均匀，合成金刚石单晶的粒度越集中。触媒粒度以及合成的金刚石晶体分别通过扫描电镜和光学显微镜进行了观测。     

用含添加剂氮化物MxN的粉末触媒合成金刚石

本文分别用铁镍粉末触媒、含添加剂氮化物MxN的铁镍粉末触媒在国产六面顶压机上合成了优质金刚石单晶，利用光学显微镜观察，发现所合成的金刚石多为六八面体，晶形完整；在大多数用含添加剂氮化物的铁镍触媒合成的金刚石的晶面上有凹线出现，而用不含添加剂铁镍触媒合成的金刚石却没有这种现象。用电子显微镜对凹线的形貌进行了细致的观察。还发现用含添加剂的铁镍触媒合成的金刚石中包裹体明显少于用铁镍触媒合成的金刚石中的包裹体。随着铁基粉末触媒中添加剂氮化物含量的增加，合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高，金刚石生长的“V形区”上移。     

触媒组织中碳化物的含量与金刚石的生长

采用粉末冶金铁基触媒在六面顶压机上高温高压合成金刚石.试验表明,在相同的工艺条件下,由于合成腔体温度和压力梯度的存在,压块不同断面上的合成效果存在明显差异.使用X射线衍射(XRD)和电子探针分析(EPMA)对不同断面上的触媒物相与成分进行了检测.结果发现,金刚石形核量较多,分布均匀,且晶形完整的触媒中存在大量碳化物;触媒中夹杂有原始石墨,碳化物形成不充分,则金刚石形核量较少.分析认为,触媒中的碳化物应该才是高温高压下金刚石生长的直接碳源.触媒熔体充分溶解石墨,碳化物充分形成对于提高金刚石的产量和质量是必需的.     

片状与粉末触媒对石墨转化成金刚石的催化效率研究

为了研究片状与粉末的镍基或铁基触媒对石墨转化为金刚石的催化性能的影响，采用金刚石成核和生长动力学方法分别计算了片状与粉末触媒参与下金刚石生长的活化能与比表面能。结果表明，无沦是片状还是粉末触媒，这两种触媒对金刚石生长活化能与比表面能的影响差异很小，比表面能与金刚石的结晶形态有关，决定于合成的温度压力条件。然而，粉末触媒的催化效率比片状触媒高得多，更有利于石墨转化为金刚石。     

粉状触媒合成金刚石提纯新方法

本文论述了粉状触媒合成棒的组成及其特性，在其特性的基础上研究了此种合成棒的破碎方法。通过一系列的对比实验，在对棒体破碎、电解配方设计、揉搓机设计以及配套工艺改进的基础上提出了新的提纯工艺，这种工艺尽可能地以机械剥离取代化学氧化去除，使得提纯直接成本降低40％以上，并且其电解工序所回收的触媒金属价值远大于电费材料及人力成本，所以提纯实际综合成本几乎为零甚至略有盈余。此外，新工艺还大大减少了传统工艺所带来的环境污染，改善了操作条件，降低了劳动强度，具有显著的社会效益。通过近一年的生产运行，实践证明新工艺是切实可行的。     

高压水雾化金刚石铁基触媒粉的工艺研究

采用典型检验和统计分析的方法研究了FeNi30高压水雾化金刚石触媒粉的形貌、氧含量、粒度与粒度组成及合成效果。结果表明,粉末为近球形颗粒,-200目产出率为68.2%。由于原有高压水雾化金刚石触媒粉的氧含量较高,不能直接在合成金刚石中使用。水雾化的触媒粉通过1 000℃,真空10-2Pa,6 h高温真空脱氧处理,触媒粉中氧的质量分数降到200×10-6～500×10-6,满足合成金刚石的要求。Φ38 mm腔体批量合成的单产达50～87 carat,粒度35/60目的金刚石粉达到46.5%至82.5%。粒度为-250目的触媒合成的金刚石品质较好,但与气雾化金刚石触媒粉相比,粒度还较粗,因此还需要不断改进雾化装置和雾化工艺,不断提高触媒粉成品率和品质。     

CSD金刚石磨料的研制

用于制造树脂结合剂磨具的金刚石磨料，传统产品为单晶颗粒，大多数(70％以上)为针片状，表面光滑，与结合剂结合不牢，磨削过程中过早脱落，使用效果不理想。本文目的就是为了解决这一问题。本项目以粉状石墨为原料，以铁基合金粉末为触媒，对原料的成份和配比、合成块的组装结构、合成工艺参数及调控方式，进行了系统的试验研究，在六面顶压机上，研制出了一种金刚石磨料新产品——CSD(Crumb Structure Diamond)磨料。合成压力和电功率与合成单晶金刚石的工艺参数基本相同，而合成时间较短，不超过5min，石墨转化率达到80％左右。得到的新产品不是针片状单晶颗粒，而是团粒结构的颗粒，颗粒形状为等积形，表面粗糙，凹凸不平。经制作成砂轮使用证明，金刚石与结合剂结合牢固，在磨削过程中呈微刃破碎，自锐性好，磨削锋利，寿命比传统产品成倍提高。CSD磨料可作为RVD金刚石磨料的更新换代产品使用。     

多种硼源的复合添加对含硼金刚石单晶的影响

本文使用碳化硼、六方氮化硼和硼砂三种硼源材料复合添加的铁基触媒在高温高压下合成含硼金刚石,通过对金刚石结构与性能的表征,探讨多种硼源复合添加对含硼金刚石的影响。实验发现,采用多种硼源复合添加的铁基触媒合成金刚石可以有效地稳定金刚石的硼源供给,提高金刚石的含硼量。随着硼含量的增加,金刚石的结晶习性逐渐以（111）晶面为主,主要的机械性能和热稳定性得到了明显的提高。实验结果充分说明,多种硼源复合添加更有利于提高含硼金刚石的品级。     

Fe基胎体中添加Zn粉后的金刚石磨边轮组织及性能

在金刚石磨边轮Fe基胎体中分别添加0,0.7%,2.1%,3.5%,4.9%质量分数的Zn粉,研究Zn粉添加量对金刚石磨边轮Fe基胎体的热压烧结组织、物相组成及力学性能的影响;在此基础上,研究Fe基胎体中添加0、2.1%、3.5%质量分数的Zn粉以及浓度为24%的金刚石后制成的3种金刚石节块的性能及对应的3种磨边轮的磨削性能。结果表明:当采用相同烧结工艺时,不添加和添加Zn粉后的Fe基胎体中的白色、深灰色、灰色3种组织面积及存在形态明显变化,加入质量分数为2.1% 的Zn粉有助于胎体中部分物质扩散,且其物相除γ-Fe、(Cu, Sn)和(γ-Fe, Ni)、Cu₄₁Sn₁₁固溶体以及Fe₄Cu₃、Ni₄Sn等金属间化合物外,还出现了Cu_0.61Zn_0.39新相。Zn粉质量分数增加,Fe基胎体的相对密度、硬度、耐磨性等皆呈下降趋势,但降幅不明显;而其抗弯强度相对未加Zn粉时的呈先增大后减小趋势,且在Zn粉添加质量分数为2.1%时提高了16.1%,达到最大值983.2 MPa;但添加的Zn粉质量分数过高,胎体热压时会出现流料现象。添加或未添加Zn粉的Fe基胎体中加入金刚石后,制作的节块与未加金刚石时的比,其抗弯强度下降,但添加Zn粉后的胎体抗弯强度降幅较小,把持力系数较大,可间接表明胎体对金刚石的把持力较高。用添加质量分数为2.1% 的Zn粉的Fe基胎体制作的金刚石磨边轮磨削渗花陶瓷砖边时,与胎体中未添加Zn粉和添加质量分数为3.5%的Zn粉制作的磨边轮磨削效果比较,其锋利度适中,使用寿命最长。      

新型多组元超细铁基触媒在自锐金刚石合成中的应用

采用水-气联合雾化工艺生产多组元铁基细粒度金刚石触媒,通过控制触媒氧化物杂质种类及含量来改善金刚石合成时其生长界面的金属包膜质量,进而提高金刚石的合成质量。通过调控合成工艺,为金刚石生长创造稳定的热力学及动力学条件,促进金刚石二维层状生长,提高金刚石的阶梯状微破碎自锐能力。采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)及扫描能谱分析(EDS)等手段分析用常规FeNi30触媒与新型触媒合成的金刚石的质量及结晶生长特点。结果表明:采用新型触媒合成的金刚石自锐性提高,用其制备的水泥锯片、绳锯的锋利度较以往同类型金刚石工具的锋利度提高15%以上,工具的连续工作平稳性也显著提高。      

Synthesis of high grade octahedron diamond through epitaxial growth

１　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｄｉａｍｏｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄａｔｉｓｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｃａｔａｌｙｓｔｂｅｌｏｎｇｓｔｏｔｈｅｃｕｂｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｙｓｔｅｍ,ｗｈｉｌｅｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎｓｙｎｔｈｅｔｉｃｄｉａｍｏｎｄ,ｓｕｃｈａｓｃｕｂｉｃ,ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ,ｃｕｂｉｃｏｃｔａｈｅｄｒｏｎａｎｄｉｒｒ…     

水气联合雾化法制备铁基预合金粉末及其在金刚石工具中的应用

采用水气联合雾化工艺制备了金刚石工具用铁基预合金粉末,对水气联合雾化法、常规水雾化法制备的预合金粉末进行物性对比,并对相应地预合金粉末烧结块的断口形貌、力学性能进行比较与分析。结果表明:水气联合雾化工艺制备的预合金粉末氧含量较低,球形度好,粉末粒度细;水气联合雾化制备的预合金粉末TZ611烧结块断口形貌呈典型的韧性断裂和沿晶断裂特征;烧结块相对密度、硬度和抗弯强度等力学性能显著提高,对金刚石颗粒把持更好。采用水气联合雾化工艺制备的预合金粉末制造的圆锯片切割更为锋利,且使用寿命为常规水雾化粉末的1.62倍。      

提高人造金刚石分离分选效率的有效途径

人造金刚石合成棒主要采用酸溶或电解腐蚀除触媒—粉碎—摇床分选流程,提纯成金刚石晶体,该流程存在酸耗量大、工作环境差、摇床分选过程中金刚石损耗量大等缺陷。本文采用过硫酸盐和双氧水组合氧化剂代替硝酸、高氯酸,选择性粉碎分离金刚石;精细分级、低分子量有机物DH2抑制金刚石的上浮后,摇床精选的工艺流程,最终得到金刚石产率7.12%,品级81.8%,金刚石回收率86.66%的分选指标;新工艺不仅提高人造金刚石的分选效率,而且大幅度地改善了原分选工艺的生产条件,生产结果表明,采用新工艺同比可降低生产成本34%。     

磷铁含量对高铁基胎体性能的影响

本文采用粉末冶金方法制备了高铁基胎体的金刚石工具。通过检测材料的硬度、密度、冲击韧性等性能考察了磷铁的加入量对高铁基胎体性能的影响。通过X衍射图、金相图等揭示了磷铁加入量对胎体微观结构变化的影响。结果表明:随着P-Fe含量的增加,胎体的相对密度增加,胎体硬度几乎呈直线上升,含3%磷铁的胎体硬度为HRB97,而含15%磷铁的胎体硬度达到了HRB113。而胎体的抗弯强度、冲击韧性随加入量的增大而减小。脆性的增加对提高胎体的切割性能有益。SEM观察结果表明:随P-Fe的加入量增大,胎体的断裂是脆性断裂为主的韧-脆断裂向脆性断裂过渡。