高温高压合成金刚石用之触媒

高温高压合成金刚石用之触媒 ▲top合成金刚石是碳的同素异构体的相变过程，由于触媒的参与使金刚石合成之压力与温度大大降低，刚石的生长供给充分的碳源，同时触媒还必需具有活化或输送碳原子C的力量，而且不形成碳化物等。且使合成工艺也更简洁把握。另外，通过变更合金组元，特别是添加某些微量元素，还可能赐予金刚石一些特别的性能。在其它条件不变的状况下，不同触媒所合成金刚石的晶形、杂质分布也各有特点，因此改进触媒是提高金刚石质量和产量的有效途径。二者经充分混合，压制成形后进展高压高温之合成。18mm2023mg〔10carat〕NiMnCo。工业上合成经昂诗常用的触媒主要有镍Ni基、铁FeCo基三个合金体系。合成金刚石的生产与触媒亲热相关，现将使用不同触媒生产金刚石的工艺参数列于表8－1。适用于两面顶砧压力机.镍Ni基触媒合成所要求的压力和温度容限宽,产品综合性能好,故在国产六面顶砧压力机上得到普遍承受.触媒种类牌号合成单合成压力.温金刚石颜产 度 色杂质含触媒种类牌号合成单合成压力.温金刚石颜产 度 色杂质含量本钱镍基NiMnCo中中黄绿中中钴基FeCo低高金黄低高铁基CoFe高低淡黄高低我国触媒开发争论根本沿着“粗粒度高强度用“和“高产磨料用“二个方向进展,尤其是前者开发前景较佳,现在市场上畅销的触媒均属此类.—镍锰钴NiMnCo合金触媒合成粗粒度金刚石触媒的代表产品是镍锰钴NiMnCo合金,1992年我国的总消耗量约为300t,他的一个突出优点是工艺适应性强,镍锰钴NiMnCo合金的组织为面心立方〔fcc〕的单相奥氏体,其中不允许消灭二相,但允许有少量的夹杂物存在.在高压和高温条件下,参与合成之触媒处于熔融状态,且在单一的奥氏体相中消灭了球状石墨及碳化物相.电子探针分析说明,镍锰钴NiMnCo触媒组分在金刚石的合成中产生了波动,消灭了明显的偏析,如锰原子Mn向触媒-金刚石的界面富集,引起机体贫化。与镍NiCo相比,Mn在石墨中的集中速度最大,铜石墨的侵润最好。由于它较为活泼,故在金刚石晶体中消灭的包裹体有一半是锰Mn的化合物。锰Mn在镍锰钴NiMnCo触媒中主要起溶解碳和降低触媒熔点的作用。在这种触媒中镍Ni、锰Mn和钴Co组分的重量比为70:25:5,并常常用Ni70Mn25Co5来表达这一合金体系的组成和比例,可见这是一种镍Ni基合金。≤3%〔质量分数〕SiTi能提高经昂诗的抗压强度,N触媒则能明显的改善金刚石晶体的力学性能,提高晶体的质量。在触媒中含有的稀土元素还可能提高金刚石的抗氧化性能。我国长沙矿冶争论院的争论者对触媒中添加的元素作了争论与优选,并在镍锰钴NiMnCo合金体系的根底86－8,18mm1200mg〔6carat〕,20MPa。试产证明，这是一种较好的用于合成高强度金刚石的触媒。86－8触媒是在Ni70Mn25Co5合金中参加少量的铁FeSi，并以此转变了镍Ni的比例。经86－8触媒在配上适宜的工艺，可得分部峰值达都在46目左右及合成工艺无特别要求，操作易于把握。86－8触媒的应用结果还说明，在镍锰钴NiMnGo触媒中参加少量铁FeSi后，合成工艺也得到明显改善，其缘由在于铁Fe、硅Si的参与，加速了石墨的溶解与活化。因此，它的合成效果优于单纯Ni70Mn25Co5触媒。二、铁镍锰FeNiMn合金也是一种合成粗粒度、高强度金刚石的触媒，国内主要用在两面顶砧压力机上。沈阳有色金属加工厂曾在铁镍锰FeNiMn触媒中参加肯定量关心元素,以改善触媒片的工艺性能。用铁镍锰FeNiMn触媒合成的金刚石,其中包裹体成分与触媒组分差异很大,Ni的含量显著偏高。吉林大学的争论者崔思群、郝兆印等争论了铁Fe和铁Fe基合金触媒合成金刚石的压力和温度与镍Ni基合金触媒相当,选择适宜的铁Fe基触媒,在恰当的合成条件下,能够合成出质量好、产量高的金刚石。但使用含铁Fe触媒合成粗粒度、高强度金刚石,往往因合成条件不易把握,其颜色和抗压强度也不够抱负。在铁基触媒中,FeNi、锰Mn60:30:10,并常常用Fe60Ni30Mn10表示该体系的组成和比例。三、铁镍锰钴(FeNiMnCo)合金触媒用金属钴Co(5%)分别取代铁Fe基合金触媒中丧额组成的同等百分比局部,Fe基合成金触媒系列:Fe60Ni30Mn5Co5.经仪器分析测明,这一系列的触媒也是面心立方〔fcc〕晶格构造,并且与金刚石单晶体的晶格常数及〔111〕面内原子间的最小距离〔0.2517nm〕极为接近,也就是说铁基合金触媒的〔111〕晶面上的原子排列与金刚石单晶体〔111〕面上原子排列的对应关系相当全都,这是铁Fe基触媒可以用来合成金刚石单晶晶粒的缘由之一,8-2.触媒组分和金刚石晶体构造d(331)/dm晶格常数/nm(111)面距离8－触媒组分和金刚石晶体构造d(331)/dm晶格常数/nm(111)面距离/nmFe60Ni30Mn10面心立方8.240×10-23.5918×10-12.5379×10-1Fe60Ni25Mn10Co5面心立方8.240×10-23.5920×10-12.5400×10-1Fe55Ni30Mn10Co5面心立方8.236×10-23.5898×10-12.5384×10-1Fe60Ni30Mn5Co5金刚石单晶体面心立方叠合面心立方8.240×10-23.6920×10-13.5667×10-12.5400×10-12.5170×10-1我国触媒开发争论根本沿着“粗粒度高强度用“和“高产磨料用“二个方向进展,尤其是前者开发前景较佳,现在市场上畅销的触媒均属此类.—镍锰钴NiMnCo合金触媒合成粗粒度金刚石触媒的代表产品是镍锰钴NiMnCo合金,1992年我国的总消耗量约为300t,他的一个突出优点是工艺适应性强,镍锰钴NiMnCo合金的组织为面心立方〔fcc〕的单相奥氏体,其中不允许消灭二相,但允许有少量的夹杂物存在.在高压和高温条件下,参与合成之触媒处于熔融状态,且在单一的奥氏体相中消灭了球状石墨及碳化物相.电子探针分析说明,镍锰钴NiMnCo触媒组分在金刚石的合成中产生了波动,消灭了明显的偏析,如锰原子Mn向触媒-金刚石的界面富集,引起机体贫化。与镍NiCo相比,Mn在石墨中的集中速度最大,铜石墨的侵润最好。由于它较为活泼,故在金刚石晶体中消灭的包裹体有一半是锰Mn的化合物。锰Mn在镍锰钴NiMnCo触媒中主要起溶解碳和降低触媒熔点的作用。在这种触媒中镍Ni、锰Mn和钴Co组分的重量比为70:25:5,并常常用Ni70Mn25Co5来表达这一合金体系的组成和比例,可见这是一种镍Ni基合金。≤3%〔质量分数〕SiTi能提高经昂诗的抗压强度,N触媒则能明显的改善金刚石晶体的力学性能,提高晶体的质量。在触媒中含有的稀土元素还可能提高金刚石的抗氧化性能。我国长沙矿冶争论院的争论者对触媒中添加的元素作了争论与优选,并在镍锰钴NiMnCo合金体系的根底86－8,18mm1200mg〔6carat〕,20MPa。试产证明，这是一种较好的用于合成高强度金刚石的触媒。86－8触媒是在Ni70Mn25Co5合金中参加少量的铁FeSi，并以此转变了镍Ni的比例。经86－8触媒在配上适宜的工艺，可得分部峰值达都在46目左右及合成工艺无特别要求，操作易于把握。86－8触媒的应用结果还说明，在镍锰钴NiMnGo触媒中参加少量铁FeSi后，合成工艺也得到明显改善，其缘由在于铁Fe、硅Si的参与，加速了石墨的溶解与活化。因此，它的合成效果优于单纯的Ni70Mn25Co5触媒。二、铁镍锰FeNiMn合金也是一种合成粗粒度、高强度金刚石的触媒，国内主要用在两面顶砧压力机上。沈阳有色金属加工厂曾在铁镍锰FeNiMn触媒中参加肯定量关心元素,以改善触媒片的工艺性能。用铁镍锰FeNiMn触媒合成的金刚石,其中包裹体成分与触媒组分差异很大,Ni的含量显著偏高。吉林大学的争论者崔思群、郝兆印等争论了铁Fe和铁Fe基合金触媒合成金刚石的压力和温度与镍Ni基合金触媒相当,选择适宜的铁Fe基触媒,在恰当的合成条件下,能够合成出质量好、产量高的金刚石。但使用含铁Fe触媒合成粗粒度、高强度金刚石,往往因合成条件不易把握,其颜色和抗压强度也不够抱负。在铁基触媒中,FeNi、锰Mn60:30:10,并常常用Fe60Ni30Mn10表示该体系的组成和比例。三、铁镍锰钴(FeNiMnCo)合金触媒用金属钴Co(5%)分别取代铁Fe基合金触媒中丧额组成的同等百分比局部,Fe基合成金触媒系列:Fe60Ni30Mn5Co5.经仪器分析测明,这一系列的触媒也是面心立方〔fcc〕晶格构造,并且与金刚石单晶体的晶格常数及〔111〕面内原子间的最小距离〔0.2517nm〕极为接近,也就是说铁基合金触媒的〔111〕〔111〕面上原子排列的对应关系相当全都,这是Fe基触媒可以用来合成金刚石单晶晶粒的缘由之一,8-2.8－2Fe基合金的晶体构造、晶格参数与金刚石晶体之比较触媒组分和金刚石晶体构造d(331)/dm晶格常数/nm(111)面距离/nmFe60Ni30Mn10面心立方8.240×10-23.5918×10-12.5379×10-1Fe60Ni25Mn10Co5面心立方8.240×10-23.5920×10-12.5400×10-1Fe55Ni30Mn10Co5面心立方8.236×10-23.5898×10-12.5384×10-1Fe60Ni30Mn5Co5金刚石单晶体面心立方叠合面心立方8.240×10-23.6920×10-13.5667×10-12.5400×10-12.5170×10-1然而在QRD-18型两面的凝固压力机上进展的合成试验说明,Fe基合金作触媒在高压温度条件下合成金刚石时,在转化率、生长速率、单晶质量等方面都有明显的差异。试验条件是:合成腔体28.5mm,5.5GP,1570～1670K,20min.。这项试8－3中。8-3Fe基合金触媒合成金刚石的试验结果转化率(%)22.720.728.614.3MBD6(%)28.729.830.733.340/50(%)11.910.210.33.760/70(%)5.32.54.512.9刚石生长的位石墨片内 石墨片内 石墨片 触媒片内Fe60Ni30Mn10Fe55Ni30Mn10Co5Fe60Ni25Mn10Co5Fe60Ni30Mn5Co5金置225次,1kg重(5000克拉).8－3中“转化率“指合成金刚石与石墨的重量比，“MBD6、40/50、60/70“等是指表中规定的金刚石与金刚石种产量的百分比。本试验所用石墨却显示了明显的差异。含锰10%规律是全都的。含锰5%的铁基触媒与前三者规律不同，即各个比例之间有长有消。例如，含锰5%的0.224mm(40目)Fe60Ni30Mn10Fe55Ni30Mn10Co5Fe60Ni25Mn10Co5Fe60Ni30Mn5Co5金置上面四种铁基合金触媒的另一个重要差异是金刚石的生长部位不同。对于含锰10%的三种铁基合金，金刚石生长于石墨片内，而对于含锰5%〔质量分数〕的铁基合金触媒，金刚石生长在触媒片内。四、镍--铜基多元触媒〔JR1〕和细粒度金刚石,但长期以来,人们对合成这类金刚石的应用和争论显得不够,金刚石制造企业和争论者都在努力追求粗颗粒高强度产品细粒度或称磨料级金钢石的用途很广泛,除通常制作砂轮外,制造金刚石多晶体和聚晶体也以细粒度金刚石为原料,更有人建议用金刚石微粉作为碳源来合成高品级的金刚石。我国长沙矿冶争论院的争论者刘锡光等人争论成一种镍(铁) 铜基多元合金触媒,牌号为R12~R30,这是一种合成磨料级金钢石的专用触媒。用该触媒能稳定生产外表粗糙的无定形金钢石微粉,牌号为RVD-S,其磨削性能和冲击强度,JR1金刚石。而且它还是自锐性磨料,用它为磨料制作的砂轮干磨YG3牌号的硬质合金时,比用JR11.6倍以上。由上所述可见,镍-铜及触媒R21～R30是我国开发的自锐性金刚石磨料专用触媒,而RVD-S金刚石微粉是我国自行争论开发的自锐性金刚是磨料。R21~R30选用过渡族金属铁和镍为基,配置了三种铁基触媒〔R21～R23〕和7中镍基触媒〔R24～R30〕,添加的元素是锰Mn铜CuSi等。合金经真空感应电炉熔铸成锭,0.5mm厚的带材,经冲压制成圆片,作为合成金刚石的触媒.R21~R30,(1188.6℃),本钱较低.热加工板材的金相组织为单相奥低体〔γ相。在低温〔＜200℃〕下,抗氧化性能也好。实践证明,R21～R30触媒能满足生产自锐性金刚石磨料的根本要求。五国外触媒的争论动态铁合金基触媒活性大,本钱低。J.Perry)等人用铁基合金作触媒,合成的金刚石经扫描电子显微镜观查觉察,合成意识,铁基合金触媒晶界处就存在一连串直径≤5um的球状析出物,这些析出物可能成为金刚石成核的根底,因此他们建议,合金触媒在使用前应进展必要的热处理时晶粒变得粗大,这样才能有效地掌握金刚石成核密度,促使金刚石晶体更完整。由此也不难理解,为什么结晶组织粗大的触媒有利于提高金刚石的粗粒度比例和改善晶形.阿戈尔娃拉(B.Agarwala)等热比较了铁Fe基、Ni镍基合金触媒相当,但压力、温度等条件明显宽于纯镍触媒。斯特朗〔H.M.Strong〕指出，在铁Fe基合金触媒中,金刚石成核率随Ni含量的增加而按指数规律递增,他认为镍NiFe基合金触媒中的一个重要作用是降低金刚石与触媒间的界面能.用铁基合金触媒合成金刚石时,触媒中某些组元更简洁参与金刚石晶体的生长,并对其性能产生影响。因此工业生产中适当调整铁基合金触媒的成分,提高其活性,对于生产高质量金刚石是完全必要的.查找低熔点(一种能有效降低金刚石合成温度与压力的)触媒照旧是人们按兴趣的课题。日本材料学家Ozaki在试验中觉察,用含镍Ni、铬Ge,钴Co、铁FeTi铝Al和硫S的合金作触媒可在比常规合成方法更低的温度和压力下合成出金刚石．毕德勒Beder〕等人用硼B族过渡金属〔１％〕以及具有金刚石晶体构造的元素〔锗GeSi〕组成的合金作触媒，能在温度为８００～１２００℃、压力为３０００～６０００MPa镍Ni或钴Co触媒中添加磷P来降低合成的温度与压力．温度．一个成功的例子就是镍NiGe合金，它可在１０００℃以下合成出温度降到１０２０℃，合成压力减至４３００MPa，他把这一结果归结于触媒熔点的降低，但谭〔X.Tan〕等人认为，在触媒镍Ni中参加铜Cu并不能降低合成温度，而参加锌Zn