專利名稱：一種方晶金剛石合成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金剛石的合成工藝，是一種方晶金剛石合成工藝。
背景技術(shù)：
金剛石的合成工藝有較多種類，不同晶型的金剛石或不同特性的金剛石，其合成 工藝均有所不同。金剛石合成工藝中使用的觸媒、合成過(guò)程中的參數(shù)等均能改變金剛石的 特性。近年來(lái)，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)改變金剛石合成工藝以期得到特定晶型來(lái)滿足市場(chǎng)需 求，對(duì)這方面重要的研究之一是，如何提高方晶金剛石中晶面完整，提高方晶含量的工藝， 以滿足目前方晶金剛石在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上緊缺的需求。目前方晶金剛石一般采用的合成工藝 中只在現(xiàn)有普通工藝中改變了合成溫度，用這種工藝合成的方晶金剛石，方晶的含量較低， 一般最高達(dá)到10-30%左右，導(dǎo)致方晶金剛石的生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)量較低，由于方晶金剛石 是介于6-8面立方體之間的晶型，所以金剛石不同晶面生長(zhǎng)速度的變化、合成工藝中的功 率變化等，都對(duì)方晶金剛石的質(zhì)量有一定影響。現(xiàn)有工藝均無(wú)法滿足方晶金剛石的合成要 求。國(guó)外雖有報(bào)道方晶金剛石的方晶含量可達(dá)60-70%左右，但其合成工藝尚屬未公開(kāi)階 段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方晶金剛石合成工藝，它可以提高方晶的含量，從而提 高方晶金剛石的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低方晶金剛石的生產(chǎn)成本。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種方晶金剛石合成工藝，包括 以下步驟①制備-300目以細(xì)粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計(jì)Ni 14. 6-19%, C0 2. 5-4. 5%,Si 2-3%,Cu 4_6%，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉 末觸媒備用；②選取-300目以細(xì)球形石墨，石墨純度達(dá)到三十個(gè)PPm以下的雜質(zhì)含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10 3-6的比例在三維混料機(jī)內(nèi)混合3-5小時(shí)，靜 壓后破碎成80目以細(xì)顆粒，得到顆粒混合料，備用；④將步驟③中得到的顆粒混合料裝入模具中，采用四柱壓力機(jī)壓制成芯柱，芯柱 尺寸為Φ 38mmX30. 5mm,芯柱密度為 3-3. 3g/cm3 ；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100°C下真空處理9. 5-10. 5小時(shí)，用 氫氣還原的方法去除氧，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對(duì)其進(jìn)行加熱，并采用六面頂壓力機(jī) 對(duì)其加壓合成，合成過(guò)程中的合成溫度為1200°c -1250°C，加熱時(shí)間為1400-1480S，合成腔 內(nèi)部壓力為5-5.5Gfa;對(duì)六面頂壓機(jī)的壓力進(jìn)行調(diào)整將六面頂壓力機(jī)的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由 0加到80-82MPa后開(kāi)始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在IOS內(nèi)，提高到90Mfa，然后在960-1000S內(nèi)均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完 成后合成結(jié)束；對(duì)六面頂壓力機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)整六面頂壓力機(jī)起始功率為5000-5800W，起始功 率保持130-150S ；第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)將功率下調(diào)至4900-5460W，保持192-240S ；
第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至4800-5394W，保持288-300S后，再使 功率在780S內(nèi)均速下調(diào)至4600-5200W至合成結(jié)束。本發(fā)明所述步驟①中制備的觸媒的原料按重量百分計(jì)，Nil7. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 2%, Cu 5%，余量為鐵。本發(fā)明所述步驟⑥中所述的起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快 速下調(diào)功率，在3S內(nèi)使功率下調(diào)至5250W，保持200S，第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率 下調(diào)至5070W，保持300S，再使功率在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至4780W至合成結(jié)束。本發(fā)明的合成工藝為了解決公知技術(shù)存在的問(wèn)題，首先對(duì)制備的粉末觸媒原料進(jìn) 行了改變，適量加入了 Si和Cu，Si能夠降低原料中的氧含量，使氧含量彡IOOPPmJfWM 媒活化性能，有利于方晶金剛石的轉(zhuǎn)化，Cu能使產(chǎn)品金剛石(111)晶面的生長(zhǎng)速度加速，使 晶體的(111)面變小，促進(jìn)金剛石向方晶轉(zhuǎn)化，使金剛石均勻成核。研究表明，金剛石在合成過(guò)程中的晶型變化，還受壓力和溫度的影響，由于金剛石 各晶面對(duì)碳原子的接受能力不同，所以導(dǎo)致各晶面的生產(chǎn)速度不同，從而形面不同的晶形。 本發(fā)明通過(guò)調(diào)整合成過(guò)程中的壓力和功率，從而達(dá)到控制金剛石合成工藝過(guò)程中金剛石晶 型的轉(zhuǎn)化，使金剛石中方晶含量達(dá)到了 80-88%，并且晶型規(guī)則度高，晶面完整，雜質(zhì)少，方 晶金剛石產(chǎn)量高。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整功率大小，達(dá)到控制合成溫度的變化，使合成過(guò)程早期保持較高 溫度，使觸媒中的金屬和石墨充分互溶，有利于金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中的排雜，保證了方晶優(yōu) 質(zhì)生長(zhǎng)，在合成過(guò)程的中期適當(dāng)調(diào)低了溫度，控制金剛石晶型轉(zhuǎn)化，使合成溫度穩(wěn)定維持 在方品生長(zhǎng)區(qū)，以獲得多且質(zhì)優(yōu)的方晶金剛石。本發(fā)明步驟⑥合成過(guò)程中，將壓力升至 80-82MPa后，保持400S，其目的在于，使這一過(guò)程形成的再結(jié)晶石墨可有效控制吸收過(guò)量 碳源，抑制急劇成核現(xiàn)象，從而提高粒度集中度，在預(yù)熱充分后，將壓力迅速提高至90MPa， 以此控制金剛石在方晶區(qū)“準(zhǔn)靜態(tài)”生長(zhǎng)。本發(fā)明功率調(diào)整的目的在于合成起始階段迅速提高功率，使合成過(guò)程的前期溫 度快速提高，并保持150S，充分使石墨向觸媒中再結(jié)晶，第一次使功率快速下調(diào)后，以調(diào)低 合成溫度，控制金剛石晶形轉(zhuǎn)化，穩(wěn)定方晶生長(zhǎng)區(qū)。第二次快速下調(diào)功率，可進(jìn)一步降低合 成溫度，以平衡成核放出的熱量，穩(wěn)定方晶生長(zhǎng)區(qū)溫度，防止晶體(100)面生長(zhǎng)速度過(guò)快， 最后緩慢使功率下調(diào)，保持方晶生長(zhǎng)區(qū)的溫度穩(wěn)定，使方晶含量提高，晶面規(guī)則等。


附圖1是本發(fā)明合成工藝中步驟⑥中的合成過(guò)程功率和壓力曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的方晶金剛石的合成工藝包括以下步驟
①制備-300目以細(xì)粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計(jì)Ni 14. 6-19%, C0 2. 5-4. 5%,Si 2-3%,Cu 4_6%，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉 末觸媒備用；②選取-300目以細(xì)球形石墨，石墨純度達(dá)到三十個(gè)PPm以下的雜質(zhì)含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10 3-6的比例在三維混料機(jī)內(nèi)混合3-5小時(shí)，靜 壓后破碎成80目以細(xì)顆粒，得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆粒混合料裝入模具中，采用四柱壓力機(jī)壓制成芯柱，芯柱 尺寸為Φ 38mmX30. 5mm,芯柱密度為 3-3. 3g/cm3 ；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100°C下真空處理9. 5-10. 5小時(shí)，用 氫氣還原的方法去除氧，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對(duì)其進(jìn)行加熱，并采用六面頂壓力機(jī) 對(duì)其加壓合成，合成過(guò)程中的合成溫度為1200°C -1250°C，加熱時(shí)間為1400-1480S，合成腔 內(nèi)部壓力為5-5.5G a;
對(duì)六面頂壓機(jī)的壓力進(jìn)行調(diào)整將六面頂壓力機(jī)的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由 0加到80-82MPa后開(kāi)始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在IOS內(nèi)，提高到90MPa, 然后在960-1000S內(nèi)均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完 成后合成結(jié)束；對(duì)六面頂壓力機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)整六面頂壓力機(jī)起始功率為5000-5800W，起始功 率保持130-150S ；第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)將功率下調(diào)至4900-5460W，保持192-240S ；第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至4800-5394W，保持288-300S后，再使 功率在780S內(nèi)均速下調(diào)至4600-5200W至合成結(jié)束。本發(fā)明所述的步驟⑥中效果較好的功率調(diào)整方案是起始功率為5700W，起始功 率保持150S后，第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)使功率下調(diào)至5250W，保持200S，第二次快速 下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至5070W，保持300S，再使功率在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至4780W 至合成結(jié)束。本發(fā)明所述合成工藝步驟⑥中所述的六面頂壓力機(jī)的任何功率數(shù)值均能實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明目的，例如起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi) 使功率下調(diào)至5250W，保持200S，第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至5070W，保持 300S，再使功率在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至4780W至合成結(jié)束。或起始功率為5000W，起始功率保 持130S后，第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)使功率下調(diào)至4900W，保持192S，第二次快速下調(diào) 功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至4800W，保持288S，再使功率在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至4600W至合 成結(jié)束?；蚱鹗脊β蕿?800W，起始功率保持140S后，第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)使功率 下調(diào)至5460W，保持240S，第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至53294W，保持294S， 再使功率在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至5200W至合成結(jié)束。本發(fā)明合成工藝步驟①中制備的觸媒原料可以有多種組合①Ni 14. 6%, C0 4. 5%, Si 2%, Cu 4%，余量為鐵。(2)Nil7. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 2%, Cu 5%，余量為鐵。 Nil9%,C0 4%, Si 3%, Cu 4.5%，余量為鐵。
(4)Nil8. 5%, C0 2. 5%, Si 2. 5%, Cu 4%，余量為鐵。
Ν 18. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 7%, Cu 6%，余量為鐵。本發(fā)明所述合成工藝步驟⑥中所述的六面頂壓力機(jī)的任何壓力數(shù)值均能實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明目的，例如將六面頂壓力機(jī)的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到82MPa后開(kāi)始加 熱，停止加壓，保持300S，再將壓力在IOS內(nèi)，提高到90Mf a,然后在990S內(nèi)均速增至97MPa， 97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱100S后卸壓，卸壓完成后合成結(jié)束；或?qū)⒘骓攭毫C(jī)的壓力 以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到SOMPa后開(kāi)始加熱，停止加壓，保持340S，再將壓力在IOS 內(nèi)，提高到90Mpa，然后在960S內(nèi)均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱90S后卸壓， 卸壓完成后合成結(jié)束；或?qū)⒘骓攭毫C(jī)的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到SlMPa后 開(kāi)始加熱，停止加壓，保持370S，再將壓力在IOS內(nèi)，提高到90MPa，然后在1000S內(nèi)均速增 至97MPa，97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱95S后卸壓，卸壓完成后合成結(jié)束；本發(fā)明所述六面頂壓力機(jī)為Φ500缸徑，頂錘錘面為47X47mm，錘面角度為42°。本發(fā)明未詳述內(nèi)容均為公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于包括以下步驟①制備-300目以細(xì)粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計(jì)Ni14.6-19％、CO 2.5-4.5％、Si 2-3％、Cu 4-6％，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉末觸媒備用；②選取-300目以細(xì)球形石墨，石墨純度達(dá)到三十個(gè)PPm以下的雜質(zhì)含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10∶3-6的比例在三維混料機(jī)內(nèi)混合3-5小時(shí)，靜壓后破碎成80目以細(xì)顆粒，得到顆?；旌狭希瑐溆?；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機(jī)壓制成芯柱，芯柱尺寸為φ38mm×30.5mm，芯柱密度為3-3.3g/cm3；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100℃下真空處理9.5-10.5小時(shí)，用氫氣還原的方法去除氧，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對(duì)其進(jìn)行加熱，并采用六面頂壓力機(jī)對(duì)其加壓合成，合成過(guò)程中的合成溫度為1200℃-1250℃，加熱時(shí)間為1400-1480S，合成腔內(nèi)部壓力為對(duì)六面頂壓機(jī)的壓力進(jìn)行調(diào)整將六面頂壓力機(jī)的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到80-82MPa后開(kāi)始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在10S內(nèi)，提高到然后在960-1000S內(nèi)均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結(jié)束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完成后合成結(jié)束；對(duì)六面頂壓力機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)整六面頂壓力機(jī)起始功率為5000-5800W，起始功率保持130-150S；第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)將功率下調(diào)至4900-5460W，保持192-240S；第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至4800-5394W，保持288-300S后，再使功率在780S內(nèi)均速下調(diào)至4600-5200W至合成結(jié)束。FSA00000152994500011.tif,FSA00000152994500012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于步驟①中制備的觸 媒的原料按重量百分計(jì)，Ni 17.5%,CO 3.5%,Si 2.2%、Cu 5%，余量為鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于步驟⑥中所述的 起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快速下調(diào)功率，在3S內(nèi)使功率下調(diào)至 5250W，保持200S，第二次快速下調(diào)功率，在7S內(nèi)將功率下調(diào)至5070W，保持300S，再使功率 在780S內(nèi)緩慢下調(diào)至4780W至合成結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種方晶金剛石合成工藝，包括以下步驟①制備-300目以細(xì)粉末觸媒，粉末觸媒原料Ni、CO、Si、Cu，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉末觸媒備用；②選取-300目以細(xì)球形石墨；③將粉末觸媒和石墨在三維混料機(jī)內(nèi)混合，靜壓后得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機(jī)壓制成芯柱；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，用氫氣還原的方法去除氧，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中進(jìn)行加熱，并采用六面頂壓力機(jī)對(duì)其加壓合成；本發(fā)明通過(guò)調(diào)整合成過(guò)程中的壓力和功率，使金剛石中方晶含量達(dá)到了80-88％，并且晶型規(guī)則度高，晶面完整，雜質(zhì)少，方晶金剛石產(chǎn)量高。
文檔編號(hào)B01J3/06GK101837267SQ201010190050
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者張存升, 林樹(shù)忠, 林秀峰, 白云崗, 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東聊城昌潤(rùn)超硬材料有限公司