CN102773043A

CN102773043A - 一种金刚石合成腔体的密封材料

Info

Publication number: CN102773043A
Application number: CN2012102665157A
Authority: CN
Inventors: 王志涛; 刘乾坤; 丁锐; 徐华雷
Original assignee: Zhongnan Diamond Co Ltd
Current assignee: Zhongnan Diamond Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: CN102773043B

Abstract

本发明属于金刚石合成技术领域，具体公开了一种金刚石合成腔体的密封材料。原料组成为：层状硅酸盐矿物50-85wt%、莫来石4-40wt%、磷酸二氢铝溶液3-18wt%，其中磷酸二氢铝溶液的浓度按P₂O₅计不超过33wt%。本发明制备的密封介质，腔体的高压密封性能有较大幅度提高，降低了“泄压气炮”几率，表现出在金刚石合成中具有较高的稳定性，安全性能明显提高，顶锤消耗低达0.4kg/万ct以下；本发明配方还具有较好的节能效果，降低了合成功率和合成压力；因不含对金刚石生长的不利元素，避免了对合成腔体的污染，提高了金刚石的合成质量。

Description

一种金刚石合成腔体的密封材料

技术领域

本发明属于金刚石合成技术领域，具体涉及一种金刚石合成腔体的密封材料。

背景技术

合成金刚石过程中，为了使合成块受到尽可能接近静水压的压力，应采用合适的材料来承担起密封、传压、保温等作用。业内现状和文献（例如陈天虎，王道轩，方啸虎，唐述培. 白云石内衬材料在合成金刚石传压密封介质中的作用.高压物理学报，2001：291-296）表明，传压和保温的需要可采用以白云石为主体成分的衬管来满足，高温高压密封的需要目前一般采用粘土矿物粉压块来满足。密封介质和传压介质可以看做两种相对独立的材料，本发明只涉及密封介质。在高温高压的使用条件下，粉压块边楞的一小部分被挤压进入顶锤的间隙内，当介质受的推挤力与介质流动阻力相等时，介质停止流动并形成密封层；介质流动阻力由内摩擦力与外摩擦力构成，内摩擦力即介质内部颗粒之间的摩擦力，外摩擦力即介质与顶锤表面的摩擦力。如果介质流动性太大，密封层太薄，泄压时介质回弹尺寸小于顶锤回撤的尺寸，这将导致卸压放炮；如果介质流动性太小，密封层太厚，则达到应有的合成效果需要消耗太多顶锤压力，更有甚者在介质内部结合脆弱之处出现裂缝而导致放炮。因此密封介质必须有适当的高温高压流动性，目前难以找到具有这样合适流动性的单种原料，一般是将高流动性原料与低流动性原料进行适当复配，并加入适当结合剂制成复配型（也可称为复合型）密封介质。

公开号为CN1243765A的发明专利申请记载的密封介质由75wt%叶腊石与25wt%添加剂组成，添加剂最佳重量份数之比为高岭石亚族矿粉:铝土矿粉:绿泥石粉:石英粉:氧化铁粉=20:40:20:16:4。其中，叶腊石、高岭石、铝土矿粉、绿泥石粉都属于高流动性的组分，石英与氧化铁属于低流动性的组分。石英在合成金刚石的加热保温期间有多种相变和晶粒体积变化，有时会降低密封介质的性能；氧化铁在高温缺氧的条件下会变为氧化亚铁同时体积收缩，导致密封性能削弱。

Cannon等申请的6338754号美国专利记载了：复配型密封材料典型配方是63.5wt%滑石，20.8wt%石榴石与15.7wt%水玻璃。Carter等申请的5858525号美国专利记载了：密封材料典型配方是滑石 69wt%、石英9wt%、锆英粉14wt%、水玻璃8wt%。石榴石的缺点是其组成及性能因产地不同而有很大差异；锆英石的缺点是来源稀缺、价格高。

公开号为CN101934208A的专利申请记载的金刚石合成用叶蜡石粉压块，由下述重量百分比的原料组成:叶蜡石粉80、铝土矿粉3-5、云母粉2-3、硅灰石粉2-3、辉绿石粉3-5、水玻璃7-7.5。硅灰石在高温下会部分分解为氧化钙与氧化硅，进而与密封层内的其他硅酸盐反应形成低熔点的物质导致密封层流动性提高而密封性能削弱。辉绿石科学的名称为辉绿岩，其成分与性能随产地或批次的不同而差异很大，这样不利于密封材料的工艺稳定和性能稳定。现有技术使用水玻璃为结合剂把矿物颗粒结合成粉压块，这使得密封介质的化学组成方面提高了氧化钠及氧化硅的含量。氧化钠是碱性很强的氧化物，在高温下容易促使硅酸盐矿物反应生成低熔点易流动的产物，这就削弱了低流动性原料应有的作用。

发明内容

为克服现有密封介质所用的石英、氧化铁、石榴石、锆英石、硅灰石、辉绿岩、水玻璃等原料的上述不足，本发明的目的在于提供一种不含对金刚石生长不利元素的金刚石合成腔体的密封材料。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种金刚石合成腔体的密封材料，原料组成为：层状硅酸盐矿物50-85wt%、莫来石4-40wt%、磷酸二氢铝溶液3-18wt%，其中磷酸二氢铝溶液的浓度按P₂O₅计不超过33wt%。

进一步，原料组成优选为：层状硅酸盐矿物63-81wt%、莫来石12-29wt%、磷酸二氢铝溶液7-8wt%，其中磷酸二氢铝溶液的浓度按P₂O₅计为20-33wt%。

较好地，所述层状硅酸盐矿物优选由70-75wt%的10-36目的粗粉和25-30w%的36目以细的细粉两部分组成。

较好地，细粉目数优选为36目以细180目以粗。

所述层状硅酸盐矿物为本领域技术人员的常规选择，本发明优选叶腊石、滑石或高岭石中的一种或其组合。

制备方法：首先将层状硅酸盐矿物、莫来石、磷酸二氢铝溶液混匀，混料完成后，经过压制成型、焙烧制得密封材料。

高压腔体密封介质的低流动性原料要求其晶粒剪切强度较高、硬度中等以上、熔点较高且熔化之前不分解，一般从那些高度致密的显晶质非金属矿物质中选择。本发明跳出从天然非金属矿物质中选择的旧框框，而从人工制造的非金属矿范围内选择莫来石粉作为高压腔体密封介质的低流动性原料，同时选用基本不含氧化钠及氧化硅的磷酸二氢铝代替现有技术所用的水玻璃结合剂。

莫来石的化学组成为3Al₂O₃·2SiO₂，斜方晶系，晶体呈柱状或针状，密度: 3.16g/cm³，莫氏硬度6-7；1800℃时仍很稳定，1810℃分解为刚玉和液相。莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小等优点。天然的莫来石较罕见，但可用铝土矿、高岭石等天然原料经过加热处理来大批量生产莫来石。

磷酸二氢铝也称为酸式磷酸铝或双氢磷酸铝，化学式为Al(H₂PO₄)₃，主要用作高温窑炉、陶瓷建筑、电气绝缘等材料的粘结剂。

本发明的创新点在于：采用莫来石粉代替现有技术所用的辉绿岩、石榴石、硅灰石、锆英石等低流动性原料；采用磷酸二氢铝代替现有技术所用的水玻璃结合剂；与现有技术采用的层状硅酸盐矿物一起，经过混料、压制成型、热处理等工序制备得到密封介质。

有益效果：

1、本发明制备的密封介质，腔体的高压密封性能有较大幅度提高，降低了“泄压气炮”几率，表现出在金刚石合成中具有较高的稳定性，安全性能明显提高，顶锤消耗低达0.4kg/万ct以下。

2、本发明配方还具有较好的节能效果，降低了合成功率和合成压力；因不含对金刚石生长的不利元素，避免了对合成腔体的污染，提高了金刚石的合成质量。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行举例说明，所用的原料及其产地分别为：河南锐石集团股份有限公司生产的标号M60的莫来石粉，产自浙江云和的叶腊石，产自河南方城县的滑石粉，产自郑州育才磷酸盐化工厂的磷酸二氢铝，使用之前加水配成按P₂O₅计不超过33wt%，更优选22-33wt%的溶液。

实施例1

开动混料机，依次加入粗叶腊石（10-36目）550kg，磷酸二氢铝溶液（33wt%）80kg，莫来石粉170kg；最后再加细叶腊石（36目以细180目以粗）200kg。混料完成后，经过压制成型、高温焙烧（600K，4小时）制得密封用的粉压块，其体密度为2.68-2.72g/cm³。

实施例2

开动混料机，依次加入粗滑石粉（10-36目）450kg，磷酸二氢铝溶液（28wt%）80kg，莫来石粉290kg；最后再加细叶腊石（36目以细180目以粗）180kg。混料完成后，经过压制成型、高温焙烧（600K，4小时）制得密封用的粉压块，其体密度为2.56-2.61g/cm³。

实施例3

开动混料机，依次加入粗叶腊石（10-36目）600kg，磷酸二氢铝溶液（22wt%）70kg，莫来石粉120kg；最后再加细叶腊石（36目以细180目以粗）210kg。混料完成后，经过混料、压制成型、高温焙烧（600K，4小时）制得密封用的粉压块，其体密度为2.65-2.71g/cm³。

应用观察实验：

将本发明实施例1-3产品同单纯用北京门头沟叶蜡石密封材料（组成：北京门头沟叶蜡石，外加水玻璃6wt%，即100公斤的北京门头沟叶蜡石需要添加6公斤的水玻璃）进行应用对比实验。本实验利用中南钻石公司Φ550缸径六面顶金刚石压机，合成块尺寸为62*62*Φ45，焙烧工艺一致（600K，4小时）；合成时间1500秒，单次产量都控制为平均130克拉，实验观察结果见下表

	实施例1	实施例2	实施例3	门头沟料
					合成次数	20050	18502	22420	42435
保压放炮次数	0	0	0	2
					泄压放炮次数	10	9	10	25
合成压力（油压MPA）	93.5	95	94	95
					合成功率（KW）	4.50	4.35	4.48	4.55
顶锤消耗(kg/万ct)	0.3	0.3	0.38	0.45

结果表明：

2、上表还可看出本发明配方还具有较好的节能效果，降低了合成功率和合成压力；因不含对金刚石生长的不利元素，避免了对合成腔体的污染，提高了金刚石的合成质量。

Claims

1.一种金刚石合成腔体的密封材料，其特征在于原料组成为：层状硅酸盐矿物50-85wt%、莫来石4-40wt%、磷酸二氢铝溶液3-18wt%，其中磷酸二氢铝溶液的浓度按P₂O₅计不超过33wt%。

2.如权利要求1所述的金刚石合成腔体的密封材料，其特征在于原料组成为：层状硅酸盐矿物63-81wt%、莫来石12-29wt%、磷酸二氢铝溶液7-8wt%，其中磷酸二氢铝溶液的浓度按P₂O₅计为20-33wt%。

3.如权利要求1所述的金刚石合成腔体的密封材料，其特征在于：所述层状硅酸盐矿物由70-75wt%的10-36目的粗粉和25-30w%的36目以细的细粉两部分组成。

4.如权利要求3所述的金刚石合成腔体的密封材料，其特征在于：细粉目数为36目以细180目以粗。

5.如权利要求1所述的金刚石合成腔体的密封材料，其特征在于：所述层状硅酸盐矿物为叶腊石、滑石或高岭石中的一种或其组合。

6.一种制备如权利要求1~5之任意一项所述的金刚石合成腔体的密封材料的方法，其特征在于：首先将层状硅酸盐矿物、莫来石、磷酸二氢铝溶液混匀，混料完成后，经过压制成型、焙烧制得密封材料。