CN109966992B - 一种制备人造金刚石合成柱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备人造金刚石合成柱的方法，属于超硬材料合成技术和特殊新材料制备技术领域。该方法包括将触媒粉末与母粉混合，然后利用整形机进行球化，使母粉颗粒压入或嵌入触媒颗粒表面；球化后的触媒粉末与石墨粉混合，形成具有石墨包覆的复合触媒颗粒；复合触媒颗粒中再次加入石墨粉，利用三维混料机充分混匀；将混合均匀的粉料，选择模具利用四柱压机压制成合成柱；将合成柱进行真空热处理，再经二次压制整形后进行组装，得到合成单元。利用该方法制备的合成柱所合成的人造金刚石晶形完整、生长均匀、孪晶少、品级高。

Description

一种制备人造金刚石合成柱的方法

技术领域

本发明公开一种制备人造金刚石合成柱的方法，具体是一种将触媒粉末、母粉和石墨粉均匀混合制备优质人造金刚石合成柱的方法。本发明涉及金属粉末与非金属粉末均匀混合的方法，属于超硬材料合成技术和特殊新材料制备技术领域。

背景技术

目前的人造金刚石合成柱是利用粉末混合，即以一定比例的触媒粉末加入母粉(形核剂，粉末状)与充足的石墨粉一起混合，再经多次的等静压和模压后制备成合成柱，经过真空热处理、整形和组装后进行金刚石合成。传统的合成柱制备方法如图1所示，是将母粉、石墨和触媒混合进行配料，混料，经多次等静压，粉碎，模压成型，然后依次经真空处理，二次压制，得到合成柱，再将合成柱和加热辅件组装，得到合成单元。

合成柱的构成材料中，触媒粉末的形貌大多是近球形、水滴状或片状，母粉是更加细小的颗粒状，石墨粉是鳞片状。触媒材料的形态对合成人造金刚石的结果有较大影响，母粉的分布决定了人造金刚石形核的均匀性和生长状况，触媒与石墨的接触状况决定了形核后人造金刚石晶体的生长环境。

由于触媒粉末、母粉和石墨粉末在粒度组成、颗粒密度、颗粒形状方面存在差异，如何将它们均匀混合并持续保持均匀状态是制备合成柱的关键。成分偏析、形核不均、碳源不足是影响人造金刚石合成效果和稳定性的主要瓶颈，为此，目前制备合成柱时必须进行多次的混合和冷等静压造粒、破碎、再压制成型等工序，工序比较复杂。为了解决上述问题，目前行业上均是采用延长混料时间、多次等静压破碎、造粒等方法解决，工艺复杂、效率低且均匀性不能保证。

关于人造金刚石合成柱制备的详细工艺和专利技术相关报道很少，可查到的专利大多是关于组装结构设计或改进的内容，例如，CN204724131U公开了一种大颗粒金刚石组装结构的设计方法；专利CN 105921076公开了一种绿色人造金刚石的制备方法，其中提到合成柱的制备，只是简单提及并没详述其制备方法。另外一些粉末冶金技术方面的专利，例如，CN100569698C公开了一种石墨-金属复合散热材料及其制备方法，是利用石墨粉与填料混合均匀后再利用电镀的方法制备；CN106077622 A公开了一种易操作、低成本的石墨烯包覆金属基复合粉末的气相沉积制备方法等。

发明内容

本发明利用整形设备和特定的流程方法，实现了触媒粉末、母粉和石墨粉的均匀混合，进一步简化了合成柱制备过程，保证了合成柱内触媒颗粒、母粉和石墨粉的分布均匀性，为制备高质量的合成柱奠定了良好基础。

本发明提出了一种利用整形设备对触媒粉末和母粉的混合物进行球化整形的方法，在整形过程中，将母粉颗粒压入或嵌入触媒颗粒的表面来实现触媒和母粉的充分混合，然后将混匀的触媒-母粉混合粉末按照一定的重量比加入少量粘接介质后与少部分石墨粉先混合，以形成拥有石墨包覆的触媒-母粉的复合颗粒，利用制备的复合颗粒再与其余量的石墨粉二次混合，然后利用混匀的石墨、触媒混合物压制合成柱，经真空热处理后进行二次整形，然后进行人造金刚石的合成。

本发明方法包括触媒与母粉的混合球化整形；整形后的触媒与石墨粉的一次包覆；与其余量的石墨粉的二次混匀；合成柱的模压压制和真空热处理、二次压制整形。利用该方法制备的合成柱经组装后合成的人造金刚石晶形完整、生长均匀、孪晶少、品级高。

一种制备人造金刚石合成柱的方法，可实现触媒粉末、母粉和石墨粉均匀混合，包括如下步骤：

(1)触媒粉末与母粉的混合球化：将触媒粉末与母粉混合，然后利用整形机进行球化，使母粉颗粒压入或嵌入触媒颗粒表面，得到球化后的触媒粉末；

(2)球化后的触媒与石墨粉的一次包覆：球化后的触媒粉末与石墨粉混合，形成具有石墨包覆的复合触媒颗粒；

(3)二次混料，即与石墨粉二次混合：复合触媒颗粒中再次加入石墨粉，利用三维混料机充分混匀；

(4)合成柱的压制：将上述混合均匀的粉料，选择模具利用四柱压机压制成合成柱；

(5)热处理和组装：合成柱进行真空热处理，再经二次压制整形后进行组装得到合成柱，制备的合成柱可用于人造金刚石的合成。

步骤(1)中，所述的触媒粉末成分包括FeNi30、FeNi29Co1、Ni70Mn30、FeNi25Mn5、FeMn25Ni5、FeMn30、FeNi25、NiMn25等中的任一种，但不限于所列举的合金组成；所述的母粉是一种人造金刚石专用形核剂，由粒度较细的金属或非金属颗粒组成；可以采用现有种类和组成的形核剂，也可以采用由单晶金刚石粉(金刚石仔晶粉)、超细钴粉和超细铬粉等按一定比例混合而成的母粉。优选的母粉由单晶金刚石粉、超细钴粉和超细铬粉组成，其中单晶金刚石粉40-60wt％，超细钴粉20-30wt％，超细铬粉20-30wt％；单晶金刚石粉的粒度为-500目，超细钴粉的粒度为-600目，超细铬粉的粒度为-600目，混合均匀；母粉的添加量为触媒粉末重量的0.1％～1.5wt％。

优选的，触媒粉末的粒径为-200目，石墨粉的粒径为-300目，母粉的粒径为-500目。

利用整形机进行混合球化，将母粉颗粒压入或嵌入触媒颗粒表面，实现触媒颗粒与母粉颗粒的结合；所述的整形机是VH-10型变频粉末整形机，可实现金属颗粒的球化，在球化过程中使触媒与母粉结合。球化工艺参数如下：整形盘转速为500～1500转/分钟，球化时间为100～200分钟。

步骤(2)中，球化后的触媒粉末与石墨粉混合时，混合物中石墨粉的加入量为2～20wt％；还可以同时加入一定量的液体介质(例如乙二醇、酒精等)，作为粉末粘接剂，加入量为0.1～2wt％(占触媒粉末重量的百分比)。

步骤(3)中，复合触媒颗粒中再次加入石墨粉，步骤(2)和步骤(3)中，总计加入的石墨粉与触媒粉末的总体比例控制在一定范围，优选的，两次加入的石墨粉总量与触媒粉末的重量比在6：4至7：3之间。还可以同时加入一定量的液体介质，例如乙二醇、酒精等，液体混粉介质的加入量为0.1～2wt％(总体重量)。

步骤(4)中，利用200吨以上吨位的四柱压机，选择合适的模具压制合成柱，使合成柱致密化。

步骤(5)中，所述的合成柱的真空热处理条件为：真空度优于8.0×10^-2Pa，温度为1050～1150℃，热处理时间为10-16小时。

所说的组装是指合成单元的组装，合成是指利用六面顶压机，选择一定的工艺条件对合成柱进行人造金刚石的转化。

本发明提出的触媒粉末、母粉和石墨粉均匀混合制备优质合成柱的方法，包括如下具体步骤：

(1)材料准备：选取目前常用的FeNi29Co1或FeNi30水雾化触媒-200目粉末，母粉粉末，高纯度、-300目的石墨粉，液体混粉介质：乙二醇。

(2)触媒与母粉的混合球化：称取定量触媒，配入0.1％～1.5％wt母粉(占触媒重量的百分比)，利用整形机进行球化混合，可以调节整形盘的转速和时间来实现触媒颗粒的球化，在球化过程中实现触媒颗粒与母粉颗粒的结合；

(3)球化后的触媒与石墨粉的一次包覆：球化整形完毕后，加入0.1～2wt％(占触媒重量比例)液体混粉介质后再与2～20％重量比例的石墨混合，调整整形盘的转速和时间，实现石墨粉对触媒粉颗粒的包覆，得到复合触媒颗粒；

(4)二次混料，也即复合触媒颗粒与其余石墨粉的混合：按照石墨与触媒一定的构成比例，例如6:4至7:3等，称取其余的石墨粉，加入三维混料机，与上述已处理的复合触媒颗粒进行充分混匀；

(5)合成柱的压制：利用上述混合好的粉料，选择合适的模具，利用200吨以上吨位的四柱压机压制成所需要的合成柱，例如Φ52×48mm、Φ56×50mm等尺寸；

(6)合成柱真空热处理条件：真空度优于8.0×10^-2Pa，1050～1150℃，10-16小时，冷却后二次整形，进行合成单元组装，待用；

(7)六面顶压机合成，选择合适的工艺参数进行合成，提纯处理后得到人造金刚石。

本发明为制备人造金刚石合成柱提供了一种工序简单、效果好的制备方法，具有如下特点：(1)触媒颗粒与母粉接合良好，周围碳源充足；(2)混料分层状况得到改善，简化工序流程，节省工艺时间；(3)触媒颗粒完全分开，有利于减少人造金刚石孪晶的出现；(4)触媒和母粉颗粒的复合球化，有利于金刚石形核后合成柱中温度场、压力场的稳定，保证工艺参数易控和可重复性。利用该方法制备的合成柱，合成出的金刚石晶型完整、孪晶少、品级高。

附图说明

图1为传统的合成柱制备方法流程图。

图2为本发明制备优质合成柱的方法流程图。

图3为FeNi30触媒粉末和母粉的结合及石墨包覆示意图。

图4为制备的FeNi30触媒粉末和母粉与石墨粉包覆(即复合触媒颗粒)的SEM形貌图。

图5为金刚石合成柱。

图6为利用本发明制备的合成柱合成的40/45人造金刚石形貌。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下结合实施例进一步说明本发明的内容，实施例只是对本发明的说明而不是对本发明的进一步限定，本领域的技术人员根据本发明内容进行的一些非本质的改进和调整，均属于本发明方法的保护范围。

如图2所示，本发明制备优质合成柱的方法流程为：触媒+母粉球化，一次包覆，二次混料，模压成型，真空处理，二次压制，制备合成柱，合成柱与加热辅件组装成合成单元。其具体制备步骤如下：

(1)触媒粉末与母粉的混合球化：称取一定重量触媒粉末，配入0.1％～1.5％wt母粉，利用整形机进行混合球化，实现触媒颗粒与母粉颗粒的结合；

(2)球化后的触媒与石墨粉的一次包覆：球化整形完毕后，加入0.1～2wt％液体混粉介质后，与2～20％重量比例的石墨粉混合，实现石墨粉对触媒粉颗粒的包覆，得到复合触媒颗粒；

(3)二次混料，即与其余石墨粉的混合：按照石墨与触媒一定的构成比例，例如6:4至7:3等，称取其余的石墨粉，加入三维混料机，与上述包覆好的复合触媒颗粒进行充分混匀；

(4)合成柱的压制：利用上述混合好的粉料，选择合适的模具利用200吨以上吨位的四柱压机压制成所需要尺寸的合成柱；

(5)合成柱真空热处理后经二次压制整形后转组装、合成工序。

实施例1

称取合金成分为FeNi30、粒度-200目的触媒粉末50公斤，母粉(-500目金刚石仔晶粉50wt％、-600目的超细钴粉25wt％、-600目的超细铬粉25wt％混合均匀)0.4公斤，放入VH-10整形机中，调整整形转速为1000转/分钟，时间100分钟，得到球化后的触媒粉末；如图3所示，为FeNi30触媒粉末和母粉的结合及石墨包覆示意图，母粉颗粒被压入或嵌入触媒颗粒表面；然后取0.5公斤的乙二醇放入球化好的触媒中搅拌均匀，然后放入10公斤石墨粉，调整转速为500转/分钟，混合180分钟后得到复合触媒颗粒，如图4所示，为FeNi30触媒颗粒与石墨包覆(即复合触媒颗粒)的照片，从图4可见，石墨粉比较均匀的包覆在触媒颗粒周围，避免了触媒颗粒的互相粘连。再称取65公斤的石墨粉与复合触媒颗粒一起加入三维混料机，使触媒和石墨的重量比达到4:6，加入1公斤的乙二醇，混合200分钟后得到均匀的触媒和石墨混合粉；利用200吨的四柱压机，选择Φ56mm腔体模具，称取310克混合粉，模压成型后得到Φ56×50mm的合成柱，重复以上压制工序，收集合成柱后转入热处理工序，真空热处理条件是，真空度达到5.0×10^-2Pa、1050～1150℃、保温12小时；取出进行二次压制后组装，转合成工序。

实施例2

称取合金成分为FeNi29Co1、粒度-200目的触媒粉末60公斤，母粉(-500目金刚石仔晶粉60wt％、-600目的超细钴粉20wt％、-600目的超细铬粉20wt％混合均匀)0.5公斤，放入VH-10整形机球化，调整转速为900转/分钟，时间120分钟，得到球化后的触媒粉末；然后取0.6公斤的乙二醇放入整形好的触媒中搅拌均匀，然后放入12公斤石墨粉，调整转速为500转/分钟，混合180分钟后取出放入三维混料机，再称取99.4公斤的石墨粉加入三维混料机，使触媒和石墨的重量比达到3.5：6.5，加入1.5公斤的乙二醇，混合220分钟后得到均匀的触媒和石墨混合粉；利用200吨四柱压机，选择Φ56mm腔体模具，称取305克混合粉，充分压实后得到Φ56×50mm的合成柱，重复以上压制工序，收集后转入热处理工序，真空热处理条件是，真空度达到5.0×10^-2Pa、1050～1150℃、保温12小时；取出进行二次压制后组装，转合成工序。

实施例3

称取合金成分为FeNi25Mn5、粒度-325目的触媒粉末75公斤，母粉(-500目金刚石仔晶粉40wt％、-600目的超细钴粉30wt％、-600目的超细铬粉30wt％的混合粉)0.8公斤，放入VH-10整形机中，调整整形转速为800转/分钟，整形150分钟，得到球化后的触媒粉末；然后取0.8公斤的乙二醇放入整形好的触媒中搅拌均匀，然后放入15公斤石墨粉，调整转速为500转/分钟，混合180分钟后取出放入三维混料机，再称取160公斤的石墨粉加入三维混料机，使触媒和石墨的重量比达到3：7，加入1.8公斤的乙二醇，混合250分钟后得到均匀的触媒和石墨混合粉；利用200吨四柱压机，选择Φ56mm腔体模具，称取300克混合粉，充分压实后得到Φ56×50mm的合成柱，重复以上压制工序，收集后转入热处理工序，真空热处理条件是，真空度达到5.0×10^-2Pa、1050～1150℃、保温12小时；取出进行二次压制后组装，转合成工序。

应用实施例：利用实施例2制备的合成柱，如图5所示，进行人造金刚石合成，合成工艺参数如下：加热时间30分钟，加热功率60～80kva，保压压力90～100MPa；对合成棒进行酸洗处理得到制备的人造金刚石，图6所示为得到的40/45粒度的人造金刚石形貌，从图6可以看到，合成的金刚石，晶形完整，透明度高，晶内杂质少。

通过以上应用实施例可以看到，本发明方法制备的人造金刚石合成柱，工序简单，合成柱内触媒粉末、母粉和石墨粉分布均匀，触媒颗粒整形后既能保证与母粉良好的结合，又能保证与石墨颗粒的最大接触，利用该合成柱合成的金刚石具有以下优点：①金刚石生长完整、晶型好，孪晶颗粒少；②金刚石粒度集中度高，透明度好，高强比例高；③工艺稳定，易调整，重复性好。

Claims (10)

1.一种制备人造金刚石合成柱的方法，包括如下步骤：

(1)触媒粉末与母粉的混合球化：将触媒粉末与母粉混合，然后利用整形机进行球化，使母粉颗粒压入或嵌入触媒颗粒表面；所述的母粉由单晶金刚石粉、超细钴粉和超细铬粉组成，单晶金刚石粉为40-60wt％，超细钴粉为20-30wt％，超细铬粉为20-30wt％；

(2)一次包覆：球化后的触媒粉末与石墨粉混合，同时加入占触媒粉末重量0.1％～2wt％的乙二醇或酒精，形成具有石墨包覆的复合触媒颗粒；

(3)二次混料：复合触媒颗粒中再次加入石墨粉，充分混匀；

(4)合成柱的压制：将混合均匀的粉料，选择模具，利用四柱压机压制成合成柱；

(5)热处理和组装：将合成柱进行真空热处理，再经二次压制整形后进行组装，得到合成单元。

2.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述的触媒粉末为FeNi30、FeNi29Co1、Ni70Mn30、FeNi25Mn5、FeMn25Ni5、FeMn30、FeNi25和NiMn25中的任一种。

3.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述的单晶金刚石粉的粒度为-500目，超细钴粉的粒度为-600目，超细铬粉的粒度为-600目。

4.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述的整形机是VH-10型变频整形机。

5.根据权利要求4所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述整形机的整形盘转速为500～1500转/分钟，球化时间为100～180分钟。

6.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述母粉的添加量为触媒粉末重量的0.1％～1.5wt％。

7.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：球化后的触媒粉末与石墨粉初次混合时，石墨粉的加入量为2～20wt％。

8.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中，两次加入的石墨粉总量与触媒粉末的重量比在6：4至7：3之间。

9.根据权利要求8所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：步骤(3)中，再次加入石墨粉的同时还加入占总重量0.1％～2wt％的乙二醇或酒精。

10.根据权利要求1所述的制备人造金刚石合成柱的方法，其特征在于：所述的合成柱的真空热处理条件为：真空度优于8.0×10^-2Pa，温度为1050～1150℃，热处理时间为10-16小时。

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