CN112915922A

CN112915922A - 一种超细金刚石的原生合成方法

Info

Publication number: CN112915922A
Application number: CN202110110811.7A
Authority: CN
Inventors: 杨西滨; 陈卫民; 何文嵩; 黄灵利; 崔行宇; 许国峰
Original assignee: Shandong Changrun Diamond Co ltd
Current assignee: Shandong Changrun Diamond Co ltd
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-06-08

Abstract

本发明涉及人造金刚石技术领域，尤其为一种超细金刚石的原生合成方法，其方法包括如下步骤：将超细高纯石墨粉、超细Co基合金触媒粉末和分散溶剂混合，经高速混合湿法造粒机造粒，得到颗粒混合料，将颗粒混合料加入模具中压制得到芯柱；将所得芯柱置于高温真空炉中去除分散溶剂、氧等杂质；本发明合成的超细金刚石，其晶型以圆晶为主，晶面完整度高，可以提高超细金刚石单晶的纯度，合成的超细金刚石能够替代机械方法破碎得到的超细金刚石，成本低，满足精加工磨具的使用要求，所用的原料为超细粉料，普通机械混料方式无法混料均匀，同时采用湿法混料方式，添加无毒环保试剂，在保证混料均匀的要求下，满足生产安全标准。

Description

一种超细金刚石的原生合成方法

技术领域

本发明涉及人造金刚石技术领域，具体为一种超细金刚石的原生合成方法。

背景技术

细颗粒金刚石单晶作为当今的超硬精细磨料，广泛应用于机械、电子、航天、光学仪器、石油、军工等领域和部门，是研磨抛光硬质合金、陶瓷、宝石、光学玻璃等高硬度材料的理想材料，尤其是40μm以细超细颗粒金刚石在磁头、激光发射器、特种光学玻璃、半导体基片和航空发动机等高精度的表面抛光磨削加工领域具有极大的应用需求，统计显示超细颗粒金刚石的年耗用量在20亿克拉以上，且以每年20％以上的速度迅速增长，市场潜力巨大。

目前在1～40μm粒度范围金刚石合成方面，尚存在一定的技术困难，还不能大规模有效地合成出粒度1～40μm的优质细颗粒金刚石单晶。现工业上所需的1～40μm的细颗粒金刚石，几乎都是以机械破碎的方法来制备。这样的方法需要花费大量的人力、物力和时间，而且经过破碎的金刚石，尽管经过适当的整形处理，仍然不能获得比例高的圆晶超细金刚石，且颗粒形状比较杂乱，成本较高，难以满足精密抛光的要求，为此我们提出一种可以开发出优质超细金刚石产品的超细金刚石原生合成方法来解决此问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超细金刚石的原生合成方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超细金刚石的原生合成方法，其方法包括如下步骤：

(1)准备Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉，其中合金触媒粉末的成分为：Fe:30-60％,Ni：10～30％，Al：0.1～2％，Ti：0.1～2％，Cu：0.1～2％，Nb：0.1～2％，余量为Co，湿法混料分散剂选择为环保无毒试剂；

(2)将步骤(1)中的原料加入高速混合湿法造粒机中混合造粒，得到100目以内的细颗粒混合料；

(3)将步骤(2)所得的颗粒混合料加入模具中，采用四柱压机压制得到芯柱；

(4)将步骤(3)所得芯柱置于高温真空炉中，去除分散溶剂、氧等杂质，出炉后真空包装；

(5)将步骤(4)所得芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力和温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成，实际合成压力高于普通金刚石的合成压力，从而能够合成超细金刚石。

优选的，所述步骤(1)中，Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉的目数均小于800目，且高纯石墨粉的杂质含量小于20ppm。

优选的，所述步骤(1)中，分散剂为碳酸二甲酯、正溴丙烷、乙二醇苯醚和丁二酸二甲酯中的任意一种或多种。

优选的，所述步骤(5)中，原生合成方法合成超细金刚石的实际合成压力比普通金刚石的合成压力高20％～40％。

优选的，所述步骤(5)中，六面顶压机的压力设定为：将六面顶压机以大于2MPa的速度从0加压到55～60MPa开始加热，停止加压，保持150～300秒后继续加压，并将压力在10～20秒内加压至80～85MPa，停止加压，保持20～100秒，再将压力在5～10秒内提高到100～110MPa，保持10～80秒，然后自然卸压完成。

优选的，所述步骤(5)中，六面顶压机的功率设定为：起始功率为3000～3500W，将功率在50～150秒内上调至6500～7200W，保持130～180秒，然后将功率在5～15秒内下调至5500～6200W，保持20～40秒，然后将功率在5～15秒内上调至5600～6300W，然后将功率在40～80秒内降至4600～5300W，然后自然降温完成。

优选的，所述步骤(5)中，超细金刚石主粒度范围为1～40μm，超细金刚石比例≥80％，单晶比≥75％。

优选的，所述步骤(5)中，超细金刚石的晶型以圆晶为主。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明合成的超细金刚石，其晶型以圆晶为主，晶面完整度高，合成的超细金刚石能够替代机械方法破碎得到的超细金刚石，成本低，满足精加工磨具的使用要求。

本发明中所用的原料为超细粉料，普通机械混料方式无法混料均匀，采用湿法混料方式，添加无毒环保试剂，在保证混料均匀的要求下，满足生产安全标准。

本发明向合金触媒粉末中添加少量的Al和Ti有利于控制金刚石的成核，避免超细金刚石合成过程因成核较多产生的团聚，另添加少量Cu和Nb有利于金刚石合成过程中杂质的排出，提高超细金刚石单晶的纯度。

附图说明

图1～2为原生合成方法合成的超细金刚石扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种超细金刚石的原生合成方法，其方法包括如下步骤：

(1)准备Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉，其中合金触媒粉末的成分为：Ni：5.0％，Al：0.8％，Ti：0.2％，Cu：0.3％，Nb：0.2％，余量为Co，Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉的目数均小于800目，且高纯石墨粉的杂质含量小于20ppm，分散剂的选择为正溴丙烷。

(2)将步骤(1)中的原料加入高速混合湿法造粒机造粒中混合，得到100目以内的细颗粒混合料；

(4)将步骤(3)所得芯柱置于高温真空炉中，将所得芯柱置于高温真空炉中去除分散溶剂、氧等杂质，出炉后真空包装；

(5)将步骤(4)所得芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力和温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成，实际合成压力比普通金刚石的合成压力高30％，从而能够合成超细金刚石；

其中六面顶压机的压力设定为：将六面顶压机以2～3MPa的速度从0加压到60MPa开始加热，停止加压，保持250秒后继续加压，并将压力在10秒内加压至85MPa，停止加压，保持80秒，再将压力在5秒内提高到100MPa，保持40秒，然后自然卸压完成；

六面顶压机的功率设定为：起始功率为3000W，然后将功率在120秒内上调至7000W，保持150秒，然后将功率在10秒内下调至6000W，保持40秒，然后将功率在15秒内上调至6200W，然后将功率在50秒内降至5200W，然后自然降温完成。

原生合成方法合成超细金刚石主粒度范围为10～20μm，比例达到80～85％，单晶比达75～85％，其中超细金刚石的晶型以圆晶为主，比例达到90～95％以上，晶面完整度高。

实施例2：

一种超细金刚石的原生合成方法，其方法包括如下步骤：

(1)准备Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉，其中合金触媒粉末的成分为：Fe:30-60％,Ni：10～30％，Al：0.1～2％，Ti：0.1～2％，Cu：0.1～2％，Nb：0.1～2％，余量为Co，Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉的目数均小于800目，且高纯石墨粉的杂质含量小于20ppm，分散剂的选择为乙二醇苯醚和正溴丙烷。

(5)将步骤(4)所得芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力和温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成，实际合成压力比普通金刚石的合成压力高25％，从而能够合成超细金刚石；

其中六面顶压机的压力设定为：将六面顶压机以3MPa的速度从0加压到55MPa开始加热，停止加压，保持260秒后继续加压，并将压力在10秒内加压至80MPa，停止加压，保持70秒，再将压力在5秒内提高到105MPa，保持50秒，然后自然卸压完成；

六面顶压机的功率设定为：起始功率为3200W，然后将功率在100秒内上调至7000W，保持180秒，然后将功率在15秒内下调至5800W，保持40秒，然后将功率在15秒内上调至6000W，然后将功率在45秒内降至5050W，然后自然降温完成。

原生合成方法合成超细金刚石主粒度范围为5～18μm，比例达到80～90％，单晶比达78～85％，其中超细金刚石的晶型以圆晶为主，比例达到90～96％，晶面完整度高。

实施例3：

一种超细金刚石的原生合成方法，其方法包括如下步骤：

(1)准备Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉，其中合金触媒粉末的成分为：Fe:30-60％,Ni：10～30％，Al：0.1～2％，Ti：0.1～2％，Cu：0.1～2％，Nb：0.1～2％，余量为Co，Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉的目数均小于800目，且高纯石墨粉的杂质含量小于20ppm，分散剂的选择为丁二酸二甲酯。

(5)将步骤(4)所得芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力和温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成，实际合成压力比普通金刚石的合成压力高40％，从而能够合成超细金刚石；

其中六面顶压机的压力设定为：将六面顶压机以3MPa的速度从0加压到62MPa开始加热，停止加压，保持300秒后继续加压，并将压力在20秒内加压至83MPa，停止加压，保持80秒，再将压力在10秒内提高到110MPa，保持60秒，然后自然卸压完成；

六面顶压机的功率设定为：起始功率为3500W，然后将功率在150秒内上调至7200W，保持180秒，然后将功率在15秒内下调至6200W，保持30秒，然后将功率在15秒内上调至6300W，然后将功率在80秒内降至5300W，然后自然降温完成。

原生合成方法合成超细金刚石主粒度范围为15～30μm，比例达到85～92％，单晶比达80～87％，其中超细金刚石的晶型以圆晶为主，比例达到90～96％，晶面完整度高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：其方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(1)中，Co基合金触媒粉末和高纯石墨粉的目数均小于800目，且高纯石墨粉的杂质含量小于20ppm。

3.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(1)中，分散剂为碳酸二甲酯、正溴丙烷、乙二醇苯醚和丁二酸二甲酯中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(5)中，原生合成方法合成超细金刚石的实际合成压力比普通金刚石的合成压力高20％～40％。

5.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(5)中，六面顶压机的压力设定为：将六面顶压机以大于2MPa的速度从0加压到55～60MPa开始加热，停止加压，保持150～300秒后继续加压，并将压力在10～20秒内加压至80～85MPa，停止加压，保持20～100秒，再将压力在5～10秒内提高到100～110MPa，保持10～80秒，然后自然卸压完成。

6.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(5)中，六面顶压机的功率设定为：起始功率为3000～3500W，将功率在50～150秒内上调至6500～7200W，保持130～180秒，然后将功率在5～15秒内下调至5500～6200W，保持20～40秒，然后将功率在5～15秒内上调至5600～6300W，然后将功率在40～80秒内降至4600～5300W，然后自然降温完成。

7.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(5)中，超细金刚石主粒度范围为1～40μm，超细金刚石比例≥80％，单晶比≥75％。

8.根据权利要求1所述的一种超细金刚石的原生合成方法，其特征在于：所述步骤(5)中，超细金刚石的晶型以圆晶为主。