粉末觸媒、石墨配比對合成金剛石質量的影響＊

鄧福銘,劉瑞平,張華,劉曉慧,張丹,王強,趙曉凱

(中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083)

1 前言

近年來生產粉末觸媒用Ni的價格不斷上漲,這直接導致了粉末觸媒價格的提高,從而對金剛石生產廠家的經濟效益產生影響。

目前國內大部分生產廠家都使用(Fe70Ni30)30G70粉末觸媒合成棒合成金剛石,而對為什么使用這種配比的合成棒進行金剛石合成的研究文獻并不多[1-3]。合成棒中觸媒含量的高低直接影響合成金剛石的生產成本,從而進一步對金剛石生產廠家的經濟效益產生影響,那么合成棒中粉末觸媒含量的減少或者增加能否進一步改善合成金剛石的質量呢?本文通過研究合成棒中粉末觸媒含量對合成金剛石的單產、粒度、晶形、顏色、強度以及沖擊韌性(TI)、熱沖擊韌性(TTI)的影響,進一步分析了觸媒含量對合成金剛石質量的影響,以期推動我國金剛石行業的發展。

2 實驗原材料與實驗方法

本文中實驗所用Fe、Ni粉末的主要成分及其性能見表1。本實驗所用粉末觸媒合成棒的具體配方設計見表2,即采用Fe70Ni30粉末作為粉末觸媒,與石墨進行不同的配比(即觸媒與石墨的配比分別為2∶8、3∶7、4∶6)后在相同的制棒工藝下進行混料、壓制、并經高溫真空處理后采用同一組裝工藝進行組裝,之后在國產Φ550mm缸徑(6×22000kN)六面頂壓機上采用同一種合成工藝進行對比合成實驗。

表1 實驗所用Fe、Ni粉末的主要成分Table 1 The main compositions of Fe and Ni powder used in the experiment

表2 粉末觸媒合成棒配方設計Table 2 The ratio of catalyst pow der and graphite designed in the experiments

高溫高壓合成實驗后首先對合成棒進行酸洗提純,對提取出的金剛石進行篩分,然后在體式光學顯微鏡下觀察合成金剛石的晶形、顏色等;在YTDS-II型金剛石強度微機測量儀上測定40顆金剛石的抗壓強度負荷,求得其平均抗壓強度負荷;在國外某型號抗沖擊韌性儀上測量合成金剛石的TI值、TTI值等。

3 實驗結果與討論

(1)粉末觸媒、石墨配比對合成金剛石單產的影響

表3 高溫高壓合成金剛石的單產Table 3 Yield of diamond synthesized by HP/H T

表3為三種不同配比的合成棒經高溫高壓合成后的單產。從表中可以看出,相對于I-2#而言,當觸媒含量從30%減少到20%時(I-1#),金剛石的產量由61.7ct降低到50.5ct,降幅達22.18%;當觸媒含量從30%增大到40%時(I-3#),金剛石的產量降低了4.8%。這表明觸媒含量在合成棒中有一個最佳含量,約為30%左右。這可能是由于觸媒含量過少過多都會影響金剛石外金屬包膜的形成,進而對合成金剛石的單產造成影響。

(2)粉末觸媒、石墨配比對合成金剛石粒度、晶形的影響

不同配比的合成棒所得金剛石的粒度分布見表4。從表中可以看出,當觸媒含量為20%(I-1#)時,40/60目金剛石所占比例僅為63.33%,比觸媒含量為30%(I-2#)和40%(I-3#)時40/60目金剛石所占比例分別低12.21%和11.49%;且I-1#中60目以細的金剛石所占比例明顯低于I-2#和I-3#。這可能是由于I-1#觸媒含量偏低,已經影響到了金屬包膜的厚度,使得部分金剛石在形核之后的生長過程中由于金屬包膜過薄而易于破裂,無法繼續生長。

表4 不同配比的合成棒高溫高壓合成金剛石粒度分布Table 4 The grain distribution of diamond synthesized by HP/HT

(3)粉末觸媒、石墨配比對合成金剛石晶形及顏色的影響

圖1 高溫高壓合成金剛石的顯微照片(a)Ⅰ-1#;(b)Ⅰ-2#;(c)Ⅰ-3#;(d)Ⅰ-4#Fig.1 Themicrographs of the diamond synthesized under HP/HT

在體式光學顯微鏡下對所得金剛石進行觀察,其樣品典型顯微照片如圖1所示。通過圖1所示金剛石單晶形貌觀察可知,不同配比合成棒合成的金剛石單晶顏色均為金黃色,且各單晶的(100)面和(111)面均發育較好,為典型的六-八面體結構。

(4)對金剛石抗壓強度、TI、TTI值的影響

不同粉末觸媒、石墨配比的合成棒合成金剛石的平均抗壓強度見表5。從表中可以看出,I-2#比I-1#、I-3#稍高,而I-1#與I-3#平均抗壓強度基本相等。這表明在觸媒成分固定時改變合成棒中觸媒與石墨的配比也會影響金剛石的平均抗壓強度。

表5 高溫高壓合成金剛石40/60目的平均抗壓強度Table 5 The average compressive strength of the 40/60 mesh diamond synthesized under HP/HT

表6為不同觸媒含量的合成棒經高溫高壓合成金剛石的TI、TTI值。從表中可以看出,當觸媒成分固定時,隨著合成棒中觸媒含量的增加,所得金剛石的TI值隨之增加;TTI值隨觸媒含量的增加先增加后降低,即在觸媒含量為30%時金剛石的TTI值最高,如圖2所示。這可能是由于合成棒中觸媒含量過高時導致金剛石外金屬薄膜較厚從而使得金剛石晶體不能及時排雜造成的。

隨著觸媒用量的增加,TI、TTI差值分別為44.6%、27.9%和46.4%,即當觸媒與石墨配比為3∶7時,金剛石的熱穩定性最好。

表6 高溫高壓合成金剛石的TI和TTI值Table 6 The value of TI、TTIof the diamond synthesized under HP/HT

圖2 觸媒含量不同對金剛石TI、TTI值的影響Fig.2 The influence of the content of catalyst pow der on value of TI,TTIof the synthetic diamond

4 結論

本文通過合成棒中Fe70Ni30粉末觸媒含量對合成金剛石質量的實驗研究,得出如下結論:

(1)金剛石單產并不隨觸媒含量的增加而持續增加,當觸媒含量為30%時,金剛石的單產達到最大值。

(2)對Fe70Ni30粉末觸媒合成棒而言,合成棒中觸媒含量為30%時,合成金剛石的TI、TTI值較高,且TI與TTI差值最小,即熱沖擊韌性最好。

(3)綜合各種因素,在目前的合成工藝條件下,合成棒中粉末觸媒與石墨的最佳配比為3∶7。

[1] 張習敏,馬自力,徐駿,等.氣霧化FeNi粉末觸媒及合成金剛石的特性[J].超硬材料工程,2005(6):36-39.

[2] 戴蘭芳,魏瓊林.NiFe合金粉末觸媒合成金剛石研究[J].人工晶體學報,2004,33(6):1057-1059.

[3] 朱鳳福,寧磊.用粉狀技術合成高品級金剛石的研究[J].人工晶體學報,2002,31(2):25-30.