金剛石臺階合成工藝的研究

賈傳寶,宋增民,劉林方(河南金渠黃金股份超硬材料公司,河南三門峽 47000)

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金剛石臺階合成工藝的研究

賈傳寶1,宋增民2,劉林方2
(河南金渠黃金股份超硬材料公司,河南三門峽 472000)

摘 要:通過對合成腔體的溫度、測定精確控制,設計出合理的功率曲線,尋找出科學最短的合成工藝暫停時間,以便我們充分利用合成有效生長時間,提高工藝效率。根據不同的合成時間進行拍塊處理檢測,確定不同階段金剛石生長速度和合成壓力的關系,通過設計不同的臺階壓力工藝曲線,有效地、有目的地控制金剛石的生長速度,最大限度地利用合成時間,在最短的時間內以達到優質高產的目的。實驗結果表明,在金剛石生長過程中,合成溫度將上升20℃～30℃,金剛石各階段生長速度是不一致的,合理的臺階工藝,在保證質量的情況下,單產可以提高10%以上。

關鍵詞:金剛石;測溫;暫停時間;溫度;壓力曲線;臺階工藝

0　引言

當合成溫度和合成壓力達到合成條件時,不同的合成工藝均能合成出金剛石,不同的生長時間,在相對應的合成工藝條件下,均能合成出相同粒度的金剛石,但是質量卻相差甚遠。本研究主要是針對不同工藝形狀的合成現象,總結金剛石生長規律,建立一種更加合理、科學的合成工藝曲線,從而指導生產工藝調整方向。

1　試驗方法

1.1理論指導

靜態高溫高壓法合成金剛石,是目前國內金剛石合成生產普遍采用的一種方法。通過對壓力、溫度的控制來改變合成腔體內部金剛石生長環境,從而達到生產優質金剛石單晶的目的。在實際生產中,通過控制壓力可適當改變金剛石生長速度,而生長速度的快慢直接影響著金剛石的產量及品級。

研究資料可知,金剛石生長速度與生長時間存在以下理論關系。

V:理論生長速度;T:理論生長時間;L:金剛石理論粒徑

通常,我們規定合成總時間在1h內的合成工藝,假定生長速度為2.0mg/h,當生長速度一定時,金剛石生長時間與粒徑存在著正比例關系,因此我們可以推導出生長時間與金剛石粒度之間的理論關系(表1)。

表1　金剛石生長時間與粒度之間的理論生長關系Table 1 Theoretical growth relationship between diamond growth time and granularity

1.2試驗方案

本實驗采用鉑銠熱電偶進行合成腔體的溫度測定

測定結果顯示:

(1)合成溫度為1300度左右,暫停時間最少應設定為420s,才可以保證在升到合成壓力時,觸媒能夠熔融,金剛石成核、生長越過劣晶區。這是合成高品級金剛石的必要條件。

(2)在后期功率保持不變的情況下,腔體溫度將上升20℃～30℃左右,因此功率曲線后期將必須有3%的下降,保證腔體內的溫度穩定。

壓力工藝曲線試驗分三階段進行

第1階段:對制定的三種工藝實施拍塊試驗。分別設計平壓力工藝、斜壓力工藝、多臺階式壓力工藝曲線,在該工藝條件下實施對12、14、16、18、20、22、24、26min等時間點的拍塊試驗。

研究目的:

(1)驗證公式V=T/L2中生長速度假定V值的合理確定。

(2)分析生產時間、生產速度等因素對金剛石合成效果的影響。

(3)確定拍塊時間與金剛石主粒度的關系,確定合理的壓力曲線。

第2階段:實施臺階式工藝試驗研究。根據對第1階段拍塊試驗結果,利用壓力變化規律,設計2臺階、3臺階、4臺階……9臺階、1臺階等臺階式合成工藝曲線。目的是通過對各臺階式工藝合成效果的分析,確定最佳的合成工藝曲線,用以指導生產。

第3階段:確定最佳工藝曲線,進行中試驗證。

選出最佳合成工藝曲線,進行中試驗證,確定其合成效果及穩定性,驗證是否可以應用于生產或指導生產。

1.3試驗工藝曲線設計

1.3.1拍塊試驗工藝曲線設計

臺階式工藝試驗,其臺階設計方式如圖3所示,就是在壓力曲線上的分割線右邊,分別設計一臺階、二臺階、三臺階……九臺階工藝曲線。

圖1　平壓力工藝曲線Fig.1 process curve under horizontal pressure

圖2　斜壓力工藝曲線Fig.2 process curve under inclined pressure

圖3　多臺階式壓力工藝曲線Fig.3 process curve under terraced pressure

1.3.3工藝實施限制條件

(1)拍塊試驗工藝,保證功率曲線一致,前期壓力(分割線左)工藝不變,只設計二次升壓后壓力變化。

(2)臺階式工藝試驗,從1臺階到9臺階工藝曲線,保證前期壓力工藝曲線一致,功率曲線一致,以此為基礎進行后期壓力臺階數增加的試驗研究。

(3)設計后期壓力工藝曲線時,設計總壓差為12MPa以內,既從91.5→103.5MPa范圍內變化。

(4)根據溫度測定曲線,設計功率曲線,見表2:

表2　合成工藝功率曲線Table 2 power curve of synthesis process

1.4實驗設備及材料準備

試驗以Ф500mm缸徑六面頂壓機為研究設備平臺,自制石墨和Ni30Fe70粉末觸媒為原材料,進行混合壓制成型,組裝成Ф42腔體葉蠟石合成塊,進行合成主粒度為40/45料的工藝試驗。

2　試驗結果與分析

2.1平壓力工藝試驗結果(見表3)與分析

平壓力工藝曲線(圖1),二次升壓后設計壓力92.7MPa,保持后期壓力不變,隨著合成時間的延長,金剛石單產逐步增加,主粒度分布從60/70逐漸向45/50上過渡,但生長到20min以后,單產不再增加,粒度以45/50料為主。由于平壓力工藝金剛石生長過慢,而隨著加熱的進行,可以使高溫高壓腔體內得到足夠穩定的溫度場,金剛石受良好的溫度環境影響,有足夠的能量排除自身內部的雜質,從而得到晶型更加完美的金剛石。因此,平壓力工藝合成的金剛石,以圓晶六-八面體為主,晶型非常完整,晶體內部幾乎沒有雜質,顏色、透度都非常好。

表3　平壓力工藝試驗數據Table 3 The test data of the horizontal pressure process

結果分析:在平壓力條件下,隨著加熱時間的增加,金剛石會緩慢地生長,但到20min以后,金剛石不再生長,主粒度分布也趨于穩定,沒有達到生長到40/45料的要求。這說明,平壓力條件下,金剛石生長速度過小,甚至沒有生長速度,這導致金剛石在前期可以依靠壓力和溫度變化緩慢生長,但后期由于壓力跟不上,金剛石生長動力不足,所以金剛石不再生長。因此給予一定的生長速度可以促進金剛石的生長,而生長速度可以通過改變壓差來實現。

2.2斜壓力工藝試驗結果(見表4)與分析

表4　斜壓力工藝試驗數據Table4 The test data of the inclined pressure proces

斜壓力工藝曲線(如圖2),二次升壓后設計壓力從91.5MPa上升到102.5MPa,隨著合成時間的延長,金剛石單產逐步持續增加,主粒度分布逐漸從50/60向40/45料過渡,生長到22min,即以45/50料為主。從表4可以看出,12min以50/60為主,14～16min時以45/50為主,18～20min以雙峰值粒度為主,到22min即以40/45料為主,這說明斜壓力條件下金剛石生長非?？?短時間內即可以生長到要求的粒度范圍,但是由于生長過快導致金剛石品級下降,晶型以六面體或八面體為主,晶體內部雜質多,表面有缺陷,且顏色、透度都不理想。

討論:在斜壓力工藝條件下,由于后期壓力是連續加壓的,這就導致合成腔體內部受到的壓力場逐漸增大,金剛石在生長過程中受到的動力非常足,因此在連續加壓條件下,金剛石生長速度非常快,導致金剛石快速生長,變粗。

2.3多臺階壓力工藝試驗結果(見表5)與分析

表5　多臺階壓力工藝試驗數據Table5 The test data of the terraced pressure proces

(1)多臺階壓力工藝曲線(如圖3),二次升壓后設計壓力從91.5MPa經過幾級臺階逐漸上升到102.5MPa,隨著合成時間的增加,金剛石單產逐步持續增加,主粒度分布從60/70逐漸向40/45料過渡,而生長到24min,才以40/45料為主。從表3中可以看出,12～14min以50/60為主,16～22min時以45/ 50為主,到26min即以40/45料為主,這說明多臺階壓力條件下金剛石生長得到控制,通過改變壓力變化,控制生長速度,得到的金剛石以圓晶六-八面體為主,且單產較高,金剛石顏色,透度,以及熱穩定性等性質較好。

(2)在多臺階壓力工藝條件下,由于后期壓力是臺階式逐步增壓的,可以有效地控制金剛石生長速度,這就使金剛石在生長過程中,受到的外部壓力有一個緩沖的過程,來保持高壓腔體內壓力場均勻、穩定的變化,這就使金剛石在生長過程中受到的動力不光足而且穩定,可以生長出品級更高的金剛石單晶。

2.4拍塊試驗小結

結合三種工藝拍塊結果可以得出拍塊時間與粒度之間的關系(見表6)

表6　金剛石實際生長時間與粒度之間Table6 actual diamond growth time and granularity

(1)表6與表1對比,根據公式V=T/L2,當金剛石理論生長速度為2.0mg/h時,其理論生長時間與金剛石粒度大小的關系與實際結果基本一致,以及生長時間與粒度大小存在必然聯系。

(2)生長速度等因素對金剛石合成效果的影響

經對三種工藝的拍塊分析,生長速度是影響生產優質金剛石的關鍵,金剛石生長速度過快,得不到優質單晶;生長速度太慢,金剛石成核率降低,產量降低,不利于企業高效化生產。生長速度是理想化的一個概念,無法調控,而實際生產中我們通過調控壓力上升率,間接改變生長速度,可以產生良好的效果。

溫度,對金剛石生長也起著重要作用。在生產中,壓力一般決定著金剛石成核的數量和粒度的大小,而溫度可以使金剛石在不斷長大的同時再進一步排出自身內部的雜質,適當的溫度可以生長出完美透明的單晶。而溫度的控制我們通常通過調節功率來實現,合理的功率曲線設計對生產優質金剛石起著重要作用。

根據實驗結果,結合實際的溫度測定制定出更加合理的合成工藝曲線,見圖4:

圖4　合成壓機實測曲線圖Fig.4 The measured curve of the synthetic diamond press

3　結論

本項目經過拍塊試驗、臺階式工藝試驗,我們可以總結出以下結論。

(1)通過拍塊試驗,驗證了金剛石生長時間與金剛石粒度、生長速度之間的關系,并論證了其經驗公式V=T/L2存在的準確性,以及生長速度為2.0mg/h的合理性。

(2)生長速度是生產高品級金剛石的關鍵。生長速度過快,金剛石成核多,生長快,容易長粗,導致單產過高,品級下降;生長速度過慢,成核少,單產低,金剛石粒度偏細,雖然金剛石品級較好,但不利于生產應用。因此,適宜的生長速度控制,有利于獲得高品級的金剛石。

(3)通過改變壓力上升率可以影響生長速度。壓力上升率越大,生長速度越快;壓力上升率越小,生長速度越慢。臺階式壓力工藝可以通過改變壓差及升壓時間來確定壓力上升率,從而影響金剛石合成效果。

(4)通過臺階式工藝試驗,可以確定4臺階工藝,而通過中試試驗驗證,證明其工藝的合成效果的確優于生產料工藝,且其工藝運行穩定好以及金剛石的品級指標皆佳,可以推廣應用。

參考文獻:

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Research on the Terraced Diamond Synthesis Technology

JIA Chuan-bao1,SONG Zeng-ming2,LIU Lin-fang2
(Superhard Materials Branch of Henan Jinqu Gold Limited Company,Shanmenxia,Henan,China,472000)

Abstract:Reasonable power curve should be designed and the shortest pause time in production process should be found out through precise control of the temperature and measurement of the synthesis cavity in order to to make the best of the effective growth time of the synthesis to improve the process efficiency.Relationship between growth rate and synthetic pressure of diamond at different stages can be determined through processing test of the samples under different synthetic time.The growth rate of diamond can be controlled effectively and purposefully by designing different terraced pressure process curves so as to make the best of the synthetic time to get higher and better yield within the shortest time.Experiment result shows that the synthetic time will be increased by 20℃～30℃during the diamond growth process and the growth rates of diamond of different stages are different.Reasonable terraced synthesis technology will improve the productivity by more than 10% without quality impairment.

Keywords:temperature measurement;pause time;temperature;pressure curve;terraced synthesis technology

作者簡介:賈傳寶(1978-),男,河南金渠黃金股份超硬材料公司副總工,工程師,主要從事高品級金剛石材料、合成的技術研究。E-mail: 1021594636@qq.com。

收稿日期:2015-12-18

中圖分類號:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0015-05

引文格式:賈傳寶,宋增民,劉林方.金剛石臺階合成工藝的研究[J].超硬材料工程,2016,28(2):15-19.