專利名稱：一種方晶金剛石合成工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金剛石的合成工藝，是一種方晶金剛石合成工藝。
背景技術：
金剛石的合成工藝有較多種類，不同晶型的金剛石或不同特性的金剛石，其合成 工藝均有所不同。金剛石合成工藝中使用的觸媒、合成過程中的參數等均能改變金剛石的 特性。近年來，本領域技術人員通過改變金剛石合成工藝以期得到特定晶型來滿足市場需 求，對這方面重要的研究之一是，如何提高方晶金剛石中晶面完整，提高方晶含量的工藝， 以滿足目前方晶金剛石在國內外市場上緊缺的需求。目前方晶金剛石一般采用的合成工藝 中只在現(xiàn)有普通工藝中改變了合成溫度，用這種工藝合成的方晶金剛石，方晶的含量較低， 一般最高達到10-30%左右，導致方晶金剛石的生產成本較高，產量較低，由于方晶金剛石 是介于6-8面立方體之間的晶型，所以金剛石不同晶面生長速度的變化、合成工藝中的功 率變化等，都對方晶金剛石的質量有一定影響?，F(xiàn)有工藝均無法滿足方晶金剛石的合成要 求。國外雖有報道方晶金剛石的方晶含量可達60-70%左右，但其合成工藝尚屬未公開階 段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種方晶金剛石合成工藝，它可以提高方晶的含量，從而提 高方晶金剛石的質量和產量，降低方晶金剛石的生產成本。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)一種方晶金剛石合成工藝，包括 以下步驟①制備-300目以細粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計Ni 14. 6-19%, C0 2. 5-4. 5%,Si 2-3%,Cu 4_6%，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉 末觸媒備用；②選取-300目以細球形石墨，石墨純度達到三十個PPm以下的雜質含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10 3-6的比例在三維混料機內混合3-5小時，靜 壓后破碎成80目以細顆粒，得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機壓制成芯柱，芯柱 尺寸為Φ 38mmX30. 5mm,芯柱密度為 3-3. 3g/cm3 ；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100°C下真空處理9. 5-10. 5小時，用 氫氣還原的方法去除氧，然后在氮氣的保護下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對其進行加熱，并采用六面頂壓力機 對其加壓合成，合成過程中的合成溫度為1200°c -1250°C，加熱時間為1400-1480S，合成腔 內部壓力為5-5.5Gfa;對六面頂壓機的壓力進行調整將六面頂壓力機的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由 0加到80-82MPa后開始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在IOS內，提高到90Mfa，然后在960-1000S內均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完 成后合成結束；對六面頂壓力機的功率進行調整六面頂壓力機起始功率為5000-5800W，起始功 率保持130-150S ；第一次快速下調功率，在3S內將功率下調至4900-5460W，保持192-240S ；
第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至4800-5394W，保持288-300S后，再使 功率在780S內均速下調至4600-5200W至合成結束。本發(fā)明所述步驟①中制備的觸媒的原料按重量百分計，Nil7. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 2%, Cu 5%，余量為鐵。本發(fā)明所述步驟⑥中所述的起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快 速下調功率，在3S內使功率下調至5250W，保持200S，第二次快速下調功率，在7S內將功率 下調至5070W，保持300S，再使功率在780S內緩慢下調至4780W至合成結束。本發(fā)明的合成工藝為了解決公知技術存在的問題，首先對制備的粉末觸媒原料進 行了改變，適量加入了 Si和Cu，Si能夠降低原料中的氧含量，使氧含量彡IOOPPmJfWM 媒活化性能，有利于方晶金剛石的轉化，Cu能使產品金剛石(111)晶面的生長速度加速，使 晶體的(111)面變小，促進金剛石向方晶轉化，使金剛石均勻成核。研究表明，金剛石在合成過程中的晶型變化，還受壓力和溫度的影響，由于金剛石 各晶面對碳原子的接受能力不同，所以導致各晶面的生產速度不同，從而形面不同的晶形。 本發(fā)明通過調整合成過程中的壓力和功率，從而達到控制金剛石合成工藝過程中金剛石晶 型的轉化，使金剛石中方晶含量達到了 80-88%，并且晶型規(guī)則度高，晶面完整，雜質少，方 晶金剛石產量高。本發(fā)明通過調整功率大小，達到控制合成溫度的變化，使合成過程早期保持較高 溫度，使觸媒中的金屬和石墨充分互溶，有利于金剛石生長過程中的排雜，保證了方晶優(yōu) 質生長，在合成過程的中期適當調低了溫度，控制金剛石晶型轉化，使合成溫度穩(wěn)定維持 在方品生長區(qū)，以獲得多且質優(yōu)的方晶金剛石。本發(fā)明步驟⑥合成過程中，將壓力升至 80-82MPa后，保持400S，其目的在于，使這一過程形成的再結晶石墨可有效控制吸收過量 碳源，抑制急劇成核現(xiàn)象，從而提高粒度集中度，在預熱充分后，將壓力迅速提高至90MPa， 以此控制金剛石在方晶區(qū)“準靜態(tài)”生長。本發(fā)明功率調整的目的在于合成起始階段迅速提高功率，使合成過程的前期溫 度快速提高，并保持150S，充分使石墨向觸媒中再結晶，第一次使功率快速下調后，以調低 合成溫度，控制金剛石晶形轉化，穩(wěn)定方晶生長區(qū)。第二次快速下調功率，可進一步降低合 成溫度，以平衡成核放出的熱量，穩(wěn)定方晶生長區(qū)溫度，防止晶體(100)面生長速度過快， 最后緩慢使功率下調，保持方晶生長區(qū)的溫度穩(wěn)定，使方晶含量提高，晶面規(guī)則等。


附圖1是本發(fā)明合成工藝中步驟⑥中的合成過程功率和壓力曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的方晶金剛石的合成工藝包括以下步驟
①制備-300目以細粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計Ni 14. 6-19%, C0 2. 5-4. 5%,Si 2-3%,Cu 4_6%，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉 末觸媒備用；②選取-300目以細球形石墨，石墨純度達到三十個PPm以下的雜質含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10 3-6的比例在三維混料機內混合3-5小時，靜 壓后破碎成80目以細顆粒，得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機壓制成芯柱，芯柱 尺寸為Φ 38mmX30. 5mm,芯柱密度為 3-3. 3g/cm3 ；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100°C下真空處理9. 5-10. 5小時，用 氫氣還原的方法去除氧，然后在氮氣的保護下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對其進行加熱，并采用六面頂壓力機 對其加壓合成，合成過程中的合成溫度為1200°C -1250°C，加熱時間為1400-1480S，合成腔 內部壓力為5-5.5G a;
對六面頂壓機的壓力進行調整將六面頂壓力機的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由 0加到80-82MPa后開始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在IOS內，提高到90MPa, 然后在960-1000S內均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完 成后合成結束；對六面頂壓力機的功率進行調整六面頂壓力機起始功率為5000-5800W，起始功 率保持130-150S ；第一次快速下調功率，在3S內將功率下調至4900-5460W，保持192-240S ；第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至4800-5394W，保持288-300S后，再使 功率在780S內均速下調至4600-5200W至合成結束。本發(fā)明所述的步驟⑥中效果較好的功率調整方案是起始功率為5700W，起始功 率保持150S后，第一次快速下調功率，在3S內使功率下調至5250W，保持200S，第二次快速 下調功率，在7S內將功率下調至5070W，保持300S，再使功率在780S內緩慢下調至4780W 至合成結束。本發(fā)明所述合成工藝步驟⑥中所述的六面頂壓力機的任何功率數值均能實現(xiàn)本 發(fā)明目的，例如起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快速下調功率，在3S內 使功率下調至5250W，保持200S，第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至5070W，保持 300S，再使功率在780S內緩慢下調至4780W至合成結束?；蚱鹗脊β蕿?000W，起始功率保 持130S后，第一次快速下調功率，在3S內使功率下調至4900W，保持192S，第二次快速下調 功率，在7S內將功率下調至4800W，保持288S，再使功率在780S內緩慢下調至4600W至合 成結束?；蚱鹗脊β蕿?800W，起始功率保持140S后，第一次快速下調功率，在3S內使功率 下調至5460W，保持240S，第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至53294W，保持294S， 再使功率在780S內緩慢下調至5200W至合成結束。本發(fā)明合成工藝步驟①中制備的觸媒原料可以有多種組合①Ni 14. 6%, C0 4. 5%, Si 2%, Cu 4%，余量為鐵。(2)Nil7. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 2%, Cu 5%，余量為鐵。 Nil9%,C0 4%, Si 3%, Cu 4.5%，余量為鐵。
(4)Nil8. 5%, C0 2. 5%, Si 2. 5%, Cu 4%，余量為鐵。
Ν 18. 5%, C0 3. 5%, Si 2. 7%, Cu 6%，余量為鐵。本發(fā)明所述合成工藝步驟⑥中所述的六面頂壓力機的任何壓力數值均能實現(xiàn)本 發(fā)明目的，例如將六面頂壓力機的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到82MPa后開始加 熱，停止加壓，保持300S，再將壓力在IOS內，提高到90Mf a,然后在990S內均速增至97MPa， 97MPa保持到加熱結束，停熱100S后卸壓，卸壓完成后合成結束；或將六面頂壓力機的壓力 以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到SOMPa后開始加熱，停止加壓，保持340S，再將壓力在IOS 內，提高到90Mpa，然后在960S內均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結束，停熱90S后卸壓， 卸壓完成后合成結束；或將六面頂壓力機的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到SlMPa后 開始加熱，停止加壓，保持370S，再將壓力在IOS內，提高到90MPa，然后在1000S內均速增 至97MPa，97MPa保持到加熱結束，停熱95S后卸壓，卸壓完成后合成結束；本發(fā)明所述六面頂壓力機為Φ500缸徑，頂錘錘面為47X47mm，錘面角度為42°。本發(fā)明未詳述內容均為公知技術。
權利要求
一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于包括以下步驟①制備-300目以細粉末觸媒，粉末觸媒原料按重量百分比計Ni14.6-19％、CO 2.5-4.5％、Si 2-3％、Cu 4-6％，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉末觸媒備用；②選取-300目以細球形石墨，石墨純度達到三十個PPm以下的雜質含量；③將粉末觸媒和石墨按重量比10∶3-6的比例在三維混料機內混合3-5小時，靜壓后破碎成80目以細顆粒，得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機壓制成芯柱，芯柱尺寸為φ38mm×30.5mm，芯柱密度為3-3.3g/cm3；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，在1100℃下真空處理9.5-10.5小時，用氫氣還原的方法去除氧，然后在氮氣的保護下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中，對其進行加熱，并采用六面頂壓力機對其加壓合成，合成過程中的合成溫度為1200℃-1250℃，加熱時間為1400-1480S，合成腔內部壓力為對六面頂壓機的壓力進行調整將六面頂壓力機的壓力以液壓系統(tǒng)的最快速度由0加到80-82MPa后開始加熱，停止加壓，保持340-370S，再將壓力在10S內，提高到然后在960-1000S內均速增至97MPa，97MPa保持到加熱結束，停熱90-100S后卸壓，卸壓完成后合成結束；對六面頂壓力機的功率進行調整六面頂壓力機起始功率為5000-5800W，起始功率保持130-150S；第一次快速下調功率，在3S內將功率下調至4900-5460W，保持192-240S；第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至4800-5394W，保持288-300S后，再使功率在780S內均速下調至4600-5200W至合成結束。FSA00000152994500011.tif,FSA00000152994500012.tif
2.根據權利要求1所述的一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于步驟①中制備的觸 媒的原料按重量百分計，Ni 17.5%,CO 3.5%,Si 2.2%、Cu 5%，余量為鐵。
3.根據權利要求1所述的一種方晶金剛石合成工藝，其特征在于步驟⑥中所述的 起始功率為5700W，起始功率保持150S后，第一次快速下調功率，在3S內使功率下調至 5250W，保持200S，第二次快速下調功率，在7S內將功率下調至5070W，保持300S，再使功率 在780S內緩慢下調至4780W至合成結束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方晶金剛石合成工藝，包括以下步驟①制備-300目以細粉末觸媒，粉末觸媒原料Ni、CO、Si、Cu，余量為鐵；將上述原料按公知觸媒制造方法制備后得到粉末觸媒備用；②選取-300目以細球形石墨；③將粉末觸媒和石墨在三維混料機內混合，靜壓后得到顆?；旌狭?，備用；④將步驟③中得到的顆?；旌狭涎b入模具中，采用四柱壓力機壓制成芯柱；⑤將步驟④中得到的芯柱置入真空爐中，用氫氣還原的方法去除氧，然后在氮氣的保護下自然冷卻到室溫，出爐后真空包裝；⑥將步驟⑤中出爐后的芯柱裝入合成塊中進行加熱，并采用六面頂壓力機對其加壓合成；本發(fā)明通過調整合成過程中的壓力和功率，使金剛石中方晶含量達到了80-88％，并且晶型規(guī)則度高，晶面完整，雜質少，方晶金剛石產量高。
文檔編號B01J3/06GK101837267SQ201010190050
公開日2010年9月22日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權日2010年6月2日
發(fā)明者張存升, 林樹忠, 林秀峰, 白云崗, 陳強 申請人:山東聊城昌潤超硬材料有限公司