一种用于合成金刚石的多元合金触媒及其制备方法与应用
【专利摘要】本发明涉及一种用于合成金刚石的多元合金触媒，其合金成分为：镍25～30％，钨0.5～2％，钛0.5～1.5％，碳0.5～2‰，余量为铁。本发明进一步涉及所述多元合金触媒的制备方法及其在合成金刚石中的应用。本发明提供的多元合金触媒以铁、镍、钨、钛和碳为原料，采用特定比例组成，可以确保多元合金触媒合金成分均匀，氧、硅、硫、磷等杂质含量低等优异性质。本发明优选采用水雾化方法制备而成，具有制作成本低、产品合格率高等性能。应用本发明提供的多元合金触媒可以制备出棒产高、冷/热冲击韧性强且磁化率低的高品级人造金刚石。
【专利说明】
-种用于合成金刚石的多元合金触媒及其制备方法与应用
技术领域
[0001] 本发明设及金刚石合成领域，具体设及一种合成高品级金刚石用触媒材料。
【背景技术】
[0002] 人造金刚石具有极高的硬度W及很好的热学、光学、电学性能，在石材、建筑、工程 陶瓷、汽车、航空、航天等领域发挥着极大的作用。人工合成金刚石在我国经过50多年的发 展，已经形成了完整而庞大的新兴工业体系。触媒是人造金刚石合成过程中，通过大幅度降 低合成金刚石所需的溫度和压力而实现人造金刚石批量化生产的物质。合成人造金刚石的 触媒材料直接决定着合成出人造金刚石的品级，是合成人造金刚石的核屯、原材料。
[0003] 早期WNi7〇Mn25C〇5(70、25、5分别是金属元素 Ni、Mn、Co的质量百分数)为代表的片 状触媒材料在稳定合成金刚石上发挥着重要的作用。最近几年，我国的技术人员在我国特 有的六面顶压机上，使用Fe7〇Ni3()(70、30分别是金属元素 Fe、化的质量百分数)水雾化合金 粉末触媒，在人工合成金刚石上获得了很大成功，一举确立了我国人造金刚石产量第一大 国的地位。
[0004] 但是，使用我国自产的Fe7〇Ni3〇水雾化合金粉末触媒合成出的金刚石，多W中、低 档金刚石产品为主。对于高档的金刚石产品，仍需大量进口。究其原因，主要是因为使用水 雾化方法生产的化7〇Ni3〇合金粉末的氧、娃、硫、憐等杂质含量偏高(氧含量一般高达4000~ 70(K)ppm，杂质总含量高达0.5~1%)。运制约着金刚石的品级提高，主要表现在高强料比例 低，单产低，粒度集中率低，冲击初性低，磁性大等。运成为我国从金刚石大国向金刚石强国 迈进的主要障碍。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于合成高品级金刚石的多元合 金触媒。
[0006] 具体而言，本发明所述多元合金触媒，W质量百分比计，其合金成分为：儀25~ 30%，鹤0.5~2%，铁0.5~1.5%，碳0.5~2%。，余量为铁。
[0007] 优选地，其合金成分为:儀26~27 %，鹤1~1.5 %，铁0.6~1 %，碳0.7~0.8%。，余 量为铁。
[000引本发明所述百分比为各元素在所述多元合金触媒中所占的质量百分比。
[0009] 本发明提供的合金触媒由铁、儀、鹤、铁和碳W特定比例组成Fe-Ni-W-Ti合金触 媒，通过W特定的比例加入鹤和铁，W确保所得触媒用于合成金刚石时，所得金刚石的棒 产、强度、磁性等品质强于传统化-Ni-Co-Mn等合金组成的触媒。
[0010] 本发明对合金组成进行选择的基础上，进一步对合金中各成分的用量进行优选， 可W确保合金粉末的杂质含量得到有效控制W及后期合成金刚石的品质得到相应的提高。
[0011] 本发明提供的多元合金触媒中，粒径200目~500目的颗粒重量占所述多元合金触 媒总质量的80% W上，优选所述多元合金触媒中全部颗粒的粒径均在200目~500目的范围 内，上述粒径分布可w确保触媒与石墨的粒度匹配w及与石墨混合的均匀性，也可确保后 期合成金刚石的粒度均匀性和产品稳定性。
[0012] 本发明同时提供了所述多元合金触媒的制备方法。具体而言，所述方法包括W下 步骤：（1)取各合金成分的原料，在惰性气体保护条件下进行烙炼，得合金液；（2)采用高压 水雾化方法将所述合金液雾化成粉末状颗粒。
[0013] 本发明对步骤（1)中各合金原料的加入顺序进行优选，W确保所得合金液各成分 之间混合均匀，实现最佳的应用效果。具体而言，所述步骤（1)具体为:将儀板烙化后，加入 铁板和石墨，形成儀-铁-碳合金，再依次加入鹤粉、铁棒，在惰性气体保护条件下进行烙炼， 得合金液。
[0014] 本发明进一步对步骤（1)中的烙炼溫度和条件进行优选，W增强所得合金液中各 成分之间的协同效果。具体而言，所述步骤（1)优选为:在150~170KW、3500~4500化、入口 持续通入惰性气体的烙炼炉烙中，将儀板烙化后，加入铁板和石墨，形成儀-铁-碳合金，再 依次加入鹤粉、铁棒，烙炼至溫度达到1550~1600°C，保溫3~10分钟，得合金液。其中，所述 1550~1600°C的溫度是指烙炼炉中各合金充分烙化后所得混合液的溫度。其中，保溫3~10 分钟的目的是确保合金液在最佳的溫度条件下能够充分混合，优选为保溫5min。
[0015] 步骤(1)所述烙炼过程中制备过程中一直通惰性气体，优选为通氮气。
[0016] 为了确保所得合金触媒具有优异的综合性能，步骤(2)所述高压水雾化方法的雾 化压力优选为35±2MPa。
[0017] 本发明所述方法可进一步包括对水雾化所得产品进行烘干和筛分，W得到干燥并 具有优选粒径的产品。所述烘干优选在真空条件下进行。所述筛分应确保所得产品中200目 ~500目的粉末所占比例可达到80% W上。
[0018] 本发明所述合金中各成分可选用本领域常规原料。具体而言，所述铁棒可选用工 业纯铁棒;所述儀板可选用电解儀板;所述鹤粉可选用工业纯鹤粉;所述铁板可选用工业铁 板;所述石墨可选用高纯石墨。
[0019] 本发明通过对多元合金触媒制备过程中的原料加入顺序、烙炼溫度、雾化压力等 参数进行全面优选，可W确保所述方法制备而成的多元合金触媒中，氧、娃、硫、憐等杂质的 总含量可控制在0.5 % W下;其中，氧含量为2000ppm~4000ppm。虽然，现有的气雾化粉末触 媒的氧含量可达3000ppmW下，但生产中要使用大量惰性气体，成本很高，工艺复杂，批量生 产已经很少使用；本发明提供的方案较气雾化粉末触媒具有制作成本低、操作简单等明显 的优势，且杂质含量低，所得多元合金触媒合成的金刚石品质优异，有很好的应用前景。
[0020] 本发明进一步保护所述多元合金触媒在合成金刚石中的应用。
[0021] 具体而言，所述应用方法具体为:将所述多元合金触媒与石墨原料W重量比3~5: 5~7混合、优选W重量比4:6混合，在5.0~5.5G化、1200~1500°C条件下合成金刚石。
[0022] 所述金刚石的合成在国产六面顶压机上进行。
[0023] 所述金刚石的合成时间为5~30min。依合成时间在5~30min不同，可合成粒度峰 值在400目~30目之间某一粒度的金刚石。
[0024] 本发明通过大量实践发现，采用所述多元合金触媒合成出的金刚石性能优异，品 极高;其中，棒产>800克拉/公斤，冷冲击初性(TI)〉85，热冲击初性（ΙΟΟΟΓΤΤΙ)〉60，磁化率 <50X1〇-5sI。
[0025] 所述金刚石的棒产是指:每公斤经高溫高压合成出的金刚石合成棒中所含金刚石 的质量(克拉）。
[0026] 所述金刚石的冷冲击初性(TI)是指:在室溫下，对一定量的金刚石在规定的冲击 频率下冲击规定次数，未破碎的金刚石占总金刚石的百分数，乘W100所对应的数值。通常 使用金刚石冲击初性测定仪进行检测，参考标准:JB/T7989-1997。
[0027] 所述金刚石的热冲击初性(TTI)是指:在一定溫度下(通常900~llOOr)，在充有 氣气保护的加热炉内，对一定量的金刚石在规定的冲击频率下冲击规定次数，未破碎的金 刚石占总金刚石的百分数，乘W100所对应的数值。通常使用金刚石热冲击初性测定仪进行 检测。
[0028] 所述金刚石的磁化率是指:表征金刚石磁性的大小，通常使用金刚石磁化率分析 仪或磁选机检测。
[0029] 与现有技术相比，本发明提供的多元合金触媒W铁、儀、鹤、铁和碳为原料，采用特 定比例组成，可W确保多元合金触媒合金成分均匀，氧、娃、硫、憐等杂质含量低等优异性 质。本发明优选采用水雾化方法制备而成，具有制作成本低、产品合格率高等性能。应用本 发明提供的多元合金触媒可W制备出棒产高、冷/热冲击初性强且磁化率低的高品级人造 金刚石。
【具体实施方式】
[0030] W下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0031] 实施例1
[0032] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀26%，鹤 1%，铁0.6%，碳0.7%。，余量为铁。
[0033] 本实施例还提供了所述多元合金触媒的制备方法，具体为:采用160KW，4000化中 频烙炼炉烙炼，烙炼过程中在炉口不断充氮气;首先将儀板烙化后，加入铁板和石墨，形成 儀-铁-碳合金;再依次加入鹤粉、铁棒，全部烙化为合金时合金液溫度保持在1570°C，保溫5 分钟使合金成分均匀;采用高压水雾化方法将合金液雾化成粉末颗粒，雾化压力为35MPa经 真空烘干，干燥后，过200目筛，即得。
[0034] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为％20ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量为 0.25%。
[0035] 实施例2
[0036] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀27 %，鹤 1.2%，铁0.7%，碳0.8%。，余量为铁。
[0037] 本实施例还提供了所述多元合金触媒的制备方法，具体为:采用160KW，4000化中 频烙炼炉烙炼，烙炼过程中在炉口不断充氮气;首先将儀板烙化后，加入铁板和石墨，形成 儀-铁-碳合金;再依次加入鹤粉、铁棒，全部烙化为合金时合金液溫度保持在1580°C，保溫5 分钟使合金成分均匀;采用高压水雾化方法将合金液雾化成粉末颗粒，雾化压力为36MPa经 真空烘干，干燥后，过200目筛，即得。
[003引本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为3550ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.28%。
[0039] 实施例3
[0040] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀26%，鹤 1.5%，铁1 %，碳0.8%。，余量为铁。
[0041] 本实施例还提供了所述多元合金触媒的制备方法，具体为:采用160KW，4000化中 频烙炼炉烙炼，烙炼过程中在炉口不断充氮气;首先将儀板烙化后，加入铁板和石墨，形成 儀-铁-碳合金;再依次加入鹤粉、铁棒，全部烙化为合金时合金液溫度保持在1600°C，保溫5 分钟使合金成分均匀;采用高压水雾化方法将合金液雾化成粉末颗粒，雾化压力为34MPa经 真空烘干，干燥后，过200目筛，即得。
[0042] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为3400ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.22%。
[0043] 实施例4
[0044] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀25 %，鹤 0.5%，铁0.5%，碳0.5%。，余量为铁。
[0045] 其制备方法同实施例1。
[0046] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为3450ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.28%。
[0047] 实施例5
[004引本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀30 %，鹤 2 %，铁1.5 %，碳2%。，余量为铁。
[0049] 其制备方法同实施例1。
[0050] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为3480ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.32%。
[00引]对比例1
[0052] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀28%，鹤 0.2%，铁0.3%，碳3%。，余量为铁。
[0053] 其制备方法同实施例1。
[0054] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为4280ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.55%。
[00对对比例2
[0056] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀26%，锋 1%，铁0.6%，碳0.7%。，余量为铁。
[0057] 其制备方法同实施例1。
[005引本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为4080ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.58%。
[0059] 对比例3
[0060] 本实施例提供了一种铁-儀-鹤-铁-碳多元合金触媒，其合金成分为：儀26%，鹤 1%，侣0.6%，碳0.7%。，余量为铁。
[0061] 其制备方法同实施例1。
[0062] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为4210ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.50%。
[0063] 对比例4
[0064] 与实施例1相比，区别仅在于，本实施例提供的多元合金触媒采用气雾化方法制备 而成。
[0065] 本实施例提供的多元合金触媒中氧含量为3010ppm，氧、娃、硫、憐杂质总含量 0.24%。
[0066] 实施例6
[0067] 本实施例提供了一种人工合成金刚石的方法，具体为:将实施例1所得多元合金触 媒与石墨原料W重量比4:6混合，在1350°C、5.2G化条件下合成金刚石。
[0068] 本实施例分别W实施例1~5W及对比例1~4提供的多元合金触媒为原料，采用上 述人工合成金刚石的方法制备得到金刚石。所得金刚石的性能检测结果如表1所示。
[0069] 表1:金刚石性能检测
[0070] ~由表1可知，采用发明提供的多元合
金触媒合成的金刚石棒产高、冷/热冲击初性I 强且磁化率低，性能优异;虽然与气雾化制成的粉末触媒合成出的金刚石品质相当，但本发 明提供的多元合金触媒采用水雾化方法制备而成，其成本明显低于气雾化方法制备而成的 粉末触媒。
[0072]虽然，上文中已经用一般性说明、【具体实施方式】及试验，对本发明作了详尽的描 述，但在本发明基础上，可W对之作一些修改或改进，运对本领域技术人员而言是显而易见 的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的运些修改或改进，均属于本发明要求保护的 范围。
【主权项】
1. 一种用于合成金刚石的多元合金触媒，其特征在于，以质量百分比计，其合金成分 为:镍25~30%，钨0.5~2%，钛0.5~1.5%，碳0.5~2%。，余量为铁。2. 根据权利要求1所述的多元合金触媒，其特征在于，其合金成分为:镍26~27 %，钨1 ~1.5%，钛0.6~1 %，碳0.7~0.8%。，余量为铁。3. 根据权利要求1或2所述的多元合金触媒，其特征在于，所述多元合金触媒中，粒径 200目~500目的颗粒重量占所述多元合金触媒总质量的80%以上。4. 权利要求1~3任意一项所述多元合金触媒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 取各合金成分的原料，在惰性气体保护条件下进行熔炼，得合金液； (2) 采用高压水雾化方法将所述合金液雾化成粉末状颗粒。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)具体为:将镍板熔化后，加入 钛板和石墨，形成镍-钛-碳合金，再依次加入钨粉、铁棒，在惰性气体保护条件下进行熔炼， 得合金液； 所述步骤（1)优选为:在150~170KW、3500~4500Hz、入口持续通入惰性气体的熔炼炉 熔中，将镍板熔化后，加入钛板和石墨，形成镍-钛-碳合金，再依次加入钨粉、铁棒，熔炼至 温度达到1550~1600 °C，保温3~10分钟，得合金液。6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述高压水雾化方法的雾化压 力为 35±2MPa。7. 权利要求1~3任意一项所述多元合金触媒或权利要求4~6任意一项所述方法制备 而成的多元合金触媒在合成金刚石中的应用。8. 根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将所述多元合金触媒与石墨原料以重量比 3~5:5~7混合、优选以重量比4:6混合，在5.0~5.5GPa、1200~1500°C条件下合成金刚石。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金刚石的合成在国产六面顶压机上进 行。10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金刚石的合成时间为5~30min。
【文档编号】B01J3/06GK105833880SQ201610249073
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】李辉, 高莹, 周连科, 顾毅, 赵全, 马春生, 蒋鑫, 王增辉
【申请人】北京中材人工晶体研究院有限公司