一种八面体金刚石的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种八面体金刚石合成方法，其包括以下步骤：（1）制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料Ni、Co、Cu、Mn、V，余量为铁；将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；（2）取300目以细石墨；（3）将粉末触媒和石墨混合，静压后得到颗粒混合料；（4）将步骤（3）中得到的颗粒混合料装入模具中，压制成芯柱；（5）将步骤（4）中得到的芯柱置入真空环境中，用还原的方法去除氧，然后在气体的保护下冷却到室温，出炉后真空包装；（6）将步骤（5）中出炉后的芯柱装入合成块中进行加热，并对其加压合成。本发明所得八面体含量达到了85～95％，金刚石晶形一致、晶形完整、热冲高。
【专利说明】一种八面体金刚石的合成方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及金刚石合成领域，特别涉及一种八面体金刚石的合成方法。
【背景技术】
[0002]金刚石以其优异的力学和物理、化学性能，被广泛应用于钻探、石材加工、机械加工、电子工业、航天工业等领域。是现代工业不可缺少的工程材料。目前，随着合成技术的不断进步，人造金刚石单晶的品质也越来越高。在金刚石工具使用中，除金刚石结晶质量外，金刚石晶型也是影响工具使用性能的重要因素。然而以往人们只重视金刚石的结晶质量，并对其进行了较为深入的研究，而晶形作为另一重要因素却没能引起人们足够的重视。最新研究表明:金刚石晶形不仅可以反映结晶质量，而且不同的晶型具有不同的特性，从而影响到金刚石工具的使用性能。八面体金刚石:锋利度较高，自锐性好，硬度较高，适合高精、高效磨削工具等。使用八面体金刚石制造工具，在某些方面具有其他类型金刚石不可比拟的优点。
[0003]目前高温高压下人工合成金刚石所用的触媒多为铁65%_70%、镍30%_35%合金触媒，慢降工艺。实践证明，采用常规方法难以有效合成出八面体金刚石，且会出现:合成稳定性差、产量低、晶型较差、八面体含量不够等问题，使得八面体金刚石的合成成本较高且不能规模化生产。因此，研究开发一种有效合成八面体金刚石的方法是十分必要的。
[0004]本发明要解决的问题为:现有工艺方法难以有效合成八面体金刚石，合成稳定性差、转化率低和晶型含量不够等问题。
[0005]本发明的目的是提供一种八面体金刚石合成方法，该方法在满足金刚石结晶质量的基础上，可大幅提闻八面体金刚石比例，具有工艺稳定、转化率闻、晶型规则、冲击指标闻等优点。
[0006]本发明所述的八面体金刚石合成方法，是通过粉末触媒配方设计和石墨粉优选，利用间接加热结构以及高温压力机压力、温度参数控制，创造一种八面体金刚石生长的环境，使其优质稳定可控生长，从而实现八面体金刚石的优质有效合成。
[0007]本发明是采取下述技术方案实现的:
(1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:7%?10%，Co:1%?3%，Cu:0.5%?2%，Mn:3%?5%，V:0.01%?0.05%，余量为铁;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；
(2)取300目以细石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比4?6: 6?4的比例混合均匀，静压后破碎成50?70目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为2.9 g/cm3?3.3g/cm3 ；
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1100°C?1200°C下真空处理14?15小时，用还原的方法去除氧，然后在保护气体下冷却到室温，在真空环境下储存； (6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成，合成过程中的合成温度为1250°C?1300°C，合成块腔内部压力为5.0Gpa?5.5Gpa ；
(7)对高温压力机压力和温度工艺进行设定，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
所述设定高温压力机包括压力设定和功率设定；其中，压力设定如下:将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到60Mpa?63Mpa后开始加热，停止加压，保持350S?370S，再将压力在20S内，提高到75Mpa?80Mpa，然后在1000S?1020S内均速增至85Mpa?90Mpa，保持60s?200s，停止加热90S?IlOS后卸压；所述功率设定如下:高温压力机起始功率为5000W?5500W，起始功率保持330S?350S ;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，上调幅度为起始功率的3.5%?5%，保持90S?IlOS ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2%?3%，保持至高温压力机卸压；
卸压完成后合成结束。
[0008]步骤(2)中的石墨为球形石墨。
[0009]步骤(5)中的保护气体为氮气。
[0010]步骤(3)中将粉末触媒和石墨按重量比4?6: 6?4的比例混合3?5小时。
[0011]步骤(3)中将均匀混合的粉末触媒和石墨静压后破碎成55?65目以细颗粒。
[0012]步骤(3)中将均匀混合的粉末触媒和石墨静压后破碎成60目以细颗粒。
[0013]步骤(4)中芯柱的直径为:Φ40 mm?Φ58 mm,芯柱的高度为:30 mm?45 mm。
[0014]步骤(5)中芯柱出炉后进行真空包装。
[0015]步骤(7)中第一次功率缓升，在500S内将功率上调，上调幅度为起始功率的
3.5% ?5%,保持 100S ；
与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果
与传统工艺相比，应用该方法可控制金刚石晶型八面体为主，是对人造金刚石合成工艺的一项革新。
[0016]本发明通过触媒配方设计，调整溶媒温度及触媒合金的活化能适合八面体金刚石生长；同时添加Mn、Cu、V等有益成分，利于八面体金刚石的生长。
[0017]本发明方法合成出的八面体金刚石，晶型一致、晶面完整、杂质少、热冲值高且自锐性好。可有效满足工具把持与耐磨的要求，大幅提高工具的使用效率。
[0018]本发明方法采用成核后功率回升的方式，有利于晶型向八面体的迅速转化，温度易于控制，工艺运行稳定。
[0019]本发明方法合成的八面体金刚石产品是国内外市场紧缺的产品，能够使企业获得良好的经济效益。
【具体实施方式】
[0020]以下实例对本发明做进一步的说明，将有助于对本发明工艺及其优点做进一步的理解。
[0021]实施例1 (1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:N1:7%、Co:1%、Cu:
0.5%、Mn:3%，V:0.01%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；选择300目以细触媒颗粒备用；
(2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比4:6的比例混合3小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为2.9g/cm3;芯柱尺寸为:Φ40 mm *30 mm ；
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1100°C下真空处理14小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到60Mpa后开始加热，停止加压，保持350S，再将压力在20S内，提高到75Mpa，然后在1000S内均速增至85Mpa，保持到加热结束，停热90S后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5000W，起始功率保持330S;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的3.5%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0022]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表I所示。
[0023]实施例2
(1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:10%,Co:3%,Cu:2%、Mn:5%，V:0.05%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；
(2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比4:6的比例混合5小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为3.3g/cm3 ;芯柱尺寸为:Φ 58 m m *45 m m ；
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1200°C下真空处理15小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到60Mpa后开始加热，停止加压，保持370S，再将压力在20S内，提高到80Mpa，然后在1020S内均速增至90Mpa，保持到加热结束，停热IlOS后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5500W，起始功率保持350S ;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的5%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的3%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0024]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表I所示。
[0025]实施例3
(1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:8.5%、Co:2%、Cu:1.25%、Mn:4%, V:0.03%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；选择300目以细触媒颗粒备用；
(2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比4:6的比例混合4小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为3.lg/cm3 ;芯柱尺寸为:Φ49 mm *37.5 mm;
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1150°C下真空处理14.5小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到60Mpa后开始加热，停止加压，保持360S，再将压力在20S内，提高到77.5Mpa，然后在1010S内均速增至87.5Mpa，保持到加热结束，停热100S后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5250W，起始功率保持340S;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的4.25%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2.5%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0026]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表I所示。
[0027]实施例4
(I)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:N1:9%、Co:1.5%、Cu:1.5%、Mn:3.5%，V:0.02%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；选择300目以细触媒颗粒备用。
[0028](2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比4:6的比例混合5小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为2.9g/cm3 ;芯柱尺寸为:Φ49 mm *40 mm。
[0029](5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1200°C下真空处理15小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到63Mpa后开始加热，停止加压，保持350S，再将压力在20S内，提高到79Mpa，然后在1000S内均速增至87Mpa，保持到加热结束，停热100S后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5000W，起始功率保持350S;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的3.5%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0030]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表I所示。
[0031]实施例5
(1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:8.5%、Co:2%、Cu:1.3%、Mn:3.5%，V:0.02%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；选择300目以细触媒颗粒备用；
(2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比6:4的比例混合5小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为3.3g/cm3;芯柱尺寸为:Φ49 mm *40 mm ；
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1200°C下真空处理15小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到61Mpa后开始加热，停止加压，保持370S，再将压力在20S内，提高到76Mpa，然后在1020S内均速增至89Mpa，保持到加热结束，停热100S后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5450W，起始功率保持370S;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的4.5%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2.5%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0032]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表1所示。
[0033]实施例6
(1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:10%, Co:1.5%、Cu:
1.5%、Mn:4%，V:0.04%，余量为Fe ;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒；选择300目以细触媒颗粒备用；
(2)取300目以细球形石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下；
(3)将粉末触媒和石墨按重量比5:5的比例混合4小时，静压后破碎成60目以细颗粒，得到颗粒混合料；
(4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为3.3g/cm3 ;芯柱尺寸为:Φ 50 m m *40 m m ；
(5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1200°C下真空处理15小时，还原的方法去除氧，然后在氮气保护下下冷却到室温，在真空环境下储存；
(6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成；
(7)采用Φ650_缸径压机对压力和温度工艺进行调整，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成；
(8)压力设定,将高温压力机 的压力以大于IMpa/s的速度由O加到62Mpa后开始加热，停止加压，保持370S，再将压力在20S内，提高到78Mpa，然后在1020S内均速增至88Mpa，保持到加热结束，停热100S后卸压，卸压完成后合成结束；
(9)功率设定:高温压力机起始功率为5380W，起始功率保持370S;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，是个那条幅度为起始功率的4.5%，保持100S ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2.5%，保持至高温压力机卸压。高温压力机卸压后合成结束。
[0034]采用该方法合成的八面体金刚石，晶型完整，含量较高，单产165ct以上，性能如表1所示。
[0035]合成检测性能表1
【权利要求】
1.一种八面体金刚石合成方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: (1)制备300目以细粉末触媒，粉末触媒原料按重量百分比计:Ni:7%?10%，Co:1%?3%，Cu:0.5%?2%，Mn:3%?5%，V:0.01%?0.05%，余量为铁;将上述原料按公知触媒制造方法制备得到粉末触媒； (2)取300目以细石墨，石墨的杂质重量含量为30PPm以下； (3)将粉末触媒和石墨按重量比4?6: 6?4的比例混合均匀，静压后破碎成50?70目以细颗粒，得到颗粒混合料； (4)将步骤(3)中得到的颗粒混合料装入模具中，制成芯柱，芯柱密度为2.9 g/cm3?3.3g/cm3 ； (5)将步骤(4)中得到的芯柱置入真空环境中，在1100°C?1200°C下真空处理14?15小时，用还原的方法去除氧，然后在保护气体下冷却到室温，在真空环境下储存； (6)将步骤(5)中制得的芯柱装入合成块中，对其进行加热，并采用高温压力机对其加压合成，合成过程中的合成温度为1250°C?1300°C，合成块腔内部压力为5.0Gpa?5.5Gpa ； (7)对高温压力机压力和温度工艺进行设定，该工艺采用二次暂停后功率回升的工艺形式:即先设定高温压力机，再按设定的工艺参数进行合成； 所述设定高温压力机包括压力设定和功率设定；其中，压力设定如下:将高温压力机的压力以大于IMpa/s的速度由O加到60Mpa?63Mpa后开始加热，停止加压，保持350S?370S，再将压力在20S内，提高到75Mpa?80Mpa，然后在1000S?1020S内均速增至85Mpa?90Mpa，保持60s?200s，停止加热90S?IlOS后卸压；所述功率设定如下:高温压力机起始功率为5000W?5500W，起始功率保持330S?350S ;保持结束后，第一次功率缓升，在500S内将功率上调，上调幅度为起始功率的3.5%?5%，保持90S?IlOS ;再使功率在500S内匀速上调，上调幅度为起始功率的2%?3%，保持至高温压力机卸压； 卸压完成后合成结束。
2.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(2)中的石墨为球形石墨。
3.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(5)中的保护气体为氮气。
4.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(3)中将粉末触媒和石墨按重量比4?6: 6?4的比例混合3?5小时。
5.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(3)中将均匀混合的粉末触媒和石墨静压后破碎成55?65目以细颗粒。
6.根据权利要求5所述的八面体金刚石合成方法，步骤(3)中将均匀混合的粉末触媒和石墨静压后破碎成60目以细颗粒。
7.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(4)中芯柱的直径为:Φ40mm?Φ58 mm,芯柱的高度为:30 mm?45 mm。
8.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(5)中芯柱出炉后进行真空包装。
9.根据权利要求1所述的八面体金刚石合成方法，步骤(7)中第一次功率缓升，在500S内将功率上调，上调幅度为起始功率的3.5%?5%，保持100S。
【文档编号】B01J3/06GK103566830SQ201310075402
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年3月11日 优先权日:2013年3月11日
【发明者】张存升 申请人:河南省力量新材料有限公司