一种超细颗粒金刚石单晶的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种超细颗粒金刚石单晶的合成方法，包括原料石墨粉和触媒粉末的混合、混合原料置于三维混料机中混合、等静压处理、处理后进行造粒、颗粒混合物料装入模具、利用四柱压机压制成柱状芯柱、成型后的芯柱放入真空炉中处理、处理后的芯柱放入金刚石合成块中，合成块放入六面顶压机高温高压合成超细颗粒金刚石单晶产品。本发明采用的触媒粉末为Ni基合金触媒粉末。利用本发明可制备超细颗粒的金刚石单晶，合成的400目以细超细颗粒金刚石含量达90%以上，晶形完整率达85%以上；有效地解决了现有技术难以合成超细颗粒金刚石的不足；金刚石晶型完整，纯净度高、热冲值达80～87%。
【专利说明】一种超细颗粒金刚石单晶的合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金刚石的合成【技术领域】，特别是涉及一种超细颗粒金刚石单晶的合成 方法。
【背景技术】
[0002] 金刚石单晶作为当今的超硬精细磨料，广泛应用于机械、电子、航天、光学仪器、石 油、军工等【技术领域】和部门。目前，随着尖端科技和高端制造业发展的需要，许多精密器件 的表面光洁度都要求很高，比如电脑磁盘、磁头、光通信器件、光学晶体、半导体基片等器 件，都需要精密的抛光加工，如果表面有任何超出许可范围的凸凹、划伤或者附着异物，所 设计的精度及性能将得不到保证。超细金刚石单晶尤其是400目以细金刚石作为超精细加 工的磨料，其晶形规则完整，热稳定性高；不易划伤工件表面，能满足最苛刻的加工要求，在 加工精度及加工效率方面较普通破碎微粉具有明显优势，是超精、超细加工不可替代的理 想材料。
[0003] 但是，目前在400目以细超细金刚石单晶合成方面，我国尚存在一定的技术困难， 细颗粒金刚石单晶主要在200目以粗，且晶形完整度差，一般为30?40%。现工业上所需 的400目以下的超细颗粒金刚石，几乎都是以机械方法破碎成细颗粒的金刚石来制备。这 样的方法需要花费大量的人力、物力和时间，而且经过破碎的金刚石，尽管经过适当的整形 处理，仍然不能获得满意数量的等积形微粒，颗粒形状比较杂乱，且成本较高，难以满足精 密抛光的要求。因此，如何开发出优质超细颗粒金刚石单晶产品是金刚石行业发展急需解 决的重要问题。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种超细 颗粒金刚石单晶的合成方法。利用本发明技术方案可制备超细颗粒的金刚石单晶，其粒度 为400?1000目，利用本发明所制备的超细颗粒金刚石单晶在满足超精加工的基础上，大 幅度提商了超细颗粒金刚石的完整晶形比例。
[0005] 为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为： 本发明提供一种超细颗粒金刚石单晶的合成方法，包括原料石墨粉和触媒粉末的混 合、混合原料置于三维混料机中混合、等静压处理、处理后进行造粒、颗粒混合物料装入模 具、利用四柱压机压制成柱状芯柱、成型后的芯柱放入真空炉中处理、处理后的芯柱放入金 刚石合成块中，合成块放入六面顶压机高温高压合成超细颗粒金刚石单晶产品，其中： a、 所述触媒粉末为Ni基合金触媒粉末，Ni基合金触媒粉末的细度为600?1000目； 以重量百分比表示，所述Ni基合金触媒粉末由以下原料按照常规方法制成：Fe 20%?25%， Co 3% ?5%，Ce 0· 5% ?2%，Mn 3% ?5%，SiC 0· 5 ?1%，Mo 0· 5 ?1%，余量为 Ni ; b、 所述原料石墨粉和触媒粉末二者之间的重量比为4?5 :6?5 ; c、 合成块放入六面顶压机高温高压合成过程中，实际合成压力为5. 5?6. OGPa，合成 温度为1300?1400°C，实际合成压力和合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成； 所述控制压力曲线：先将压力在40?50s由OMpa升至暂停压力80?85Mpa，开始加 热，保压200?260s后；将压力由暂停压力升压至95?lOOMpa，升压时间为IOs?15s，接 着在20?30s将压力升至最终压力，升至最终压力后保压20?30s，保持结束时加热结束， 加热结束后90?IlOs后卸压，卸压完成后合成结束；所述最终压力为103?105MPa ; 所述控制功率曲线：设置起始功率为3200W，最高功率为8000?8300W ;加热后在30? 40s内功率由起始功率缓升至最高功率，升至最高功率后保持200?240s ;然后设置功率下 降，5?IOs功率由最高功率降至7300?7500W，保持该功率60?80s后停热结束。
[0006] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述石墨粉为杂质含量小于20ppm 的球形石墨，石墨粉的粒度为600?1000目。
[0007] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述600?1000目的石墨粉，使用 前在烘箱内烘烤4?6h，烘烤温度为200°C。
[0008] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述石墨粉与Ni基合金触媒粉末 二者的重量比为4 :6或5 :5。
[0009] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述混合原料置于三维混料机中混 合时，混合时间为5?6h。
[0010] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述等静压处理时控制压力为 230 ?260MPa。
[0011] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述等静压处理后进行造粒，造粒 成3?4mm的球形颗粒混合物料。
[0012] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述成型后的芯柱放入真空炉中处 理，是在IKKTC条件下真空处理。
[0013] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，所述功率曲线的最高功率为8300W。
[0014] 根据上述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，合成的超细颗粒金刚石单晶的粒度 为400?1000目。
[0015] 本发明的积极有益效果： 1、利用本发明技术方案可制备超细颗粒的金刚石单晶，合成的400目以细超细颗粒金 刚石含量达90%以上，晶形完整率达85%以上；有效地解决了现有技术难以合成超细颗粒金 刚石的不足；金刚石晶型完整，纯净度高、热冲值达80?87%。
[0016] 2、本发明合成方法中选择Ni基触媒为主要原料，用以降低触媒的渗碳能力，控制 金刚石的生长速度，从而增加其超细粒度金刚石含量，并提高其结晶质量；同时优选原料粒 度范围为600?1000目，可使石墨粉和触媒粉充分混合，大幅度提高颗粒接触面积，从而促 进超细颗粒金刚石的大量成核；同时触媒中加入稀土 Ce、Mn等元素以扩大触媒体系活化范 围，扩大金刚石合成区间，提高整体合成一致性，有利于超细金刚石的均匀成核和晶体完整 性的提高，而加入SiC，作为异质成核粒子，可有效降低晶体成核的驱动力，促进金刚石的成 核，提高超细颗粒金刚石比例；本发明原料中的Co、Mo用作金刚石与石墨的相间活化原料， 辅助提高金刚石的颜色和纯净度，促进超细颗粒金刚石品质的提高。
[0017] 3、本发明在超细颗粒单晶金刚石合成方法中，通过合理控制压力曲线和功率曲 线，开发一种适合超细颗粒金刚石的生长环境，其控制压力初期保持较高压力状态，并采用 相对略短的暂停压力保持时间，配合快速功率下降，可加大金刚石转化所需的过冷度，从而 促进金刚石的大量成核，形成超细颗粒；这一过程中石墨和触媒金属充分溶渗，形成球状再 结晶石墨，抑制了金刚石的无序成核，从而有效地提高金刚石生长均匀度，减少连聚晶，提 高结晶质量；后期设置小幅回升，可有效弥补叶腊石相变和石墨向金刚石转化所造成的压 力损失，控制超细颗粒金刚石保持在优晶区生长。功率控制过程前期设置功率缓升，可有效 避免一次到温造成的温度冲击报警和对金刚石成核的抑制作用；后期设置快速功降，可加 大金刚石转化所需的过冷度，从而促进成核，并防止温度过高导致的金刚石逆转化；后期设 置功率平台，则防止温度积累，配合压力保持金刚石生长处于优晶区生长。
[0018] 4、利用本发明技术方案合成的超细颗粒金刚石单晶具有粒度细、成核集中、颜色 透度好、晶形完整等特点，产品符合人造金刚石国家标准，晶型一致，晶面完整，杂质少，热 冲值高，其颗粒粒度400/500、500/600为峰值，单晶比达75?85%，晶形完整率达85%以上； 能够有效满足1?精、超精加工等对超细颗粒金刚石的需求。
[0019] 四、【专利附图】
【附图说明】： 图1本发明合成方法中控制压力曲线和功率曲线的示意图。
[0020] 图2本发明所得超细颗粒金刚石单晶产品的电镜扫描图片之一。
[0021] 图3本发明所得超细颗粒金刚石单晶产品的电镜扫描图片之二。
[0022] 五、【具体实施方式】： 以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。
[0023] 实施例1 : 本发明超细颗粒金刚石单晶的合成方法，详细步骤如下： a、 石墨粉和触媒粉末的混合：取石墨粉(杂质含量小于20ppm的球形石墨，石墨粉的粒 度为600?1000目）和触媒粉末按照重量比为4:6的比例进行混合； 石墨粉使用前在烘箱内烘烤5h，烘烤温度为200°C ; 触媒粉末为Ni基合金触媒粉末，其细度为600?1000目；以重量百分比表示，Ni基 合金触媒粉末由以下原料按照常规方法制成：Fe 25%，Co 5%，Ce 2%，Mn 5%，SiC 1%，Mo 1%， 余量为Ni ; b、 将步骤a得到的混合原料置于三维混料机中进行混合6h，230MPa下进行等静压处 理，处理后进行造粒，造粒成3?4mm的球形颗粒混合物料； c、 将步骤b得到的球形颗粒混合物料装入模具中，利用四柱压机压制成柱状芯柱，所 得芯柱尺寸为〇50mmX40mm，芯柱密度为3. 3g/cm3 ;将成型后的芯柱放入真空炉中，IKKTC 下真空处理，充分除尽氧气，自然冷却降至室温； d、 将步骤c处理后的芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机 中进行合成，实际合成压力为6. OGPa，合成温度为1400°C，实际合成压力和合成温度分别 采用控制压力曲线及功率曲线完成； 所述控制压力曲线：先将压力45s由OMpa升至暂停压力85Mpa开始加热，保压230s后； 将压力由暂停压力升压至lOOMpa，升压时间为12s，接着25s将压力升至最终压力105MPa， 升至最终压力后保压30s，保持结束时加热结束，加热结束后100s后卸压，卸压完成后合成 结束； 所述控制功率曲线：设置起始功率为3200W，最高功率为8300W ;加热后在32s内功率 由起始功率缓升至最高功率，升至最高功率后保持220s ;然后设置功率下降，IOs功率由最 高功率降至7500W，保持该功率80s后停热结束。
[0024] 本实施例的合成效果：单产145ct，粒度组成：
【权利要求】
1. 一种超细颗粒金刚石单晶的合成方法，包括原料石墨粉和触媒粉末的混合、混合原 料置于三维混料机中混合、等静压处理、处理后进行造粒、颗粒混合物料装入模具、利用四 柱压机压制成柱状芯柱、成型后的芯柱放入真空炉中处理、处理后的芯柱放入金刚石合成 块中，合成块放入六面顶压机高温高压合成超细颗粒金刚石单晶产品，其特征在于： a、 所述触媒粉末为Ni基合金触媒粉末，Ni基合金触媒粉末的细度为600?1000目； 以重量百分比表示，所述Ni基合金触媒粉末由以下原料按照常规方法制成：Fe 20%?25%， Co 3% ?5%，Ce 0· 5% ?2%，Μη 3% ?5%，SiC 0· 5 ?1%，Mo 0· 5 ?1%，余量为 Ni ; b、 所述原料石墨粉和触媒粉末二者之间的重量比为4?5 :6?5 ; c、 合成块放入六面顶压机高温高压合成过程中，实际合成压力为5. 5?6. OGPa，合成 温度为1300?1400°C，实际合成压力和合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成； 所述控制压力曲线：先将压力在40?50s由OMpa升至暂停压力80?85Mpa，开始加 热，保压200?260s后；将压力由暂停压力升压至95?lOOMpa，升压时间为10s?15s，接 着在20?30s将压力升至最终压力，升至最终压力后保压20?30s，保持结束时加热结束， 加热结束后90?110s后卸压，卸压完成后合成结束；所述最终压力为103?105MPa ; 所述控制功率曲线：设置起始功率为3200W，最高功率为8000?8300W ;加热后在30? 40s内功率由起始功率缓升至最高功率，升至最高功率后保持200?240s ;然后设置功率下 降，5?10s功率由最高功率降至7300?7500W，保持该功率60?80s后停热结束。
2. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述石墨粉 为杂质含量小于20ppm的球形石墨，石墨粉的粒度为600?1000目。
3. 根据权利要求2所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：600?1000 目的石墨粉，使用前在烘箱内烘烤4?6h，烘烤温度为200°C。
4. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述石墨粉 与Ni基合金触媒粉末二者的重量比为4 :6或5 :5。
5. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述混合原 料置于三维混料机中混合时，混合时间为5?6h。
6. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述等静压 处理时控制压力为230?260MPa。
7. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述等静压 处理后进行造粒，造粒成3?4mm的球形颗粒混合物料。
8. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述成型后 的芯柱放入真空炉中处理，是在ll〇〇°C条件下真空处理。
9. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：所述功率曲 线的最高功率为8300W。
10. 根据权利要求1所述的超细颗粒金刚石单晶的合成方法，其特征在于：合成的超细 颗粒金刚石单晶的粒度为400?1000目。
【文档编号】C30B29/04GK104264210SQ201410463444
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】张存升, 邵增明 申请人:河南省力量新材料有限公司