稀有金属 2002,(06),420-424 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.06.003

NiMnCo金刚石粉末触媒的特性

徐骏 经海 马自力 杨必成 徐柱天 石力开

北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心,北京有色金属研究总院复合材料中心 北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘 要：

采用差热分析 (DAT) 研究了NiMnCo粉末触媒熔化和凝固过程中合金的变化规律 ;采用扫描电子显微镜、金相显微镜、X射线衍射分析仪揭示了粉末触媒的微观组织结构 , 并对粉末触媒合成金刚石的合成块断口及合成的金刚石进行了分析 , 从宏观、微观角度评价了合成金刚石用NiMnCo粉末触媒的特性

关键词：

粉末触媒;金刚石;NiMnCo;

中图分类号： TQ164

收稿日期：2002-03-27

基金：国家自然科学资金资助项目 (5 0 0 0 10 0 1);

Characteristics of NiMnCo Powder Catalyst Used in the Synthesis of Diamond

Abstract：

The DAT behaviors of NiMnCo powder catalyst during melting and solidifying were studied. The micro structure of the catalyst was revealed through SEM, optical microscopy and X ray diffraction. The fracture of the synthetic diamond was analyzed. The property evaluation of NiMnCo catalyst was conducted from macro and micro anyles.

Keyword：

diamond; powder catalyst; NiMnCo;

Received： 2002-03-27

人造金刚石是21世纪最有发展前途的功能材料之一, 其对石材加工、 建筑维修、 机械加工、 石油开发、 地质勘探等行业起着支撑和促进作用。 35年来, 我国人造金刚石行业有了突飞猛进的发展, 已成为世界上人造金刚石产量最大的国家, 提高金刚石的质量和粗粒度比是我国超硬材料行业多年来为之奋斗的目标 ^[1] 。 Winter公司80年代初开始开展高强度、 粗颗粒金刚石生产; 近几年来, 我国金刚石行业正在进行粉末触媒及金刚石合成工艺的研究。 粉末触媒与片状触媒相比, 首先, 粉末触媒具有更大的表面积, 例如对于Φ23 mm的合成腔体, 采用厚度为0.3 mm的片状触媒, 表面积为831 mm²; 而若采用100 μm的粉末触媒, 表面积可达3819 mm²; 其次, 粉末触媒与石墨粉料可充分混合, 接触 (反应) 面积大, 可大幅度提高合成单产和产品质量。 粉末触媒和石墨合成金刚石在质量、 产量和硬质合金消耗等诸多方面均具明显优势, 它将成为我国金刚石行业走出低谷, 跨上新台阶的重要途径之一。

在人造金刚石合成过程中, 触媒材料的化学成分、 微观组织结构、 宏观形态与合成金刚石的品质、 产量有着密不可分的关系。 目前尚未见NiMnCo粉末触媒特性的详细报道。 本文通过差热分析 (DAT) 研究NiMnCo粉末触媒熔化和凝固过程中合金的变化规律; 采用扫描电子显微镜、 金相显微镜、 X射线衍射分析仪揭示粉末触媒的微观组织结构, 并对粉末触媒合成金刚石的合成块断口及合成的金刚石情况进行分析, 从宏观、 微观角度评价合成金刚石用NiMnCo粉末触媒的特性。

1 试验方法

气体雾化方法制备Ni70Mn25Co5 (采用的原料为电解Ni≥99.97%, 电解Co≥99.86%, 电解Mn≥99.8%触媒合金粉末。 通过高温综合热分析仪测定粉末触媒的差热曲线; 分别采用扫描电子显微镜、 金相显微镜、 X射线衍射分析仪对粉末触媒的微观组织结构及合成块断口进行分析; 同时对Ni70Mn25Co5粉末触媒合成的金刚石的抗压强度、 室温冲击强度、 热冲击强度 (900 ℃, 1100 ℃) 几项性能指标进行评价。

2 试验结果及讨论

2.1 NiMnCo粉末触媒的差热分析 (DAT)

采用惰性气体保护通过高温综合热分析仪分别对片状NiMnCo触媒、 45～75 μm和 25～45 μm 粉末触媒的差热分析曲线进行测定, 分析结果如图1, 2所示。 由图1, 2不难看出, 粉状触媒的熔点比常规片状触媒低约30～40 ℃。 粉末触媒随着冷却速度的增大, 合金的熔点降低。 作者认为随着冷却速度增大, 粉末颗粒变小; 随着粉末颗粒变

图1 NiMnCo片状触媒的DAT分析曲线

Fig.1 DAT curves of slice NiMnCo catalyst

图2 NiMnCo粉末触媒的DAT分析曲线 (a) 45～75 μm; (b) 25～45 μm

Fig.2 DAT curves of powder NiMnCo catalyst

小, 比表面积增大, 吸热能力增强, 导致粉末触媒熔点下降; 粉末触媒熔点的降低, 有利于降低合成金刚石的合成功率, 降低人造金刚石的生产成本。

2.2 金刚石合成用粉末触媒的表面形貌及组织结构特征

粉末触媒通常为球形、 类球形、 多棱角形和鳞片形, 但对金刚石生长过程的界面效应而言, 在同等条件下, 球形或类球形表面积最小; 从粉状材料混料工艺程序来看, 鳞片形更好一些, 见图3 (b) ^[2] 。 采用气体雾化方法制备的NiMnCo合金粉末微观形貌为球形或类球形, 如图3 (a) 所示。 NiMnCo合金粉末的金相组织呈细小的树枝晶, 见图4 (a) , 冷却速度增大, 合金粉末颗粒越细小, 枝晶越细。 由此可见, 粉末触媒与片状触媒的形貌和显微组织结构存在明显不同, 片状触媒呈圆片状, 合金为铸造轧制态, 组织呈择优取向带状, 但快凝组织、 轧制组织对金刚石合成的影响有待进一步研究。 NiMnCo合金粉末的其它物理特性见表1。 粉末触媒具有比片状触媒高得多的比表面积, 因此, 粉末触媒的研究应用为提高触媒与石墨的接触面积, 提高金刚石的合成单产和石墨利用率, 降低生产成本提供了一条有效的途径。

NiMnCo 触媒合金粉末的X射线衍射曲线如图5 (a, b) 所示, 分析结果表明:晶体结构为面心立方固溶体, 相组成为单一奥氏体相, 点阵结构常数a为0.360 nm, 与金刚石点阵常数a 为 0.359 nm接近, 符合金刚石触媒的催化原则 ^[3] 。 片状触媒在{110}方向存在择优取向, 由于金刚石借助于触媒合金晶格形核, 因此所形成的金刚石晶体的位向与触媒合金位向存在密切关系, 从一定程度上讲, 触媒晶粒的位向可以是金刚石形核的位向; 因此触媒合金的织构将影响粗粒金刚石的合成, 王振强 ^[4] 的研究结果表明{110}织构有利于粗颗粒金刚石的合成。

2.3 NiMnCo粉末触媒合成不同粒度金刚石后合成块断口分析

对NiMnCo粉末触媒合成粗粒度金刚石的断口进行分析, 结果如图6所示, 金刚石弥散分布于断口上, 见图6 (a) , 金刚石颗粒尺寸大约在200～300 μm左右, 金刚石周围包覆层较厚, 呈球体; 由此不难看出, NiMnCo粉末触媒合成的金刚石呈等积形, 对称性好, 金刚石的合成是在一个三维空间中完成的, 如图6 (b) 所示。

表1 NiMnCo粉末触媒的物理特性

Table 1 Physcial properties of powder NiMnCo catalyst

名称	松装比/ (g·cm-3)	比重/ (g·cm-3)	流动性/ (s·50 g-1)	比表面/ (m2·g-1)
数值	4.51	8.3	15.8	0.06

图3 NiMnCo粉末触媒的SEM形貌 (a) 球形或类球形; (b) 鳞片形

Fig.3 SEM of powder NiMnCo catalyst

图4 NiMnCo触媒的SEM金相显微组织 (a) 粉状; (b) 片状

Fig.4 SEM of NiMnCo catalyst

图5 NiMnCo触媒X射线衍射图谱 (a) 粉末触媒; (b) 片状触媒

Fig.5 X-diffraction spectra of NiMnCo catalyst

对NiMnCo粉末触媒合成细粒度金刚石断口进行分析, 结果如图7所示。 与图6相比, 金刚石形核密度大幅度提高, 整个断口密布着金刚石, 见图7 (a) , 金刚石尺寸基本在几十μm左右, 金刚石不规则形状增多, 见图7 (b) , 因此这种金刚石适合制作研磨料。

2.4 NiMnCo粉末触媒合成金刚石特性评价

对粉末触媒合成金刚石的性能进行了检测 (见表2) , 并对金刚石的晶形特征进行了分析, 如图8所示。

图6 NiMnCo粉末触媒合成粗颗粒金刚石合成块断口

Fig.6 Fraction of coarse grain diamond synthesized

图7 NiMnCo粉末触媒合成细颗粒金刚石合成块断口

Fig.7 Fraction of fine grain diamond synthesized

图8 NiMnCo粉末触媒合成金刚石的SEM形貌 (a) 粗颗粒; (b) 细颗粒

Fig.8 SEM of diamond synthesized through powder NiMnCo catalyst

表2 NiMnCo 粉末触媒合成的金刚石的性能

Table 2 Properties of diamond synthesized through NiMnCo powder catalyst

样品类别	静压强度/ kg	TI/ %	TTI/%
			900℃	1100℃
50/60	17.8	69.34	66.06	51.44

由表2, 3和图8可见, 一方面, 粉末触媒不仅可以生产粗颗粒金刚石, 而且可以生产细颗粒金刚石, 采用粉末触媒与石墨合成金刚石, 金属触媒/石墨呈空间三维分布, 能产生较为均一的温度场和压力场, 给金刚石的生长创造了较好的条件, 金刚石晶型完整率高、 透明度好, 且具有良好的冷热冲击性能; 另一方面, 采用粉末触媒有利于提高合成单产和高强、 粗颗粒金刚石的产出率, 提高经济效益。

3 结 论

1. 粉末触媒的熔点比常规片状触媒低约30～40 ℃, 合金粉末微观形貌为球形或类球形, 晶体结构为面心立方固溶体, 相组成为单一奥氏体相, 点阵结构常数为 0.360 nm, 与金刚石点阵常数0.359 nm接近, 符合金刚石触媒的催化原则;

2. 在高温高压下, 采用粉状触媒和粉状石墨不仅能合成优质细粒度金刚石, 而且也能合成粗颗粒、 高品级的金刚石;

3. 粉末触媒有利于提高合成单产和高强、 粗颗粒金刚石的产出率。

表3 不同形态触媒材料的使用性能和合成金刚石结果

Table 3 Properties of NiMnCo catalyst at different solidification rates and correspondingresults of synthetic diamond

NiMnCo 触媒 (Φ23 mm×16 mm)	单产 ct	金属/石墨 (重量比)	晶型	≥20 kg 提取率/%	300 μm以粗 比例/%	合成 电流
片状触媒	9	66/34	完整率较低	几乎无	60	/
粉末触媒	12	35/65	完整率较高	≥10	70	降低20%

注:表中数据为六面顶压机合成腔体为Φ23×16 mm的合成结果。

参考文献

[1] 　王光祖.　关于我国人造金刚石未来发展的思考.超硬材料发展35周年研讨会论文集, 杭州, 1998.11.

[2] 　王光祖.　粉末触媒的技术特征及其对金刚石合成的影响.′98郑州国际超硬材料及制品研讨会, 郑州, 1998.100.

[3] 　郝兆印.　人造合成金刚石.长春:吉林大学出版社, 1996.78.

[4] 　王振强.　触媒材料的组织结构对金刚石合成的影响[硕士学位论文].北京:钢铁研究总院, 1993.