金刚石触媒的形状多种多样，但具有工业使用价值的主要是片状和粉状.采用粉末触媒合成金刚石，具有单产高、原辅材料消耗小、质量好等优点，尤其是可以合成出粗颗粒和高品级金刚石.德国Winter公司从80年代初期开始研究，率先开发成功粉末触媒合成金刚石工艺.90年代以来，DeBeers在收购Winter后与GE均采用粉末触媒进行粗颗粒高强度金刚石生产，并垄断了世界金刚石的市场，但生产技术严格保密.
我国是世界金刚石生产大国，年产量达140t(7亿克拉)，但是品种单一，品级属中低档，且大量使用N iMn25Co5片状触媒.片状触媒生产工序长，能耗大，材料利用率不高，成分偏析明显，不利于金刚石的生长.国内自70年代末先后采用单质粉混合、车削粉屑和水雾化粉等，研究粉末触媒工艺，主要是用于合成小于150Lm的细颗粒金刚石，未在整个行业中得到规模应用.在90年代后期，由于我国金刚石行业不景气，采用粉末触媒合成金刚石，尤其是粗颗粒、高强度金刚石，技术再次受到重视，但一直未有大的突破，粉末触媒的质量不高是关键原因之一，象水雾化触媒合金粉末的氧含量高达2000@10-6.王志法等在NiMn25Co5片状触媒合成体系中，研究了氧含量对金刚石合成效果的影响，发现随着氧含量的增加，金刚石单产明显下降，当氧含量超过2000@10-6后，合成块中没有得到金刚石，因此提出应将氧含量控制在1000@10-6以下.北京有色金属研究总院自1997年开始研究开发高质量的NiMn25Co5粉末触媒，至今已进入规模化生产和推广应用阶段.本文简要介绍N iMn25Co5粉末触媒的制备方法及其基本物理化学特征，以及在六面顶压机合成金刚石的特性.
一、试验方法
快速凝固气雾化技术制备合金粉末的原理是将熔融金属注入底漏坩埚，在底漏坩埚的下方置有气体雾化喷嘴，当熔融的金属液通过导流嘴流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速气体雾化成小液滴，随后合金液滴在雾化气体中飞行时迅速凝固冷却成粉.快速凝固气雾化技术与传统熔铸技术相比，具有明显的优势:1)组织细小，成分偏析小;2)可扩大元素的固溶度，并可产生一些亚稳相或新相;3)具有直接制备出粉末的大规模商业化生产优势，粉末氧含量低，污染小，工艺简单.因此，采用真空/惰气雾化工艺，可制备低氧含量、成分均匀、组织细小的高质量触媒合金粉末.采用电解Ni、Mn、Co原料，按w(Ni)=70%，w(Mn)=25%，w(Co)=5%配比，考虑Mn的烧损，经真空感应熔炼并浇铸成锭，合金锭重熔后被Ar气雾化成粉.雾化工艺参数为:雾化压力115MPa，过热度250 e，导流嘴内径3.5mm.合金粉末过30Lm和63Lm筛后，用于测试分析和合成金刚石试验.
采用X射线仪分析粉末触媒的相结构，金相显微镜观察触媒的组织，扫描电镜分析粉末触媒及合成的金刚石形貌，并检测了合成的金刚石的抗压强度、室温冲击强度和高温冲击强度(900 e、1100 e)等性能.
二、结果及分析
311 NiMn25Co5粉末触媒的特性及组织结构采用气雾化方法制备的N-i Mn-Co合金粉末形貌为球形，如图1所示.由于在真空下熔炼，采用惰气雾化，因此制备的N-i Mn-Co合金粉末触媒氧含量很低，30~63Lm粉末的氧含量为160@10-6，小于30Lm目的为220@10-6.氧含量是区分粉末触媒质量高低的重要指标之一，因为触媒粉末中的氧将对金刚石的合成产生不利影响.造成这种不利影响的原因可能来自两方面:一是，由于N-i Mn-Co合金中的氧主要以氧化锰的形式存在，氧化锰的形成将降低粉状触媒的表面活性，减少粉状触媒与石墨的接触面积，降低其对石墨的湿润性等，影响碳在粉状触媒中的溶解和扩散，不利于金刚石形核;二是，


 
 
触媒氧化将导致其晶格常数变大，以致破坏触媒结构的对应关系而失去触媒的作用.N-i Mn-Co合金粉末的物理特性见表1，不难看出，粉末触媒具有丰富的比表面，有利于提高触媒与石墨的接触面积，提高金刚石形核率和合成单产，降低生产成本.



 
合金粉末的金相显微组织呈细小树枝晶(见图2).由于合金粉末在气雾化过程中，凝固冷速很高，因而其显微组织要比常规铸造轧制工艺生产的N-iMn-Co合金细得多，大大减少了成分偏析，并改善了组织的均匀性，不存在片状触媒的轧制织构问题，有利于金刚石的均匀形核和长大，以及提高晶体的完整性.
气雾化Ni70Mn25Co5触媒合金粉末X射线衍射分析结果表明:合金相结构为类似Ni的单一面心立方固溶体，如图3所示.


 

312 N-i Mn-Co粉末触媒的合成金刚石工艺特点用5 23mm@16mm的反应腔体，分别进行粉末触媒与片状触媒合成金刚石的试验，情况对比见表2.可见，粉末触媒合成的金刚石完整率高，合成单产增加，粗颗粒金刚石数量增加，抗压强度大幅度提高.此外，采用粉末触媒比用片状触媒合成电流降低20%，减小了通电硬质合金顶锤的电流密度，提高了顶锤的寿命，平均每合成2000g金刚石，锤耗降低到2~3kg.触媒与石墨的消耗比例也大大改变，可节约触媒合金约30%.
 



 
 
另外，采用粉末触媒还可合成高产磨料级金刚石.对于5 23mm反应腔体合成高产磨料级金刚石，单产平均达到312g，其中金刚石品级在MBD4和MBD6以上的占90%.可见，粉末触媒的推广应用，将有力促进我国金刚石行业的技术革新和进步，必将产生巨大的经济效益和社会效益.粉末触媒合成的金刚石形貌见图4，可见，金刚石单晶以六-八面体为主，晶型完整率高，晶体内较为纯净包裹体总量不多，分布较为细小弥散.经检测，合成的金刚石具有良好的室温和高温冲击强度(T I、TTI)，检测结果见表3.



 
 
粉末触媒与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，所以金刚石晶型能够对称生长，晶型较为完整;而且碳源的供给在/粉末工艺0下慢而均匀，/片状工艺0下则迅速而不平衡，所以粉状触媒合成的金刚石晶体纯净，包裹体总量不多，夹杂物和气泡更少.因此，粉状触媒合成的金刚石对称性高，晶型完整，晶体纯净，从而具有较高的抗压强度和良好的冷热冲击强度.
三、结论
1)采用气体雾化方法制取的NiMn25Co5触媒合金粉末成分均匀，颗粒呈球形，晶粒细小且各向同性，具有类似Ni的单一面心立方固溶体结构，30Lm粉末氧含量<200@10-6;
2)粉末触媒合成的金刚石晶型完整率高，晶体纯净，包裹体总量不多，夹杂物和气泡少，具有较高的抗压强度和良好的冷热冲击强度;
3)采用粉末触媒合成金刚石，可提高合成单产，节约原辅材料，大大降低金刚石的生产成本，并且不仅能合成高产磨料级金刚石，还能够大大提高粗颗粒和高品级金刚石的比例.http://www.zhenghangyq.com