天然鳞片石墨灰分对粉末技术合成金刚石的影响

第20卷第2期 超　硬　材　料　工　程V o l.20 2008年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A p r.2008天然鳞片石墨灰分对粉末技术合成金刚石的影响①徐燕军1,2,柳成渊1,2,陈　哲1,2,刘一波1,2,尹翔2,赵万林1,2

(1.钢铁研究总院,北京　100081;2.安泰科技股份有限公司,北京　100081)

摘　要:天然鳞片石墨已经被广泛应用于粉末触媒技术合成人造金刚石,其性能直接关系着金刚石的各项

性能指标。文章通过研究天然鳞片石墨灰分对金刚石静压强度、T T I等性能指标的影响,提出了在选择合

成金刚石用石墨材料时,灰分应低于50ppm,同时灰分较低时也要注意残留物有害元素对金刚石的影响,

如S、Si等。

关键词:金刚石;鳞片石墨;灰分;粉末冶金技术

中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2008)02-0008-04

I nf luence of a sh of squama graph ite on syn thesiz i ng

d i am ond by powder ca ta lyst technology

XU Yan2jun1,2,L I U Cheng2yuan1,2,CH EN Zhe1,2,

L I U Y i2bo1,2,Y I N X iang2,ZHAO W an2lin1,2

(1.I ron&S teel R esearch Institu te,B eij ing100081,Ch ina;

2.A d vanced T echnology&M aterials Co m p any L i m ited,B eij ing100081,Ch ina)

Abstract:T he squam a grap h ite as the carbon sou rce has been w idely u sed in syn thesizing

diam ond by the pow der catalyst techno logy,w h ich affect the perfo r m ance of the syn thetic

diam ond directly.In the pap er,the au tho rs m ade a research on the influence of ash of

squam a graph ite on the static p ress strength and ther m al toughness of i m pact of diam ond,

and indicate that the percen t of ash con ten t shou ld be under50ppm,and shou ld p ay

atten ti on to the influence of the har m fu l elem en ts such as the S,Si etc.

Keywords:diam ond;squam a grap h ite;ash con ten t;pow der m etallu rgy techno logy

0　前言

近几年来,粉末触媒技术在国产六面顶金刚石压机上合成人造金刚石基本替代了传统的片状技术,而传统的合成金刚石的碳源——碳片也随之变成了石墨粉。目前粉末技术主要采用高纯天然鳞片石墨作为合成金刚石的原材料。然而不同的石墨合成金刚石的效果差异非常大,因此如何评价天然鳞片石墨,如何选择石墨原材料,成为金刚石合成研究的热点。30多年前,苟清泉教授就合成金刚石单晶的石墨优选原则提出了清晰的概念:高石墨化度、高纯度、大晶粒度、高密度[1]。其中,石墨纯度一直是合成金刚石碳源非常重要的指标。本文在天然鳞片石墨作为粉末触媒技术合成金刚石碳源时,对其灰分及残留物进行了研究。

①收稿日期:2008-01-20

作者简介:徐燕军(1971-),男,高级工程师,在读博士研究生,主要研究方向是超硬材料合成技术。

1　试验方法

1.1　石墨灰分的测定及计算

预先将要检测的石墨样品放干燥箱200℃烘烤12小时。然后从中称取15g (精确至±0.0002g ),放入预先恒重的敞口蒸发皿中,将蒸发皿置于950℃±20℃马弗炉中,保持炉门开启25m in ,空气自然进入炉内氧化样品,石墨被烧尽后取出蒸发皿,稍冷后,移入干燥箱冷却至室温,迅速称重。再将蒸发皿放入高温炉灼烧20m in ,重复以上步骤,直至重量之差不超过011m g 。此时残留物为石墨灰分。试样灰分A 按式(1)计算:

A =M 1 M ×10

6

(1)

式中:A ——试样灰分,10-6;M ——称取试样质

量,g ;M 1——试样灼烧后残留物质量,g 。1.2　实验原料及组装

碳源:不同牌号不同灰分的天然鳞片石墨(-200目)

触媒:安泰科技股份有限公司FeN i 30水雾化合金粉末(-200目)

实验组装如图1,本实验为间接加热组装结构即氧化镁杯绝缘,石墨纸及石墨片作为电热介质。合成反应腔由叶腊石复合传压介质构成,经300℃焙烧。叶腊石块为边长55mm 的立方体,孔径540mm 。合成腔为536mm ,合成柱触媒石墨重量比为触媒∶石墨=3∶7,经三维混料机混合压制成尺寸为535.2×29mm 圆柱体,单重为78g

。

图1　合成反应腔半截组装结构

F ig .1　A ssem bly sketch of half synthesizing block

1.3　合成工艺参数选择

高压合成设备为6×1800t 铰链式六面顶压机,压机缸径为5460mm 。金刚石合成工艺采用二段升压,加热时间25m in ,合成压力和加热功率根据石墨生长金刚石的实际效果判断调整。为保证合成工艺的

一致性,合成金刚石的单产均控制在相当水平。

2　实验结果及分析

2.1　灰分与金刚石各性能指标的关系

所谓灰分主要是指石墨中所含的杂质成分,亦即

石墨的纯度。目前,普遍使用的高纯天然鳞片石墨纯度都接近99.99%,但是由于碳源石墨晶体存在缺陷,灰分会改变石墨的晶体结构和热力学性质,从而影响金刚石的合成效果。如Si 会使金刚石点阵发生畸变,降低金刚石的强度[2]。基于这一点,采用不同牌号不同灰分含量的天然鳞片石墨(灰分均低于100ppm )进行金刚石合成实验,对合成的金刚石的静压强度、热冲击韧性(T T I )进行了分析,选择40 45目,45 50目金刚石进行性能测试,结果如表1所示。分析石墨灰分含量对金刚石性能的影响,确定天然鳞片石墨灰分指标。

表1　不同灰分与金刚石静压强度、热冲击韧性(T T I )的关系

T able 1　T he relati onsh i p betw een different ash content w ith static p ress strength and ther m al i m pact toughness of diamond

石墨

牌号灰分

(×10-6)静压强度(N )40 45(目)　45 50(目)　T T I (%)

40 45(目)45 50(目)

CL

1621620172.8744219517465.368.291

16114457.866.3CJ

2619017762.875.54718017665.771.5100

15914950.568JX

1319216471.580.53320118670.377.875

1602006265.8HX

181901807180.540

18718068.578.578

168

188

66.3

73.5

金刚石静压强度随着灰分的增加有下降的趋势,

当灰分接近100时,金刚石强度明显下降。这是由于石墨灰分致使石墨晶体缺陷,在金刚石生长过程中,由于石墨灰分的存在,触媒合金在石墨中的溶解度不同程度受到影响,而这种影响如果不是均匀分布的时候,就会造成金刚石气泡或包裹体等晶体缺陷的产