金剛石臺(tái)階合成工藝的研究

賈傳寶,宋增民,劉林方(河南金渠黃金股份超硬材料公司,河南三門(mén)峽 47000)

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金剛石臺(tái)階合成工藝的研究

賈傳寶1,宋增民2,劉林方2
(河南金渠黃金股份超硬材料公司,河南三門(mén)峽 472000)

摘 要:通過(guò)對(duì)合成腔體的溫度、測(cè)定精確控制,設(shè)計(jì)出合理的功率曲線,尋找出科學(xué)最短的合成工藝暫停時(shí)間,以便我們充分利用合成有效生長(zhǎng)時(shí)間,提高工藝效率。根據(jù)不同的合成時(shí)間進(jìn)行拍塊處理檢測(cè),確定不同階段金剛石生長(zhǎng)速度和合成壓力的關(guān)系,通過(guò)設(shè)計(jì)不同的臺(tái)階壓力工藝曲線,有效地、有目的地控制金剛石的生長(zhǎng)速度,最大限度地利用合成時(shí)間,在最短的時(shí)間內(nèi)以達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中,合成溫度將上升20℃～30℃,金剛石各階段生長(zhǎng)速度是不一致的,合理的臺(tái)階工藝,在保證質(zhì)量的情況下,單產(chǎn)可以提高10%以上。

關(guān)鍵詞:金剛石;測(cè)溫;暫停時(shí)間;溫度;壓力曲線;臺(tái)階工藝

0　引言

當(dāng)合成溫度和合成壓力達(dá)到合成條件時(shí),不同的合成工藝均能合成出金剛石,不同的生長(zhǎng)時(shí)間,在相對(duì)應(yīng)的合成工藝條件下,均能合成出相同粒度的金剛石,但是質(zhì)量卻相差甚遠(yuǎn)。本研究主要是針對(duì)不同工藝形狀的合成現(xiàn)象,總結(jié)金剛石生長(zhǎng)規(guī)律,建立一種更加合理、科學(xué)的合成工藝曲線,從而指導(dǎo)生產(chǎn)工藝調(diào)整方向。

1　試驗(yàn)方法

1.1理論指導(dǎo)

靜態(tài)高溫高壓法合成金剛石,是目前國(guó)內(nèi)金剛石合成生產(chǎn)普遍采用的一種方法。通過(guò)對(duì)壓力、溫度的控制來(lái)改變合成腔體內(nèi)部金剛石生長(zhǎng)環(huán)境,從而達(dá)到生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)金剛石單晶的目的。在實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)控制壓力可適當(dāng)改變金剛石生長(zhǎng)速度,而生長(zhǎng)速度的快慢直接影響著金剛石的產(chǎn)量及品級(jí)。

研究資料可知,金剛石生長(zhǎng)速度與生長(zhǎng)時(shí)間存在以下理論關(guān)系。

V:理論生長(zhǎng)速度;T:理論生長(zhǎng)時(shí)間;L:金剛石理論粒徑

通常,我們規(guī)定合成總時(shí)間在1h內(nèi)的合成工藝,假定生長(zhǎng)速度為2.0mg/h,當(dāng)生長(zhǎng)速度一定時(shí),金剛石生長(zhǎng)時(shí)間與粒徑存在著正比例關(guān)系,因此我們可以推導(dǎo)出生長(zhǎng)時(shí)間與金剛石粒度之間的理論關(guān)系(表1)。

表1　金剛石生長(zhǎng)時(shí)間與粒度之間的理論生長(zhǎng)關(guān)系Table 1 Theoretical growth relationship between diamond growth time and granularity

1.2試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用鉑銠熱電偶進(jìn)行合成腔體的溫度測(cè)定

測(cè)定結(jié)果顯示:

(1)合成溫度為1300度左右,暫停時(shí)間最少應(yīng)設(shè)定為420s,才可以保證在升到合成壓力時(shí),觸媒能夠熔融,金剛石成核、生長(zhǎng)越過(guò)劣晶區(qū)。這是合成高品級(jí)金剛石的必要條件。

(2)在后期功率保持不變的情況下,腔體溫度將上升20℃～30℃左右,因此功率曲線后期將必須有3%的下降,保證腔體內(nèi)的溫度穩(wěn)定。

壓力工藝曲線試驗(yàn)分三階段進(jìn)行

第1階段:對(duì)制定的三種工藝實(shí)施拍塊試驗(yàn)。分別設(shè)計(jì)平壓力工藝、斜壓力工藝、多臺(tái)階式壓力工藝曲線,在該工藝條件下實(shí)施對(duì)12、14、16、18、20、22、24、26min等時(shí)間點(diǎn)的拍塊試驗(yàn)。

研究目的:

(1)驗(yàn)證公式V=T/L2中生長(zhǎng)速度假定V值的合理確定。

(2)分析生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)速度等因素對(duì)金剛石合成效果的影響。

(3)確定拍塊時(shí)間與金剛石主粒度的關(guān)系,確定合理的壓力曲線。

第2階段:實(shí)施臺(tái)階式工藝試驗(yàn)研究。根據(jù)對(duì)第1階段拍塊試驗(yàn)結(jié)果,利用壓力變化規(guī)律,設(shè)計(jì)2臺(tái)階、3臺(tái)階、4臺(tái)階……9臺(tái)階、1臺(tái)階等臺(tái)階式合成工藝曲線。目的是通過(guò)對(duì)各臺(tái)階式工藝合成效果的分析,確定最佳的合成工藝曲線,用以指導(dǎo)生產(chǎn)。

第3階段:確定最佳工藝曲線,進(jìn)行中試驗(yàn)證。

選出最佳合成工藝曲線,進(jìn)行中試驗(yàn)證,確定其合成效果及穩(wěn)定性,驗(yàn)證是否可以應(yīng)用于生產(chǎn)或指導(dǎo)生產(chǎn)。

1.3試驗(yàn)工藝曲線設(shè)計(jì)

1.3.1拍塊試驗(yàn)工藝曲線設(shè)計(jì)

臺(tái)階式工藝試驗(yàn),其臺(tái)階設(shè)計(jì)方式如圖3所示,就是在壓力曲線上的分割線右邊,分別設(shè)計(jì)一臺(tái)階、二臺(tái)階、三臺(tái)階……九臺(tái)階工藝曲線。

圖1　平壓力工藝曲線Fig.1 process curve under horizontal pressure

圖2　斜壓力工藝曲線Fig.2 process curve under inclined pressure

圖3　多臺(tái)階式壓力工藝曲線Fig.3 process curve under terraced pressure

1.3.3工藝實(shí)施限制條件

(1)拍塊試驗(yàn)工藝,保證功率曲線一致,前期壓力(分割線左)工藝不變,只設(shè)計(jì)二次升壓后壓力變化。

(2)臺(tái)階式工藝試驗(yàn),從1臺(tái)階到9臺(tái)階工藝曲線,保證前期壓力工藝曲線一致,功率曲線一致,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后期壓力臺(tái)階數(shù)增加的試驗(yàn)研究。

(3)設(shè)計(jì)后期壓力工藝曲線時(shí),設(shè)計(jì)總壓差為12MPa以內(nèi),既從91.5→103.5MPa范圍內(nèi)變化。

(4)根據(jù)溫度測(cè)定曲線,設(shè)計(jì)功率曲線,見(jiàn)表2:

表2　合成工藝功率曲線Table 2 power curve of synthesis process

1.4實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)以Ф500mm缸徑六面頂壓機(jī)為研究設(shè)備平臺(tái),自制石墨和Ni30Fe70粉末觸媒為原材料,進(jìn)行混合壓制成型,組裝成Ф42腔體葉蠟石合成塊,進(jìn)行合成主粒度為40/45料的工藝試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1平壓力工藝試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)與分析

平壓力工藝曲線(圖1),二次升壓后設(shè)計(jì)壓力92.7MPa,保持后期壓力不變,隨著合成時(shí)間的延長(zhǎng),金剛石單產(chǎn)逐步增加,主粒度分布從60/70逐漸向45/50上過(guò)渡,但生長(zhǎng)到20min以后,單產(chǎn)不再增加,粒度以45/50料為主。由于平壓力工藝金剛石生長(zhǎng)過(guò)慢,而隨著加熱的進(jìn)行,可以使高溫高壓腔體內(nèi)得到足夠穩(wěn)定的溫度場(chǎng),金剛石受良好的溫度環(huán)境影響,有足夠的能量排除自身內(nèi)部的雜質(zhì),從而得到晶型更加完美的金剛石。因此,平壓力工藝合成的金剛石,以圓晶六-八面體為主,晶型非常完整,晶體內(nèi)部幾乎沒(méi)有雜質(zhì),顏色、透度都非常好。

表3　平壓力工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The test data of the horizontal pressure process

結(jié)果分析:在平壓力條件下,隨著加熱時(shí)間的增加,金剛石會(huì)緩慢地生長(zhǎng),但到20min以后,金剛石不再生長(zhǎng),主粒度分布也趨于穩(wěn)定,沒(méi)有達(dá)到生長(zhǎng)到40/45料的要求。這說(shuō)明,平壓力條件下,金剛石生長(zhǎng)速度過(guò)小,甚至沒(méi)有生長(zhǎng)速度,這導(dǎo)致金剛石在前期可以依靠壓力和溫度變化緩慢生長(zhǎng),但后期由于壓力跟不上,金剛石生長(zhǎng)動(dòng)力不足,所以金剛石不再生長(zhǎng)。因此給予一定的生長(zhǎng)速度可以促進(jìn)金剛石的生長(zhǎng),而生長(zhǎng)速度可以通過(guò)改變壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2斜壓力工藝試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)與分析

表4　斜壓力工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table4 The test data of the inclined pressure proces

斜壓力工藝曲線(如圖2),二次升壓后設(shè)計(jì)壓力從91.5MPa上升到102.5MPa,隨著合成時(shí)間的延長(zhǎng),金剛石單產(chǎn)逐步持續(xù)增加,主粒度分布逐漸從50/60向40/45料過(guò)渡,生長(zhǎng)到22min,即以45/50料為主。從表4可以看出,12min以50/60為主,14～16min時(shí)以45/50為主,18～20min以雙峰值粒度為主,到22min即以40/45料為主,這說(shuō)明斜壓力條件下金剛石生長(zhǎng)非?？?短時(shí)間內(nèi)即可以生長(zhǎng)到要求的粒度范圍,但是由于生長(zhǎng)過(guò)快導(dǎo)致金剛石品級(jí)下降,晶型以六面體或八面體為主,晶體內(nèi)部雜質(zhì)多,表面有缺陷,且顏色、透度都不理想。

討論:在斜壓力工藝條件下,由于后期壓力是連續(xù)加壓的,這就導(dǎo)致合成腔體內(nèi)部受到的壓力場(chǎng)逐漸增大,金剛石在生長(zhǎng)過(guò)程中受到的動(dòng)力非常足,因此在連續(xù)加壓條件下,金剛石生長(zhǎng)速度非?？?導(dǎo)致金剛石快速生長(zhǎng),變粗。

2.3多臺(tái)階壓力工藝試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表5)與分析

表5　多臺(tái)階壓力工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table5 The test data of the terraced pressure proces

(1)多臺(tái)階壓力工藝曲線(如圖3),二次升壓后設(shè)計(jì)壓力從91.5MPa經(jīng)過(guò)幾級(jí)臺(tái)階逐漸上升到102.5MPa,隨著合成時(shí)間的增加,金剛石單產(chǎn)逐步持續(xù)增加,主粒度分布從60/70逐漸向40/45料過(guò)渡,而生長(zhǎng)到24min,才以40/45料為主。從表3中可以看出,12～14min以50/60為主,16～22min時(shí)以45/ 50為主,到26min即以40/45料為主,這說(shuō)明多臺(tái)階壓力條件下金剛石生長(zhǎng)得到控制,通過(guò)改變壓力變化,控制生長(zhǎng)速度,得到的金剛石以圓晶六-八面體為主,且單產(chǎn)較高,金剛石顏色,透度,以及熱穩(wěn)定性等性質(zhì)較好。

(2)在多臺(tái)階壓力工藝條件下,由于后期壓力是臺(tái)階式逐步增壓的,可以有效地控制金剛石生長(zhǎng)速度,這就使金剛石在生長(zhǎng)過(guò)程中,受到的外部壓力有一個(gè)緩沖的過(guò)程,來(lái)保持高壓腔體內(nèi)壓力場(chǎng)均勻、穩(wěn)定的變化,這就使金剛石在生長(zhǎng)過(guò)程中受到的動(dòng)力不光足而且穩(wěn)定,可以生長(zhǎng)出品級(jí)更高的金剛石單晶。

2.4拍塊試驗(yàn)小結(jié)

結(jié)合三種工藝拍塊結(jié)果可以得出拍塊時(shí)間與粒度之間的關(guān)系(見(jiàn)表6)

表6　金剛石實(shí)際生長(zhǎng)時(shí)間與粒度之間Table6 actual diamond growth time and granularity

(1)表6與表1對(duì)比,根據(jù)公式V=T/L2,當(dāng)金剛石理論生長(zhǎng)速度為2.0mg/h時(shí),其理論生長(zhǎng)時(shí)間與金剛石粒度大小的關(guān)系與實(shí)際結(jié)果基本一致,以及生長(zhǎng)時(shí)間與粒度大小存在必然聯(lián)系。

(2)生長(zhǎng)速度等因素對(duì)金剛石合成效果的影響

經(jīng)對(duì)三種工藝的拍塊分析,生長(zhǎng)速度是影響生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)金剛石的關(guān)鍵,金剛石生長(zhǎng)速度過(guò)快,得不到優(yōu)質(zhì)單晶;生長(zhǎng)速度太慢,金剛石成核率降低,產(chǎn)量降低,不利于企業(yè)高效化生產(chǎn)。生長(zhǎng)速度是理想化的一個(gè)概念,無(wú)法調(diào)控,而實(shí)際生產(chǎn)中我們通過(guò)調(diào)控壓力上升率,間接改變生長(zhǎng)速度,可以產(chǎn)生良好的效果。

溫度,對(duì)金剛石生長(zhǎng)也起著重要作用。在生產(chǎn)中,壓力一般決定著金剛石成核的數(shù)量和粒度的大小,而溫度可以使金剛石在不斷長(zhǎng)大的同時(shí)再進(jìn)一步排出自身內(nèi)部的雜質(zhì),適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢陨L(zhǎng)出完美透明的單晶。而溫度的控制我們通常通過(guò)調(diào)節(jié)功率來(lái)實(shí)現(xiàn),合理的功率曲線設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)金剛石起著重要作用。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合實(shí)際的溫度測(cè)定制定出更加合理的合成工藝曲線,見(jiàn)圖4:

圖4　合成壓機(jī)實(shí)測(cè)曲線圖Fig.4 The measured curve of the synthetic diamond press

3　結(jié)論

本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)拍塊試驗(yàn)、臺(tái)階式工藝試驗(yàn),我們可以總結(jié)出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)拍塊試驗(yàn),驗(yàn)證了金剛石生長(zhǎng)時(shí)間與金剛石粒度、生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系,并論證了其經(jīng)驗(yàn)公式V=T/L2存在的準(zhǔn)確性,以及生長(zhǎng)速度為2.0mg/h的合理性。

(2)生長(zhǎng)速度是生產(chǎn)高品級(jí)金剛石的關(guān)鍵。生長(zhǎng)速度過(guò)快,金剛石成核多,生長(zhǎng)快,容易長(zhǎng)粗,導(dǎo)致單產(chǎn)過(guò)高,品級(jí)下降;生長(zhǎng)速度過(guò)慢,成核少,單產(chǎn)低,金剛石粒度偏細(xì),雖然金剛石品級(jí)較好,但不利于生產(chǎn)應(yīng)用。因此,適宜的生長(zhǎng)速度控制,有利于獲得高品級(jí)的金剛石。

(3)通過(guò)改變壓力上升率可以影響生長(zhǎng)速度。壓力上升率越大,生長(zhǎng)速度越快;壓力上升率越小,生長(zhǎng)速度越慢。臺(tái)階式壓力工藝可以通過(guò)改變壓差及升壓時(shí)間來(lái)確定壓力上升率,從而影響金剛石合成效果。

(4)通過(guò)臺(tái)階式工藝試驗(yàn),可以確定4臺(tái)階工藝,而通過(guò)中試試驗(yàn)驗(yàn)證,證明其工藝的合成效果的確優(yōu)于生產(chǎn)料工藝,且其工藝運(yùn)行穩(wěn)定好以及金剛石的品級(jí)指標(biāo)皆佳,可以推廣應(yīng)用。

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Research on the Terraced Diamond Synthesis Technology

JIA Chuan-bao1,SONG Zeng-ming2,LIU Lin-fang2
(Superhard Materials Branch of Henan Jinqu Gold Limited Company,Shanmenxia,Henan,China,472000)

Abstract:Reasonable power curve should be designed and the shortest pause time in production process should be found out through precise control of the temperature and measurement of the synthesis cavity in order to to make the best of the effective growth time of the synthesis to improve the process efficiency.Relationship between growth rate and synthetic pressure of diamond at different stages can be determined through processing test of the samples under different synthetic time.The growth rate of diamond can be controlled effectively and purposefully by designing different terraced pressure process curves so as to make the best of the synthetic time to get higher and better yield within the shortest time.Experiment result shows that the synthetic time will be increased by 20℃～30℃during the diamond growth process and the growth rates of diamond of different stages are different.Reasonable terraced synthesis technology will improve the productivity by more than 10% without quality impairment.

Keywords:temperature measurement;pause time;temperature;pressure curve;terraced synthesis technology

作者簡(jiǎn)介:賈傳寶(1978-),男,河南金渠黃金股份超硬材料公司副總工,工程師,主要從事高品級(jí)金剛石材料、合成的技術(shù)研究。E-mail: 1021594636@qq.com。

收稿日期:2015-12-18

中圖分類號(hào):TQ164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-1433(2016)02-0015-05

引文格式:賈傳寶,宋增民,劉林方.金剛石臺(tái)階合成工藝的研究[J].超硬材料工程,2016,28(2):15-19.