一、人造金剛石生產(chǎn)的歷史
　　1954年美國(guó)GE公司研制成功了世界上第一顆人造金剛石。我國(guó)在1960年10月作為國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目下達(dá)了人造金剛石的研制任務(wù)，該任務(wù)由原第一機(jī)械工業(yè)部磨料磨具磨削研究所、通用機(jī)械研究所和原地質(zhì)科學(xué)研究院共同承擔(dān)。經(jīng)過(guò)通力合作，于1963年12月6日，在國(guó)產(chǎn)300噸61型兩面頂超高壓裝置上，以高純石墨粉為原料，以鎳鉻合金為觸媒，成功地生產(chǎn)出了我國(guó)第一顆人造金剛石。1964年4月，由磨料磨具磨削研究所與鑄造鍛壓研究所開(kāi)始設(shè)計(jì)6×6MNDS－023A型鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)。1965年4月，原第一機(jī)械工業(yè)部下達(dá)國(guó)家科委“關(guān)于人造金剛石中間試驗(yàn)任務(wù)書(shū)”，1965年8月六面頂壓機(jī)制成并在磨料磨具磨削研究所完成安裝，1966年7月3日正式進(jìn)行合成工藝試驗(yàn)，并投入批量生產(chǎn)，當(dāng)年生產(chǎn)人造金剛石一萬(wàn)克拉，同時(shí)由磨料磨具磨削研究所參與選址、設(shè)計(jì)、籌建我國(guó)第一個(gè)人造金剛石及其制品專業(yè)化生產(chǎn)廠——第六砂輪廠，第六砂輪廠于1969年建成投產(chǎn)。至此，我國(guó)逐步形成了6×6兆牛頓（MN）六面頂設(shè)備為特色的人造金剛石生產(chǎn)工業(yè)體系。
　　在國(guó)外，上世紀(jì)80年代末期，德國(guó)Winter公司成功地在兩面頂超高壓裝置上開(kāi)發(fā)出粉末觸媒合成粗顆粒高強(qiáng)度金剛石的工藝，實(shí)現(xiàn)了粉末觸媒工業(yè)化生產(chǎn)高品級(jí)金剛石的突破。[1]由于粉末觸媒合成金剛石具有單產(chǎn)高、質(zhì)量好、原輔材料消耗小等優(yōu)點(diǎn)，上世紀(jì)90年代以來(lái)，DeBeers公司與G．E．公司均采用粉末觸媒進(jìn)行高品級(jí)金剛石的生產(chǎn)，并壟斷了高檔金剛石的國(guó)際市場(chǎng)。
　　二、國(guó)內(nèi)人造金剛石的生產(chǎn)現(xiàn)狀及金剛石觸媒粉末的市場(chǎng)預(yù)測(cè)
　　世界人造金剛石材料市場(chǎng)正以8%的年平均增長(zhǎng)速度遞增。在我國(guó)，金剛石產(chǎn)量的70～80%用于石材工業(yè)，到2000年石材板材產(chǎn)量按一億立方米計(jì)算，僅板材切割用的高品級(jí)粗顆粒金剛石年需要量為1.3～1.5億克拉。據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，近幾年我國(guó)進(jìn)口中高檔的人造金剛石都在千萬(wàn)克拉以上。我國(guó)金剛石年產(chǎn)量由1997年的4.4億克拉迅速增加到2003年的25億克拉，使中國(guó)的金剛石產(chǎn)量占世界生產(chǎn)金剛石總量的60%以上，金剛石出口量猛增到9億克拉。我國(guó)是世界金剛石生產(chǎn)大國(guó)，但品種單一，品級(jí)屬中低檔，約有三分之一的壓機(jī)被迫處于停產(chǎn)狀態(tài)。盡管二面頂壓機(jī)生產(chǎn)的金剛石質(zhì)量不錯(cuò)，但由于技術(shù)要求高，國(guó)產(chǎn)化難度相當(dāng)大。我國(guó)從八十年代開(kāi)始引進(jìn)兩面頂壓機(jī)設(shè)備，花費(fèi)了約二十多億元人民幣, 這相當(dāng)于我國(guó)目前擁有的六面頂壓機(jī)的總投資, 而至今仍無(wú)一個(gè)單位進(jìn)入正常生產(chǎn)。對(duì)于眾多的國(guó)內(nèi)中、小型企業(yè)根本沒(méi)有實(shí)力引進(jìn)兩面頂壓機(jī)和技術(shù)。目前，六面頂壓機(jī)正向著大型化和工藝精細(xì)化的方向發(fā)展。采用粉末觸媒尤其是與大噸位壓機(jī)的設(shè)備優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，將大大推進(jìn)我國(guó)高品級(jí)金剛石的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
　　國(guó)內(nèi)大量使用Ni-Mn-Co片狀觸媒，由于Mn含量較高，脆性較大，軋制厚度減小到0.4mm以下時(shí)常常脆裂，限制了觸媒厚度的進(jìn)一步減薄，而且生產(chǎn)工序長(zhǎng)，能耗大，材料利用率不高。片狀觸媒成分偏析明顯，不利于優(yōu)質(zhì)金剛石的生長(zhǎng)。[2]國(guó)內(nèi)自70年代末先后采用單質(zhì)粉混合、車削粉屑和水霧化粉等，不斷地在研究粉末觸媒合成金剛石工藝，但一直未有大的突破，主要問(wèn)題在于粉末觸媒的質(zhì)量不高，如目前一些生產(chǎn)的水霧化觸媒合金粉末的企業(yè)，受制作工藝的限制，氧含量高達(dá)2000ppm。水霧化觸媒合金粉末的生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它包含著硬件和軟件二個(gè)方面，一般來(lái)講，由于金剛石生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于霧化法生產(chǎn)金屬粉末這一技術(shù)了解不多，所以投資時(shí)所關(guān)注的大部分是在硬件部分，結(jié)果是花了不少的資金，得到的東西并不理想。
　　觸媒合金粉末主要用鐵基材料經(jīng)高溫熔煉、高壓水霧化破碎，經(jīng)真空干燥后制成。用其合成的金剛石晶型好、顏色金黃。粉末觸媒合成金剛石試驗(yàn)結(jié)果表明：可提高合成單產(chǎn)，減少硬質(zhì)合金和原材料消耗，降低金剛石的生產(chǎn)成本，同時(shí)既能合成高產(chǎn)磨料級(jí)金剛石，又能合成優(yōu)質(zhì)粗顆粒和高品級(jí)金剛石。粉末觸媒合成的金剛石單晶以六至八面體為主，晶型完整率高，晶體內(nèi)較為純凈，包裹體總量不多，分布較為細(xì)小彌散，具有良好的室溫和高溫沖擊強(qiáng)度。
　　采用粉末觸媒工藝合成金剛石已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家的認(rèn)同，各企業(yè)在粉末觸媒的研究開(kāi)發(fā)上正不斷在加大投入力度，金剛石觸媒粉末的需求正處于快速增長(zhǎng)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)金剛石生產(chǎn)的企業(yè)總數(shù)為248家（不含諸多個(gè)體企業(yè)），遍及全國(guó)各地，河南、安徽、湖南、河北等省大型生產(chǎn)企業(yè)較多。近年來(lái)新裝6×12MN以上壓機(jī)總數(shù)已超過(guò)800臺(tái)，兩面頂壓機(jī)數(shù)十臺(tái)，加上原有6×8MN及以下壓機(jī)4000臺(tái)，總數(shù)接近5000余臺(tái)。隨著大范圍采用粉末觸媒工藝，觸媒合金粉末的年需求量將在3000噸以上。[3]而且由于國(guó)外的金剛石生產(chǎn)大多采用粉末觸媒，產(chǎn)品還可以出口創(chuàng)匯。按照金剛石的用途來(lái)分，英國(guó) Debeers 公司共有 44 個(gè)牌號(hào)，美國(guó) GE 公司共有 25 個(gè)牌號(hào)；我國(guó)則只有 11 個(gè)牌號(hào)，且最高檔的 DMD 級(jí)沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品。采用粉末觸媒可實(shí)現(xiàn)金剛石產(chǎn)品的多品種、多品級(jí)和系列化，對(duì)于中小企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。它將促進(jìn)金剛石行業(yè)的技術(shù)革新，增強(qiáng)企業(yè)參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力，促使我國(guó)金剛石行業(yè)擺脫困境走上可持續(xù)發(fā)展的道路。國(guó)內(nèi)的一些大型的金剛石生產(chǎn)企業(yè)，由于觸媒合金粉末的使用量相當(dāng)大，都紛紛自已投資興建觸媒合金粉末生產(chǎn)線。
　　現(xiàn)在市場(chǎng)上的高壓水霧化法生產(chǎn)觸媒合金粉末的設(shè)備，售價(jià)在五十多萬(wàn)，而且存在以下一些問(wèn)題：
　　一　受現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，粉末的氧含量相當(dāng)高，下面是某設(shè)備供貨商提供的主要性能指標(biāo)：
　　氧含量：　　＜3000ppm，松裝密度：3.6g/cm3
　　應(yīng)用范圍： 適用于粉末法合成高品級(jí)人造金剛石
　　粉末目數(shù)： -320目、-200目、200～320目
　　二　設(shè)備供貨商只是簡(jiǎn)單地將別人的設(shè)備復(fù)制給用戶，對(duì)于觸媒合金粉末的制作及調(diào)整，無(wú)給用戶更多的技術(shù)上的技持。因?yàn)橛|媒合金粉末的生產(chǎn)，不僅僅是一個(gè)金屬液體的破碎問(wèn)題，其成份還應(yīng)根據(jù)制作金剛石工藝的需要進(jìn)行調(diào)整，這就需要你對(duì)金屬材料這塊相當(dāng)熟悉，有著豐富的粉末制作經(jīng)驗(yàn)才能做得得心應(yīng)手。
　　三　用戶對(duì)設(shè)備的總體情況無(wú)法進(jìn)行更多地了解，如果想對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，也不知從何著手。換句話講，用戶所得到服務(wù)的性價(jià)比不高。
　　根據(jù)來(lái)自戶的詢問(wèn)，除了以上這些明顯的不足外，還有其它的一些問(wèn)題，在此就不多寫(xiě)了。如有問(wèn)題，歡迎與作者聯(lián)系、交流。
　　三、高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的工藝
　　從廣義的角度來(lái)講，高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的工藝是屬于金屬粉末制作工藝的一部分，或者說(shuō)，僅是其中生產(chǎn)的一個(gè)品種而已。其生產(chǎn)的工藝流程與霧化法生產(chǎn)其它的金屬粉末是一樣的。
　　首選，根據(jù)金剛石觸媒粉末的合金成份配方，精選材料，按熔煉工藝的要求，在中頻爐內(nèi)熔化成金屬液。隨后啟動(dòng)霧化裝置相配的高壓水泵，調(diào)整好霧化筒內(nèi)的水位，準(zhǔn)備霧化。一切準(zhǔn)備好后，開(kāi)始霧化，金屬液被注入中間包后，經(jīng)限流漏嘴限流后，進(jìn)入霧化室，在來(lái)自霧化器主高壓水射流的打擊下，迅速地霧化成非常細(xì)的金屬液滴，因?yàn)樗谋葻嵯喈?dāng)大，經(jīng)過(guò)熱交換后，金屬液滴經(jīng)過(guò)短暫地時(shí)間后，凝固成金屬粉末。金剛石觸媒粉末的氧化，主要就是發(fā)生在破碎及凝固這個(gè)短暫的時(shí)間段內(nèi)，如果這段沒(méi)有發(fā)生太厲害的氧化，隨后的氧含量也基本上固定下來(lái)了。
　　至于以后粉末的脫水干燥，只要能適當(dāng)?shù)乜刂坪脺囟?，氧含量不?huì)有太大的提升。制作好的粉末與水是相混在一起的，所以霧化好后的粉末是水粉混合物，收集后經(jīng)脫水后，粉末經(jīng)過(guò)后處理，檢測(cè)成份合格后就可作為金剛石觸媒粉末，用于制作金剛石。
　　金剛石觸媒粉末的合金雜質(zhì)含量控制及合金成分均勻性控制主要是在熔煉和霧化時(shí)完成的，所以生產(chǎn)者對(duì)此要有足夠的重視。
　　四、金剛石觸媒粉末的化學(xué)成份
　　金剛石觸媒粉末，一般選用200－300目粉體，石墨催壓成金剛石的過(guò)程與觸媒中的過(guò)渡金屬元素的原子的3d電子狀態(tài)有關(guān)，高溫高壓下的金剛石合成基本上都是采用過(guò)渡族金屬元素作為觸媒，如鐵基的或鎳基的。從金剛石轉(zhuǎn)變的基本原理來(lái)說(shuō)，鐵基觸媒更符合金剛石觸媒設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)、定向成鍵和易溶碳的原則。[4]所以從工藝和生產(chǎn)成本考慮，金剛石觸媒粉末大量的是一些鐵基的粉末，以下是一些例子：
　?。ㄒ唬╄F70鎳30
　　注：1，采用鐵70鎳30粉末觸媒工藝合成的金剛石均為金黃色，晶型完整率高，多為八面體呈等積狀，雜質(zhì)含量少，呈規(guī)則或細(xì)小彌散分布。
　　2，下面是一個(gè)實(shí)測(cè)例：鐵68.47鎳29.59硅 0.26鋁 0.21錳 0.095銅 0.075鉻
　　用體視顯微鏡觀察到該合金粉末呈淺灰色,表面光亮,極少幾個(gè)小顆粒有氧化色,大部分為圓球狀顆粒,不規(guī)則顆粒很少。
　?。ǘ╄F25鎳75
　　（三）鎳70錳25鈷5　
　　人造金剛石，或多或少總有雜質(zhì)存在，而這些雜質(zhì)元素直接影響著鋼琴金剛石的顏色，例如，隨著金剛石中含氮量的增加，晶體由黃色透明變?yōu)樯罹G色，色調(diào)逐漸加重。而當(dāng)金剛石晶體中硼含量增加時(shí)，晶體則由黃色逐漸變?yōu)樽丶t色、灰色、藍(lán)色直至變?yōu)楹谏?。通過(guò)對(duì)金剛石的制作工藝或金剛石觸媒粉末的成份進(jìn)行調(diào)整，可獲得預(yù)期的人造金剛石產(chǎn)品。
　　五、高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的設(shè)備
　　一套年產(chǎn)量在一百噸的高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的設(shè)備，其所需要的設(shè)備及投資額大致如下：
　　金屬熔煉爐及中頻電源　　　　　　五萬(wàn)
　　高壓水泵　　　　　　　　　　　　六萬(wàn)
　　管道、風(fēng)機(jī)　　　　　　　　　　　一萬(wàn)
　　霧化裝置（含霧化器、中間包）　　五萬(wàn)
　　技術(shù)服務(wù)費(fèi)　　　　　　　　　　　五萬(wàn)
　　輔助工具　　　　　　　　　　　　三萬(wàn)
　　總的投入在二十五萬(wàn)左右。
　　當(dāng)然，也可采用氮?dú)忪F化生產(chǎn)金剛石觸媒粉末。從網(wǎng)上查詢到的項(xiàng)目投資額為：一臺(tái)100公斤級(jí)熔煉爐制備鑄錠，三臺(tái)100公斤級(jí)霧化設(shè)備，加上配套的篩分、封裝和儲(chǔ)存系統(tǒng)，投資約1000萬(wàn)元；廠房約1000平米，加上配套的水電、氣站及人員等，約需1000萬(wàn)元。因此，總投資計(jì)約2000萬(wàn)元。由于采用氣霧化的投入相當(dāng)大，一般企業(yè)不會(huì)選用。當(dāng)然，也可以采用節(jié)儉的方式來(lái)做，投入可大大地降低。