【關(guān)鍵詞】：氣霧化;;NiMnCo合金;;粉末觸媒;;合成金剛石
　　【摘 要】：采用真空 /惰氣霧化方法制備了NiMn2 5Co5合金粉末觸媒 ,利用SEM、OM、XRD等手段研究了粉末觸媒的特性。結(jié)果表明粉末觸媒顆粒形貌呈球形 ,流動(dòng)性好 ,比表面積大 ,成分均勻 ,組織細(xì)小 ,具有類似Ni的單一面心立方固溶體結(jié)構(gòu) ,大于 30 μm的粉末氧含量 <2 0 0× 10 -6。
　　在國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)上進(jìn)行了粉末觸媒合成金剛石的批量試驗(yàn) ,合成的金剛石晶型完整率高 ,晶體純凈 ,包裹體總量不多 ,夾雜物和氣泡少 ,測(cè)試結(jié)果顯示合成的金剛石具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的冷熱沖擊強(qiáng)度。采用粉末觸媒合成金剛石 ,可大大降低金剛石的生產(chǎn)成本 ,并且不僅能合成高產(chǎn)磨料級(jí)金剛石
　　1　前言
　　金剛石觸媒的形狀多種多樣,但具有工業(yè)使用價(jià)值的主要是片狀和粉狀。采用粉末觸媒合成金剛石,具有單產(chǎn)高、原輔材料消耗小、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),尤其是可以合成出粗顆粒和高品級(jí)金剛石。德國(guó)Ｗｉｎｔｅｒ公司從80年代初期開始研究,率先開發(fā)成功粉末觸媒合成金剛石工藝。90年代以來,ＤｅＢｅｅｒｓ在收購(gòu)Ｗｉｎｔｅｒ后與ＧＥ均采用粉末觸媒進(jìn)行粗顆粒高強(qiáng)度金剛石生產(chǎn),并壟斷了世界高檔金剛石的市場(chǎng),但生產(chǎn)技術(shù)嚴(yán)格保密[1～4]。我國(guó)是世界金剛石生產(chǎn)大國(guó),年產(chǎn)量達(dá)140ｔ(7億克拉),但是品種單一,品級(jí)屬中低檔,且大量使用ＮｉＭｎ25Ｃｏ5片狀觸媒。片狀觸媒生產(chǎn)工序長(zhǎng),能耗大,材料利用率不高,成分偏析明顯,不利于優(yōu)質(zhì)金剛石的生長(zhǎng)。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,研究粉末觸媒工藝,主要是用于合成小于150μｍ的細(xì)顆粒金剛石,未在整個(gè)行業(yè)中得到規(guī)模應(yīng)用。在90年代中后期,由于我國(guó)金剛石行業(yè)不景氣,采用粉末觸媒合成金剛石,尤其是粗顆粒、高強(qiáng)度金剛石,技術(shù)再次受到重視,但一直未有大的突破,粉末觸媒的質(zhì)量不高是關(guān)鍵原因之一,象水霧化觸媒合金粉末的氧含量高達(dá)2000×10-6。王志法等在ＮｉＭｎ25Ｃｏ5片狀觸媒合成體系中,研究了氧含量對(duì)金剛石合成效果的影響[5],發(fā)現(xiàn)隨著氧含量的增加,金剛石單產(chǎn)明顯下降,當(dāng)氧含量超過2000×10-6后,合成塊中沒有得到金剛石,因此提出應(yīng)將氧含量控制在1000×10-6以下。北京有色金屬研究總院自1997年開始研究開發(fā)高質(zhì)量的ＮｉＭｎ25Ｃｏ5粉末觸媒,至今已進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用階段。本文簡(jiǎn)要介紹ＮｉＭｎ25Ｃｏ5粉末觸媒的制備方法及其基本物理化學(xué)特征,以及在六面頂壓機(jī)合成金剛石的特性。
　　2　試驗(yàn)方法
　　快速凝固氣霧化技術(shù)制備合金粉末的原理是將熔融金屬注入底漏坩堝,在底漏坩堝的下方置有氣體霧化噴嘴,當(dāng)熔融的金屬液通過導(dǎo)流嘴流經(jīng)噴嘴時(shí),被噴嘴射出的高速氣體霧化成小液滴,隨后合金液滴在霧化氣體中飛行時(shí)迅速凝固冷卻成粉?？焖倌虤忪F化技術(shù)與傳統(tǒng)熔鑄技術(shù)相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì):
　　1)組織細(xì)小,成分偏析小;0
　　2)可擴(kuò)大元素的固溶度,并可產(chǎn)生一些亞穩(wěn)相或新相;
　　3)具有直接制備出粉末的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì),粉末氧含量低,污染小,工藝簡(jiǎn)單。因此,采用真空/惰氣霧化工藝,可制備低氧含量、0成分均勻、組織細(xì)小的高質(zhì)量觸媒合金粉末。采用電解Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ原料,
　　按ｗ(Ｎｉ)=70%,ｗ(Ｍｎ)=25%,ｗ(Ｃｏ)=5%配比,考慮Ｍｎ的燒損,經(jīng)真空感應(yīng)熔煉并澆鑄成錠,合金錠重熔后被Ａｒ氣霧化成粉。霧化工藝參數(shù)為:霧化壓力1 5ＭＰａ,過熱度250℃,導(dǎo)流嘴內(nèi)徑3.5ｍｍ。合金粉末過30μｍ和63μｍ篩后,用于測(cè)試分析和合成金剛石試驗(yàn)。采用Ｘ射線儀分析粉末觸媒的相結(jié)構(gòu),金相顯微鏡觀察觸媒的組織,掃描電鏡分析粉末觸媒及合成的金剛石形貌,并檢測(cè)了合成的金剛石的抗壓強(qiáng)度、室溫沖擊強(qiáng)度和高溫沖擊強(qiáng)度(900℃、1100℃)等性能。
　　3 結(jié)果及分析
　　3 1　ＮｉＭｎ25Ｃｏ5粉末觸媒的特性及組織結(jié)構(gòu)
　　采用氣霧化方法制備的Ｎｉ- Ｍｎ- Ｃｏ合金粉末形貌為球形。由于在真空下熔煉,采用惰氣霧化,因此制備的Ｎｉ- Ｍｎ- Ｃｏ合金粉末觸媒氧含量很低,30～63μｍ粉末的氧含量為160×10-6,小于30μｍ目的為220×10-6。氧含量是區(qū)分粉末觸媒質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一,因?yàn)橛|媒粉末中的氧將對(duì)金剛石的合成產(chǎn)生不利影響。造成這種不利影響的原因可能來自兩方面:一是,由于Ｎｉ- Ｍｎ-Ｃｏ合金中的氧主要以氧化錳的形式存在,氧化錳的形成將降低粉狀觸媒的表面活性,減少粉狀觸媒與石墨的接觸面積,降低其對(duì)石墨的濕潤(rùn)性等,影響碳在粉狀觸媒中的溶解和擴(kuò)散,不利于金剛石形核;二是,觸媒氧化將導(dǎo)致其晶格常數(shù)變大,以致破壞觸媒結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系而失去觸媒的作用。粉末觸媒具有豐富的比表面,有利于提高觸媒與石墨的接觸面積,提高金剛石形核率和合成單產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。
　　合金粉末的金相顯微組織呈細(xì)小樹枝晶。由于合金粉末在氣霧化過程中,凝固冷速很高,因而其顯微組織要比常規(guī)鑄造軋制工藝生產(chǎn)的Ｎｉ- Ｍｎ- Ｃｏ合金細(xì)得多,大大減少了成分偏析,并改善了組織的均勻性,不存在片狀觸媒的軋制織構(gòu)問題,有利于金剛石的均勻形核和長(zhǎng)大,以及提高晶體的完整性。 熱點(diǎn)模具網(wǎng)論壇
　　氣霧化Ｎｉ70Ｍｎ25Ｃｏ5觸媒合金粉末Ｘ射線衍射分析結(jié)果表明:合金相結(jié)構(gòu)為類似Ｎｉ的單一面心立方固溶體。
　　3 2　Ｎｉ- Ｍｎ- Ｃｏ粉末觸媒的合成金剛石工藝特點(diǎn)
　　用Φ23ｍｍ×16ｍｍ的反應(yīng)腔體,分別進(jìn)行粉末觸媒與片狀觸媒合成金剛石的試驗(yàn),情況對(duì)比見表2。可見,粉末觸媒合成的金剛石完整率高,合成單產(chǎn)增加,粗顆粒金剛石數(shù)量增加,抗壓強(qiáng)度大幅度提高。此外,采用粉末觸媒比用片狀觸媒合成電流降低20%,減小了通電硬質(zhì)合金頂錘的電流密度,提高了頂錘的壽命,平均每合成2000ｇ金剛石,錘耗降低到2～3ｋｇ。觸媒與石墨的消耗比例也大大改變,可節(jié)約觸媒合金約30%。
　　另外,采用粉末觸媒還可合成高產(chǎn)磨料級(jí)金剛石。對(duì)于Φ23ｍｍ反應(yīng)腔體合成高產(chǎn)磨料級(jí)金剛石,單產(chǎn)平均達(dá)到3 2ｇ,其中金剛石品級(jí)在ＭＢＤ4和ＭＢＤ6以上的占90%?？梢?粉末觸媒的推廣應(yīng)用,將有力促進(jìn)我國(guó)金剛石行業(yè)的技術(shù)革新和進(jìn)步,必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。粉末觸媒合成的金剛石形貌
　　金剛石單晶以六-八面體為主,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。經(jīng)檢測(cè),合成的金剛石具有良好的室溫和高溫沖擊強(qiáng)度(ＴＩ、ＴＴＩ),檢測(cè)結(jié)果見表3。粉末觸媒與石墨呈空間三維分布,能產(chǎn)生較為均一的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng),給金剛石的生長(zhǎng)創(chuàng)造了較好的條件,所以
　　金剛石晶型能夠?qū)ΨQ生長(zhǎng),晶型較為完整;而且碳源的供給在“粉末工藝”下慢而均勻,“片狀工藝”下則迅速而不平衡,所以粉狀觸媒合成的金剛石晶體純凈,包裹體總量不多,夾雜物和氣泡更少。因此,粉狀觸媒合成的金剛石對(duì)稱性高,晶型完整,晶體純凈,從而具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的冷熱沖擊強(qiáng)度。 中國(guó)熱模網(wǎng)4　結(jié)論
　　1)采用氣體霧化方法制取的ＮｉＭｎ25Ｃｏ5觸媒合金粉末成分均勻,顆粒呈球形,晶粒細(xì)小且各向同性,具有類似Ｎｉ的單一面心立方固溶體結(jié)構(gòu),30μｍ粉末氧含量<200×10-6;
　　2)粉末觸媒合成的金剛石晶型完整率高,晶體純凈,包裹體總量不多,夾雜物和氣泡少,具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的冷熱沖擊強(qiáng)度;
　　3)采用粉末觸媒合成金剛石,可提高合成單產(chǎn),節(jié)約原輔材料,大大降低金剛石的生產(chǎn)成本,并且不僅能合成高產(chǎn)磨料級(jí)金剛石,還能夠大大提高優(yōu)質(zhì)粗顆粒和高品級(jí)金剛石的比例