摘要 分析了一次暫停分段加壓工藝舍成金剛石存在的不足，提出了二次暫停分段加壓的金剛石合成工藝。該工藝的特點是第二次壓力暫停點靠近石墨—金剛石相平衡線但已進入金剛石相，暫停時間為15～30s，保壓壓力略高于第二次暫停壓力，使金剛石在優(yōu)晶區(qū)成核、在富晶區(qū)生長。實驗證明，該工藝可以獲得優(yōu)質高產的金剛石。
　　主題詞 金剛石 合成工藝 成核 生長
　　1 前言
　　90年代初，我國六面頂壓機數量猛增，RVD、MBD和SMD品種的金剛石已逐漸供大于求。近幾年來，國內很多金剛石生產廠在擴大合成腔體與降低頂錘消耗方而下了不少功夫，有的廠家取得了一定的成效。雖然部分企業(yè)在某些技術方面作了一定的改造，但是對金剛石合成工藝的認識還有很多分歧。很多廠家普遍采用分段加壓工藝，然而對分段加壓工藝的目的與意義尚缺乏原理性的認識，因此進行幾次分段和怎樣分段的工藝路線就很不相同，導致金剛石產量與質量很不穩(wěn)定，影響了經濟效益。雖然大多數生產企業(yè)采用了一次暫停分段加壓工藝，但是還存在諸多的問題。通過實驗，我們發(fā)現在圍產六面頂壓機上采用可編程控制器代替一系列的中間繼電器．用壓力傳感器系’統代替機械式壓力表控制與測量壓力，很容易實現=次暫停分段加壓合成工藝，而且在φ1 8腔體合成中獲得MBD12sMD品種的比例可高達50％。經初步的實驗探索，這種工藝還可以向更大腔體推廣。本文中，我們將重點介紹二次暫停分段加壓工藝。
　　2 一次暫停分段加壓工藝的不足和二次暫停分段加壓工藝的提出
　　在生產實際中，為了擴大腔體，充分利用壓機的噸位，普遍采用直熱式加熱樣品。我們知道，大電流通過導電的樣品(石墨與Ni70Mn25Co5觸媒合金)，依靠樣品自身的電阻發(fā)熱來升溫，需要一定的時間才能達到合成溫度。在制定合成工藝時，可以在加壓過程中故意暫停加壓等待足夠的時問，使壓力與溫度能有較好的時問同步匹配．然后把壓力升至合成壓力，這便是一次暫停分段加壓工藝。雖然該工藝可以有效地控制合成的單產，但很難保證金剛石的質量。我們經過近百次的合成實驗，這種工藝合成的金剛石晶形較完整但包裹體(尤其是氣泡)總是很多，抗壓強度與抗沖擊韌性都比較差。工藝不太穩(wěn)定，金剛石高強度比例不會很高。我們在此合成工藝上作了改進，用二次暫停分段加壓的方式作了大量實驗，發(fā)現第二次壓力暫停點控制在金剛石—石墨相平衡線附近但已進入金剛石相時，合成的金剛石質量大大提高。圖I是二次暫停分段加壓工藝流程示意圖。工藝參數以國產DPM6×800t金剛石壓機為例。當進入超高壓后，壓力表讀數達到40MPa以上時，開始加熱(A點)，直接把加熱功率送至合成時的功率；壓力表讀數到達50～65MPa的某一點B點時作第一次壓力暫停，暫停時問由超壓速度而定；當壓力進人金剛石的穩(wěn)定區(qū)時，進行第二次壓力暫停(C點)，暫停時問控制在1 5～30s內，最后把壓力升高1～2MPa后作為保壓壓力(D點)．合成一定時間后停熱卸壓。

　F-起始加壓點；A-起始加熱點；B—第一次壓力暫停點；
　　C—第二次壓力暫停點；D—保壓壓力點；F—停熱點卸壓點
　　 1—石墨金剛石相平衡線
　　(a)壓力一溫度示意圖 (b)壓力時問示意固
　　 圖1 二次暫停分段加壓工藝示意圖

　　3 二次暫停分段加壓工藝探討
　　3.1 二次暫停分段加壓實驗結果
　　如果把第二次壓力暫停點選在低于合成壓力處，根據前一節(jié)的分析知道，這相當于第一次壓力暫停的延續(xù)，只會影響金剛石的成核數量。為了觀察第二次暫停點的作用，我們作了相應的實驗。合成設備用的是國產DPM6×800t金剛石壓機．實驗采用的是φ18腔體。觀察到的現象，見表1。

　　3.2 二次暫停分段加壓合成工藝的實施結果
　　因為國產六面頂壓機的保溫保壓性能受到限制，改用可編程控制器并輔以壓力傳感器測壓作為工藝控制手段，很容易地實現了我們提出的二次暫停分段加壓的金剛石合成工藝，自動化程度大大提高，有利于工藝的管理與生產的推廣?？紤]到壓機的保壓性能的限制，利用了小泵實現最后階段的加壓和壓力降低后的補壓。在前面的實驗基礎上，把該工藝用于φ18腔體，保壓時間11分鐘，第一次暫停的參數與前面的實驗參數完全一致，第二次暫停壓力取76MPa，暫停時間為15s．保壓壓力為78MPa。統計合成數量在10，000塊以上，平均單產4.2ct，50／60以粗的金剛石比例約78％，MBD12和SMD型的金剛石比例高達50％，生產十分穩(wěn)定。特別是40/50與45/50兩種粒度的金剛石單品質量甚佳，其中抗壓強度大于200N的單晶比例超過30％。初步的實驗探索表明，該工藝適合于φ23或更大腔體的金剛石合成。
　　4分析與討論
　　由表1給出的結果，為什么在第二次暫停點處已生成的金剛石隨著時間的延長不會繼續(xù)長大反而會消失呢?首先我們分析一下合成腔體內的壓力溫度分布情況。圖2是合成樣品棒的縱剖面圖，上下兩半對稱，只考慮一半的情況。

　　我們按腔內溫度壓力的相對分布，大致分成三個區(qū)域。處于棒中央部分的合成片溫度最高，但壓力最低，故稱為高溫低壓區(qū)；處在棒端的合成片溫度最低，但壓力最高，故稱為低溫高壓區(qū)；處在中央與端部之間的合成片對應的區(qū)域稱為中溫中壓區(qū)。下面再看這些區(qū)域在石墨—金剛石的p—T相圖上的位置．如圖3所示。

　　從圖中可以看出第二次暫停壓力足夠高，保證1區(qū)(對應于合成樣品端片)能進人金剛石的穩(wěn)定區(qū)．但又必須有足夠高的溫度保證3區(qū)(對應于合成樣品中央)處于石墨一臺金共熔線以內，這樣才能使全部合成片有成核的可能性。保證了金剛石的成核還遠遠不夠，我們的目的是隨著時間的增長，要求金剛石能穩(wěn)定地長大。但實際情況并不象希望的那樣簡單。因為受金剛石壓機液壓機構的密封性能所限制．隨著時間的推移，合成腔內壓力在緩慢下降，而溫度卻緩慢上升。在P—T圖上，合成棒各個區(qū)域并不能固定在一定的位置，而隨時間的推移它們在往右下方移動，最終可能使合成溫度與壓力范圍降至石墨相的穩(wěn)定區(qū)，從而使已生成的金剛石反而轉化成了石墨了。所以選擇更高的最終合成壓力就非常必要了，這樣才能保證已成核的金剛石進一步長大。表1中的實驗數據充分證實了這點。
　　由此可見，第二次暫停壓力選在石墨-金剛石相平衡線以上的附近位置，一方面保證了金剛石的均勻成核，另一方面控制了金剛石成核以后的生長速度。因為較低的過剩壓力，決定了較小的生長驅動力，使金剛石晶體緩慢長大抑制了氣泡，金屬夾雜物等包裹體的產生。但由于合成設備性能的限制不能實現金剛石的定點生長，而只能是一個動態(tài)生長的過程[1]。為了防止因壓力降低而引起金剛石晶體中斷生長或發(fā)生逆向轉化，故應當在暫停一定時間后把壓力升高1～2MPa作為保壓壓力，并注意及時補壓，確保金剛石晶體的不斷長大。此外，該工藝能有效地防止二次成核，大大地減少了連、聚晶，粒度峰值比較集中，容易實現租粒度高強度金剛石的合成。
　　最后必須指出，第一次壓力暫停通常是必要的，但當升壓速度比較慢時，取消第一次壓力暫停并不影響合成效果。因為慢超壓與第一次壓力暫停的主要作用都是實現合成溫度壓力的匹配、石墨的擴散與再結品過程。