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(zhì)高產(chǎn)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(shù)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(nèi)很多金剛石生產(chǎn)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(shù)方面作了一定的改造，但是對金剛石合成工藝的認(rèn)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(rèn)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(dǎo)致金剛石產(chǎn)量與質(zhì)量很不穩(wěn)定，影響了經(jīng)濟效益。雖然大多數(shù)生產(chǎn)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(xiàn)在圍產(chǎn)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(tǒng)代替機械式壓力表控制與測量壓力，很容易實現(xiàn)=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(jīng)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(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)，但很難保證金剛石的質(zhì)量。我們經(jīng)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(xiàn)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(zhì)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(shù)以國產(chǎn)DPM6×800t金剛石壓機為例。當(dāng)進入超高壓后，壓力表讀數(shù)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(shù)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(dāng)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(nèi)，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(jié)果
　　如果把第二次壓力暫停點選在低于合成壓力處，根據(jù)前一節(jié)的分析知道，這相當(dāng)于第一次壓力暫停的延續(xù)，只會影響金剛石的成核數(shù)量。為了觀察第二次暫停點的作用，我們作了相應(yīng)的實驗。合成設(shè)備用的是國產(chǎn)DPM6×800t金剛石壓機．實驗采用的是φ18腔體。觀察到的現(xiàn)象，見表1。

　　3.2 二次暫停分段加壓合成工藝的實施結(jié)果
　　因為國產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)的推廣。考慮到壓機的保壓性能的限制，利用了小泵實現(xiàn)最后階段的加壓和壓力降低后的補壓。在前面的實驗基礎(chǔ)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(shù)與前面的實驗參數(shù)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(tǒng)計合成數(shù)量在10，000塊以上，平均單產(chǎn)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(chǎn)十分穩(wěn)定。特別是40/50與45/50兩種粒度的金剛石單品質(zhì)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)于合成樣品中央)處于石墨一臺金共熔線以內(nèi)，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(gòu)的密封性能所限制．隨著時間的推移，合成腔內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(qū)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(chǎn)生。但由于合成設(shè)備性能的限制不能實現(xiàn)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(zhuǎn)化，故應(yīng)當(dāng)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(xiàn)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(dāng)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(xiàn)合成溫度壓力的匹配、石墨的擴散與再結(jié)品過程。