一種片狀形貌的人造金剛石合成用觸媒粉末及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種片狀形貌的人造金剛石合成用觸媒粉末及制備方法，屬于人工合成金剛石用觸媒材料和粉末加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]人造金剛石合成使用的觸媒，從元素構(gòu)成來說主要有以下幾種:鎳基、鈷基和鐵基，Debeers公司使用鈷基觸媒，G.E公司主要用鎳基觸媒，俄羅斯用鎳錳基觸媒，我國(guó)使用鎳基和鐵基觸媒。合成金剛石所用觸媒材料的形態(tài)主要有片狀和粉狀兩種，片狀觸媒工藝相對(duì)穩(wěn)定，容易控制，但是片狀工藝石墨合成金剛石的轉(zhuǎn)化率低，金剛石單產(chǎn)低，消耗觸媒金屬多，上個(gè)世紀(jì)九十年代末以前為合成金剛石的主流工藝；粉末觸媒，合金成分易調(diào)節(jié)，可以大大提高石墨與觸媒之間的反應(yīng)面積，提高合成單產(chǎn)，同時(shí)也大大減少了觸媒材料的消耗量，因此倍受人們重視。
[0003]觸媒材料的形態(tài)對(duì)合成金剛石的性能有較大影響，觸媒與石墨的接觸狀況決定了金剛石的生長(zhǎng)環(huán)境。粉末工藝條件下，觸媒粉末顆粒四周均被石墨顆粒包圍，各個(gè)方向均一，金剛石生長(zhǎng)具有各個(gè)方向相同的壓力、溫度條件，生長(zhǎng)的金剛石晶型大多為六-八面體聚形、晶型完整率高、晶體內(nèi)較為純凈、透明度好，包裹體含量低、金剛石冷、熱沖擊韌性高，熱穩(wěn)定性好；片狀工藝由于金剛石生長(zhǎng)在靠近石墨的觸媒片上，與石墨接觸的界面上生長(zhǎng)的金剛石各個(gè)方向的溫度、壓力有差異，使得片狀觸媒合成的金剛石完整單晶產(chǎn)出率低、晶型不飽滿且不規(guī)則、晶內(nèi)雜質(zhì)偏多，但是金剛石棱角分明、出刃好、磨削效率高。因此，目前國(guó)內(nèi)外超硬材料行業(yè)均采用粉末狀工藝合成人造金剛石。盡管如此，由于使用片狀工藝合成的金剛石制備的工具出刃好、切磨效率高，因此，片狀工藝合成的金剛石在一些強(qiáng)調(diào)功效的條件下，所制備的金剛石工具比較受歡迎。
[0004]粉末工藝合成人造金剛石所選擇的碳源，微觀形貌上均是鱗片狀的石墨粉，與之混合的觸媒粉末是采用霧化法制備，粉末形狀大多是近球形或水滴狀，在二者混合制備合成柱過程中，近球形的顆粒和鱗片狀的石墨并不能完全接觸，壓制過程中致密度并不高，且混好的料運(yùn)輸過程中容易分層，因此，制備金剛石合成柱前必須進(jìn)行充分的混合和造粒，工序比較復(fù)雜。本發(fā)明從粉末冶金技術(shù)考慮，針對(duì)石墨顆粒的鱗片狀結(jié)構(gòu)，假如制備出片狀形貌的觸媒粉末，二者混合后就可以良好地接觸且不易分層，可增加合成柱的致密度，減少制備合成柱的難度。
[0005]目前制備片狀金屬粉末的方法多為濕法球磨和簡(jiǎn)單的干法研磨，制備的均為單質(zhì)Al、Zn、Cu、Ag等粉末，一般用作金屬涂料。本發(fā)明提出了一種片狀形貌觸媒粉末及制備方法，旨在進(jìn)一步發(fā)揮粉末觸媒的優(yōu)勢(shì)，合成出質(zhì)量和使用效果更好的人造金剛石。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種人造金剛石合成用片狀形貌的觸媒粉末及制備方法，以目前常用的霧化法制備的鐵基觸媒粉末為原料，利用高能球磨方法進(jìn)行粉末顆粒的片狀化處理，使具有球形、近球形或不規(guī)則形狀的軟性粉末顆粒成為具有片狀形貌的粉末；本發(fā)明為改進(jìn)觸媒粉末顆粒的形狀，使觸媒粉末更好地與鱗片狀石墨顆粒相接觸，提供了一種操作簡(jiǎn)單、效率高的制備方法，利用片狀形貌觸媒可以提高觸媒粉末與鱗片狀石墨顆粒的接觸面積，利于合成出兼?zhèn)淦瑺罟に嚭头蹱罟に囂攸c(diǎn)，具有晶型良好、棱角分明、切磨效率高的金剛石。
[0007]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案:
[0008]一種片狀形貌的人工合成金剛石用觸媒粉末，為鐵基合金粉末，它的粉末形貌為片狀，粉末的徑厚比(片狀顆粒的最大尺寸與厚度的比例)可達(dá)到5:1?20:1。
[0009]本發(fā)明所提供的具有片狀形貌的觸媒粉末，它以常用的FeNiCo、FeN1、FeNiMn等，例如FeNi29Col、FeNi30等，霧化粉末為原料，將金屬粉末和研磨介質(zhì)按比例混合，加入合適的助磨劑和防氧化劑，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高速球磨，使粉末顆粒由球形、近球形或者其它不規(guī)則形狀變?yōu)槠瑺钚蚊驳姆勰?，片狀粉末顆粒的徑厚比可達(dá)到為5:1?20:1，且其徑厚比例可根據(jù)球磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速、研磨介質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
[0010]本發(fā)明選擇霧化法制備的觸媒粉末為原料制備片狀形貌的觸媒粉末，按其材料類型為鐵基合金粉末，其制備方法為:以霧化法制備的硬度較軟的鐵基(鐵鎳基)合金粉末為原料，采用高能球磨進(jìn)行粉末顆粒的片狀化處理，通過調(diào)整球磨介質(zhì)、轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間等控制粉末的片狀化程度。
[0011]一種片狀形貌的人造金剛石合成用觸媒粉末的制備方法，包括以下步驟:將霧化工藝制備的鐵基合金粉末與不銹鋼球按一定的球料比混合，加入助磨劑和抗氧化劑，通入惰性氣體在密閉球磨機(jī)上進(jìn)行球磨，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量保持球磨罐體工作溫度在40?80°C內(nèi)，進(jìn)行分階段干式調(diào)速球磨，然后將得到的粉末進(jìn)行還原氣氛退火處理，冷卻后篩分得到徑厚比為5:1?20:1的片狀形貌觸媒粉末。
[0012]所述的鐵基合金粉末包括FeNiCo、FeNi以及FeNiMn等觸媒合金粉末，如FeNi29Col、FeNi30 粉末等。
[0013]所述的霧化工藝包括氣霧化和水霧化工藝，得到的霧化鐵基合金粉末的平均粒徑為5?75 μ m，形狀為球形、近球形或其它不規(guī)則形狀。
[0014]研磨介質(zhì)是直徑為5?20毫米的不銹鋼球，球料比為5:1?15:1。所述的助磨劑為硬脂酸，加入量為霧化粉末重量的0.5%?2%，使金屬粉末不至于冷焊；所述的抗氧化劑為苯并三氮唑(分子式！C6H5N3，溶劑為乙醇)，加入量為霧化粉末重量的0.1%?0.5% ;所述的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤?，加入抗氧化劑并通入惰性氣體可防止球磨過程中粉末氧化。
[0015]整個(gè)球磨過程的轉(zhuǎn)速控制在200?600轉(zhuǎn)/分鐘，整體球磨時(shí)間控制在30分鐘?210分鐘。所述的分階段干式調(diào)速球磨包括兩個(gè)球磨階段，第一階段轉(zhuǎn)速為200?300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間為10?30分鐘；第二階段轉(zhuǎn)速為400?600轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間為20?180分鐘。
[0016]所述的退火處理在600?800°C、還原氣氛下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為60分鐘?120
分鐘，還原氣氛的氣體為氫氣。
[0017]本發(fā)明通過調(diào)整初始粉體粒徑、球磨時(shí)間、球磨介質(zhì)等對(duì)粉末的形貌進(jìn)行控制，制成具有片狀形貌的觸媒粉末，篩分優(yōu)選后的尺寸為10?100^111，徑厚比為5:1?20:1。
[0018]本發(fā)明所提供的片狀形貌觸媒粉末的制備方法與濕式球磨相比，省略了液體研磨介質(zhì)的脫除和長(zhǎng)時(shí)間干燥過程，通過通入惰性氣體和采用水冷控制球磨溫度避免了粉末的氧化，還原氣氛下的退火過程進(jìn)一步消除了粉末表面的殘余應(yīng)力，確保得到具有合適粒度的片狀形貌觸媒粉末，為人造金剛石合成提供更高效的催化劑。
[0019]本專利所述的片狀粉末制備方法操作簡(jiǎn)單，制備效率高，可實(shí)施性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明制備出的具有片狀形貌的FeNi29Col觸媒粉末；
[0021]圖2為本發(fā)明制備出的具有片狀形貌的FeNi30觸媒粉末；
[0022]圖3為利用本發(fā)明制備的片狀形貌FeNi29Col觸媒粉末合成的人造金剛石形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明首先選取平均粒徑為5?75 μ m的霧化鐵基合金粉末為原料，形狀可為球形、近球形或其它不規(guī)則形狀；將粉末裝入不銹鋼球磨罐中，研磨介質(zhì)采用直徑為5?20毫米的鋼球，球料比為5:1?15:1，加入重量為粉末重量0.5%?2%的助磨劑，使金屬粉末不至于冷焊，加入重量為霧化粉末重量0.1%?0.5%的抗氧化劑并通入惰性氣體，防止球磨過程中粉末氧化，利用冷卻水調(diào)節(jié)球磨罐體溫度為40?80°C，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速控制在200?600轉(zhuǎn)/分鐘，分段調(diào)速球磨，即選擇不同的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間進(jìn)行分階段干式調(diào)速球磨，整體球磨時(shí)間控制在30分鐘?210分鐘；球磨后的粉末在600?800°C的溫度條件下進(jìn)行還原氣氛下的退火處理，退火時(shí)間為60分鐘?120分鐘，還原氣氛為氫氣；冷卻后進(jìn)行篩分得到合適粒度的片狀形貌觸媒粉末。
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0025]實(shí)施例1:以粒徑為5?75 μ m的水霧化FeNi29Col粉末與直徑為5?20mm的不銹鋼球按球料比為15:1的比例、加入粉末重量的0.5%的硬脂酸以及粉末重量的0.2%的抗氧化劑(苯并三氮唑，溶劑為無水乙醇)進(jìn)行配料混合后放入球磨罐中進(jìn)行球磨，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量調(diào)整球磨罐體的溫度為40°C，通入氮?dú)?，總體球磨時(shí)間為60分鐘:第一階段，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘，球磨20分鐘；第二階段，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/分鐘，球磨40分鐘，取出后選擇600?800°C條件下進(jìn)行氫氣還原退火處理，時(shí)間為120分鐘；冷卻后，篩分出片狀形貌的FeNiCol合金粉末，粉末的徑厚比最大可達(dá)到20:1，最小可達(dá)到5:1，整體的徑厚比介于5:1?20:1。
[0026]如圖1所示為制備的FeNi29Col觸媒粉末的形貌，可以看到其具有片狀形貌結(jié)構(gòu)。
[0027]實(shí)施例2:以粒徑為5?45 μ m的水霧化FeNi29Col粉末與直徑6?18mm的不銹鋼球按球料比為10:1的比例、加入粉末重量的0.8%的硬脂酸以及0.3%的抗氧化