粉末法合成人造金刚石技术的研究与应用
第37卷 第 1期 人 工 晶 体 学 报
2008年2月 JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS
No. 1
200 8
Vol. 37
Februa
粉末法合成人造金刚石技术的研究与应用
周连科
(中材高新材料股份有限公司，北京100018)
摘要:目前，工业人造金刚石的合成是在高温高压条件下通过触媒作用将碳元素的排序由石墨结构转变成金刚石
结构。传统的片状合成技术成本高，转化率低，已逐步被先进的粉末合成技术取代。粉末合成技术解决了原材料
的研制、粉末柱的制备、合成结构及合成工艺的确定等关键技术问题。随着粉末合成技术的推广应用，我国人造金
刚石得到快速发展，生产成本大幅降低，金刚石产量及质量大幅提高。
关键词:人造金刚石;触媒合金粉;石墨粉;粉末柱;真空处理
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1000-985X(2008) 01-0109-05
Study and Application of Diamond Synthesized by Powder Technics
ZHOU Lian-ke
(Sinoma Advanced Materials Co.，Ltd, Beijing 100018, China)
(Rweived 9 April 2007)
Abstract:At present，industrial artificial diamond technic is a conversion of -carbon from graphite
structure to diamond structure by the effect of catalyst alloy at high temperature and high pressure
(HTHP).Traditional slice synthesis technics have been replaced gradually by the powder synthesis
technics because of its high cost and low conversion rate. Some pivotal problems,such as research of raw
material, preparation of powder rod, confirmation of synthesis structure and technics, have been solved
by the powder synthesis technics. Chinese artificial diamond is developing with the declining of
manufacture costs, the increasing of diamond quality and quantity.
Key words: artificial diamond; catalyst alloy; graphite; powder rod ;vacuum deoxidation
1 引 言
金刚石和石墨是碳的两种同素异形体，化学成分都是纯碳，人造金刚石是在高温高压下经过触媒作用将
石墨结构发生转变的结果。触媒是人造金刚石合成中必不可少的辅助材料。本文介绍了粉末状触媒代替片
状触媒以来，合成金刚石技术的研究、发展以及推广应用。
2 粉末合成技术的研发背景
中国作为人造金刚石生产大国已多年位居世界第一，其金刚石产量占世界产量的70%以上ltl。由于我
国人造金刚石的质量和稳定性逐步提高一、成本不断降低，加上国内外金刚石制品市场不断扩大，有力地推动
了人造金刚石市场的蓬勃发展。据统计，2003年我国人造金刚石的年产量约为25.3亿克拉(约506吨)，比
收稿日期;2007-04-09
作者简介:周连科(1962-)，男，湖南省人，高级工程师。E-mail: zhoulianke3453 @ sine. com
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人 工 晶 体 学 报 第37卷
2002年产量增长了26.5%. 2006年我国人造金刚石的年产量达到50亿克拉(1000吨)以上。21世纪前我
国人造金刚石的工业化生产以片状合成技术为主，原材料为片状触媒合金和片状石墨，进人21世纪粉末技
术逐步替代了片状技术，粉末合成技术所用原材料为触媒合金粉末和天然石墨粉〔1-3]0
近几年来，国内外人造金刚石市场不断扩大，而采用粉末合成技术合成人造金刚石是金刚石行业的发展
方向，国外普遍采用粉末合金材料作为催化剂合成人造金刚石。国内金刚石行业在2002年以前主要用片状
触媒合金和石墨片，片状触媒年用量在3000吨左右，石墨片年用量在 1500吨左右。粉末法合成人造金刚石
比片状合成相同体积金刚石产量、质量可大幅度提高，材料消耗大幅度降低，全部用粉末材料其触媒合金粉
末用量只需 1200吨左右，石墨粉用量在2400吨左右。自2003年起用粉末材料合成人造金刚石已经得到国
内许多生产厂家的认同，合成高品级人造金刚石用的粉末材料开始批量推广应用，粉末材料的需求量呈快速
增长的趋势。.截止到2003年底，国内共有5941台六面顶及 100余台两面顶人造金刚石设备。消耗触媒
4524余吨，如果开发70%的用量使用粉末材料，触媒合金粉末材料年需求量可达1200吨以上，产品市场前
景十分广阔[，一，]。
我国粉末合成技术发展初期(20世纪90年代末期)触媒合金粉末主要是从国外进口，价格在每吨18万
元左右，石墨粉末进口价格更高，每吨在20万元以上，材料成本高，加上当时粉末合成技术水平还较低，粉末
材料推广用量较少。国产气雾化触媒合金粉末的应用也未从根本上解决问题。人工晶体研究院经过近10
年的技术攻关，从触媒合金粉末的制造技术到应用技术方面根本性突破后大幅度降低了触媒合金粉末的制
造成本及推广应用的工艺成本，锦州碳素和上海碳素解决了石墨粉末的国产问题，价格也随着技术进步、成
本降低而大幅度降低，降低了粉末合成技术的应用成本，促进了我国粉末法合成人造金刚石技术的快速发
展。
3 粉末合成技术原料的研制
3.1 触媒合金粉末
触媒合金粉末是合成金刚石的催化剂，是生产人造金刚石主要原料。合金粉末的制造以雾化法为主，有
水雾化和气雾化两大类，我们采用水雾化法制造触媒合金粉末。主要设备:中频熔炼炉、高压水泵、真空干燥
箱、筛分机、合批机、真空包装机等[}3一，〕。
触媒合金粉末生产工艺流程如下:
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在生产工艺试验过程中，解决了如下技术关键问题:
①合理的高压水互成角度二次V形喷射破碎制粉法;
②触媒合金粉末的冶炼工艺、成分控制技术;
③高出粉率及合理的粒度组成。
用水雾化法制造的触媒合金粉末技术参数如下:
粉末粒度:一320M, d <43j,m;一200 M, d <74iLm;
松装密度:一3.6g/cm3;
粉末氧含量:<0.4%;
有效成份:>99%。
3.2 石墨粉
用粉末法合成人造金刚石的主要原材料石墨粉采用天然磷片石墨为原料经提纯、净化、高温处理而成。
长春金来碳素、上海碳素是我国较早试制生产高纯磷片石墨粉的厂家，对石墨粉的性能要求主要有纯度和石
墨化度等。
4 粉末合成柱的制备工艺
使用高纯度石墨粉末与超低氧含量触媒合金粉末作原料生产粉末合成柱，生产粉末合成柱的生产过程如下:
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此生产流程可适用于超低氧含量的触媒合金粉末。粉末合成工艺研发初期，使用进口低氧含量触媒合
金粉末和高纯石墨粉末为原料通常采用此工艺制备合成柱。国产触媒合金粉末的氧含量难以达到使用要
求，进口与国产触媒粉末生产工艺与氧含量对比情况如下表is
表1 进口与国产触媒粉末生产工艺与氧含f对比
Table 1 Comparation of preparation technics and content of oxygen between imports and domestic products
Content of oxygen( 10 -6) Gas atomization After deoxidization After deoxidization
Import 30NiFe
products 30NiFe
2001300
400-800
~100
.200
Water atomization
2000-3000
2000-3000
~100
~200
中材人工晶体研究院采用自行研制的水雾化触媒合金粉末作原料，对合成柱进行真空还原处理工艺研
究，解决了使用效果问题「叫。创新后，其制柱工艺增加了两个步骤:真空处理和复压。其制柱工艺过程更新
为:混料*造粒*压柱、真空处理、复压*成品。
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5 粉末法合成结构设计
用粉末柱合成人造金刚石其合成快的组装结构及合成工艺与片状合成块有较大差异。原因有:(1)粉
末合成棒由粉末用模具压制而成，其孔隙度相对片状合成棒大。传压过程中压力损失较大，需通过结构改善
内压;(2)粉末合成棒的电阻率相对片状合成棒小，电流相同时其自身发热量较少;(3)同体积金刚石产量粉
末合成柱相对较高，石墨转变为金刚石之后的体积收缩相对较大。片状合成块通常采用的结构为:叶腊块
①，腔体中两头为导电钢碗②，发热片③，中间的片状合成棒④由石墨片与触媒片交替重叠组成，其结构如下
图1所示d片状合成块结构各组件的作用为:叶腊石作传压、保温介质，导电钢碗主要其导电作用，发热片使
用高阻碳片，改善合成棒两端温度偏低的不足。此结构的特点是结构简单，组装结构件成本较低，合成所需
电流高。.
g
穿
图1 片状合成块结构
Fig. I Slice synthesis structure
I:pyrophyllite sleeve,2;steel ring,3; graphite heater,
4; pyrophyllite ring,5;catalyst plate,6:graphite plate
图2 粉末合成块结构1
Fig. 2 Powder synthesis structure 1
1:pyrophyllite sleeve,2;steel ring,3;graphite heater,
4;compact of catalyst powder and grapgite powder,
5 ; electric disc,6 ; dolomite tube,7 ; iron band
片状合成块结构不适合粉末合成块，在粉末合成的初期实验中简单的采用片状合成块结构，所需的加热
电流很高且温度场不均匀，说明粉末柱的电阻率小于片状合成块的电阻率。经过对结构的改进试验，将粉末
合成块的结构改进为图2与图3两种结构，叶腊石块
①，腔体中，两头为导电钢碗②，保温发热片③，中间为
粉末合成柱④，导电片⑤，在粉末合成柱四周有保温管
(白云石管⑥)、钢带⑦或者铁杯⑧等。
粉末合成块结构中主要组件的作用为:白云石管
保温效果好，高温基本不发生相变，具有增压保压效
果;保温发热片对导电钢碗隔热，对粉末柱发热保温。
铁带或铁杯起分流和屏蔽作用，改善温度场温度的均
匀性[7-91。 粉末合成块结构1(如图2所示)与结构2(如图3
所示)的区别与特点主要有以下几个方面:(1)结构1
中保温加热片为两件套结构，外围为白云石环起保温
隔热作用，中间加高电阻石墨粉片;结构2中保温加热
片为三件套结构，外围为白云石环，中间为高电阻石墨
图3 粉末合成块结构2
Fig. 3 Powder synthesis structure 2
1:pyrophyllite sleeve, 2 ;steel ring, 3 ;graphite heater,
4 :compact of catalyst powder and grapgite powder,
5 .electric disc, 6 ; dolomite tube, 7 ;graphite disc, 8 ;iron cup
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第 1期 周连科:粉末法合成人造金刚石技术的研究与应用
粉圈，中心为白云石片。(2)结构1合成电流比结构2高10一巧%。(3)结构1金刚石合成工艺范围较宽，
而结构2较窄。(4)采用同规格叶腊石块，结构2合成腔体较大，单产较高。粉末合成块近年来大量使用的
另一种结构是间接加热式，对粉末合成技术的开发也起了较大的推动作用。
6 粉末合成技术的推广应用
解决了前述触媒合金粉末及石墨粉的国产化问题，且对粉末柱采用真空处理工艺，解决了高氧含量水雾
化触媒粉的使用问题，大幅度降低了粉末柱的生产成本，提高了人造金刚石的质量、品质及产量。我国人造
金刚石业用粉末法合成人造金刚石工业化生产得到快速推广应用。自.2003年开始小批量投人使用至今短
短三年多时间，粉末法合成人造金刚石技术基本上替代了我国原传统的片状合成技术。2003年粉末合成柱
的用量约200吨，2004年约1500吨，2005年约4000吨，2006年约5000吨，2007年将达到6000吨以上。
7 结 论
粉末材料合成人造金刚石是替代片状材料的换代材料。相比可节省金属镍的使用量达三分之二，为国
家节省战略物资的消耗，石墨损耗降低20%以上，减少原材料的进口。人造金刚石产量和品位的大幅提高，
带动了我国金刚石工具制造水平的提高，人造金刚石及工具不仅可以替代进口，而且还大量出口，为国家节
汇创汇。该项目的开发应用带来了良好的社会效益并为企业创造了良好的经济效益〔’，’“〕。
参 考 文 献
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