專利名稱：：一種人工合成金剛石用含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒的制作方法
技術領域：
：本發明屬于人工合成金剛石用觸媒材料
技術領域：
，特指一種含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒。
背景技術：
：人工合成金剛石是用石墨作為碳源，利用高溫高壓設備，在觸媒(由Fe、Ni.、Co、Mn等元素組成的合金)的催化作用下由石墨轉化而成。通常的觸媒材料包括片狀和粉末狀。粉末狀觸媒由于具有比表面積大，石墨轉化率高，合成單產高，化學成分均勻，金剛石生產成本低，合成的金剛石晶形完整率高、晶體內較為純凈、包裹體含量低、顏色佳，金剛石冷、熱沖擊韌性高，熱穩定性好，高強金剛石產出率高等優點，現已被企業普遍采用。金剛石的合成質量和產量主要由石墨、粉末觸媒的合金成分和粒度以及合成工藝等因素決定，現在一般采用FeNi基粉末觸媒進行高強金剛石的合成。為了進一步改進金剛石的質量，降低生產制造成本，有關人員進行了不同目的的研究。相關的專利如專利CN1428194A提出一種合成粗顆粒、高強度金剛石用粉末觸媒，其合金成分為24-26%Mn(質量分數，下同)，4.5-5.5%Co，0.02-0.5%富Ce混合稀土，0.05-0.5%Mo，50-100卯mN，余量為Ni，利用該粉末觸媒合成的金剛石單產高，晶形好，強度高；專利CN1428195A開發出一種合成細粒度金剛石用粉末觸媒，其合金成分為24-26%Mn，4.5-5.5%Co，O.6-2.0%C，O.02-0.2%Al，50-150ppmN，余量為Ni，該粉末觸媒出粉率高，適合合成細粒度金剛石；專利CN1903429A提出一種低成本合成高強優質金剛石用粉末觸媒，其合金成分為20-45%Ni，0-5%Mn，0.1-0.5%C，50-100ppmN，80-300ppmO，余量為Fe，利用該觸媒合成金剛石粒度粗、單產高、晶形完整率高、熱穩定性好。以上幾個粉末觸媒專利的化學成分組成均為NiMn基或FeNi基，含有較高比例的Ni，因此觸媒材料成本較高。本專利采用Fe、Mn作為主要元素制備的FeMn基粉末觸媒將會進一步降低觸媒的材料成本。
發明內容本發明的FeMn基粉末觸媒采用Fe、Mn作為主要成分，不用或少用金屬Co、Ni，將會進一步降低觸媒的材料成本，適用于產量高、應用范圍廣、售價更低的磨料級金剛石的合成。為實現以上目的，本發明采取了以下技術方案本發明的一種人工合成金剛石用含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，按質量百分比計，其合金成分為28-50%Mn，0-10%Ni，0-5%Co，O.1-0.5%C，0.01_1%稀土添加劑，余量為Fe。本發明的一種含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒還含有其它微量元素，該配方觸媒合金成分按質量百分比計算為:28-50%Mn，O-腦Ni，0_5%Co，O.1-0.5%C，O.01-1%稀土添加齊U，50-800卯m0，50-500卯mN，余量為Fe。在含有稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒中，優選的技術方案為按質量百分數計，其合金成分為28-40%Mn，0-10%Ni，0_5%Co，O.1-0.3%C，O.1-0.6%稀土添加劑，100-300卯m0，80-200卯mN，余量為Fe。其中，稀土添加劑優選Ce、La和Er中的一種。本發明的金剛石合成用粉末觸媒，采用惰性氣體氣霧化工藝制備，所得粉末顆粒形狀為球形或類球形。根據人造金剛石合成理論，觸媒基體中的Mn是金剛石和石墨的相間活化元素，可以提高觸媒粉末浸潤石墨的能力，增加形核率，有利于金剛石的合成；另一方面，觸媒中的氧對于金剛石合成而言是有害元素，觸媒中的氧包括結合氧和吸附氧，也叫內氧和外氧，內氧主要是以金屬氧化物形式存在，外氧主要是吸附的空氣和水分；外氧在觸媒粉末與石墨粉混合后的真空處理過程中會揮發或還原掉，而內氧在成型后的后續還原處理過程中只能部分去除。在制粉過程中加入一定的C可以降低合金中的氧含量，另外，加入一定量的稀土元素可以進一步減少觸媒中金屬氧化物的形成，起到脫除觸媒中氧的作用，另外稀土氧化物本身也是一種很好的催化劑。本發明的優點如下1、本發明所制備的觸媒合金粉末是一種FeMn基粉末觸媒，Fe的3d外層電子空穴多、活性大，與碳原子的親和能力較強，使觸媒溶碳能力增強；Mn是金剛石和石墨的相間活化元素，可以提高觸媒粉末浸潤石墨的能力，增加形核率，有利于高產量金剛石的合成；另外，FeMn基粉末觸媒合成金剛石所需壓力、溫度較低，與目前廣泛應用的FeNi觸媒相比，其原材料成本大大降低，使其應用具有更強的市場競爭力。2、本發明的粉末觸媒球形度好，比表面積大，可與石墨粉充分混合且均勻度較高，有利于合成工藝的穩定，為降低金剛石合成的頂錘消耗及總體生產成本創造了條件。3、本發明的觸媒粉末成分穩定，組織均勻，有利于金剛石的均勻成核和長大，特別是在基體主元素Fe、Mn基礎上，添加了C和稀土添加劑，又進一步降低了氧含量，對于減少晶內包裹體的形成和提高金剛石晶體的完整度有很大的作用。4、本發明的FeMn基粉末觸媒中還可以含有少量Ni、Co、N元素，以改進金剛石的顏色，提高金剛石的抗壓強度和熱穩定性，滿足不同品級、不同種類金剛石的合成需要。本發明制備的粉末觸媒產品優選后的氧含量《300PPm，氮含量《150PPm。采用該觸媒合成的金剛石#39mm腔體混合單產高達105克拉/塊以上，靜壓強度高于20Kg的比例大于40%，金剛石中35/60粒度范圍比例為76%以上，TI、TTI值較高，金剛石熱穩定性較好，耐磨性較好，是制作高效率金剛石磨具的理想原料。附圖1為FeMnCe粉末觸媒的形貌。圖中絕大多數粉末顆粒形貌呈球形和近視球形，不規則形狀顆粒很少。附圖2為FeMnCe粉末觸媒合成的金剛石照片。圖中為50/60目金剛石選型后的照片，晶型較完整。具體實施例方式以下用實施例對發明作進一步闡述，將有助于對本發明的產品及其優點做進一步說明，本發明并不局限于這些實施例，其保護范圍由權力要求書闡明。實施例1本實施例中的一種含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，按質量百分比計，其合金配料成分為28.9%Mn，O.16%C，O.36%Ce，余量為Fe。粉末制備方法如下1、按配方規定比例稱取Fe、Mn、C和稀土Ce，在惰性氣體保護條件下利用中頻感應爐熔化制錠，考慮到Mn和稀土Ce的揮發性要在熔化后期加入，配料熔化溫度約為1450-1480°C，加入Mn和Ce熔化后保持5分鐘左右，然后澆鑄成錠。2、將合金錠在1450-165(TC重熔，熔化過程中通入氬氣保護，通氣時間為8_10分鐘，最后利用高壓氮氣(壓力為3.0-4.5Mpa)將金屬液流擊碎霧化成粉末。通過上述方法制備出該配方的觸媒粉末，測得觸媒粉末氧含量為224ppm，氮含量為125ppm。本實施例所制得的FeMnCe粉末觸媒的形貌的照片如圖1所示，圖1中絕大多數粉末顆粒形貌呈球形和近視球形，不規則形狀顆粒很少。將觸媒合金粉篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6的比例均勻混合制備合成棒，利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，測試結果如表1所示。使用本實施例制得的FeMnCe粉末觸媒所合成的金剛石照片如圖2所示，圖2為50/60目金剛石選型后的照片，晶型較完整。實施例2粉末觸媒的制備設備及操作方法同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，觸媒合金的配料成分為38.6%Mn，O.16%C，O.54%Ce，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為218ppm，氮含量為120ppm。將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，測試結果如表1所示。實施例3粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，觸媒合金的配料成分為38.5%Mn，O.16%C，O.76%Ce，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為230ppm，氮含量為128ppm。將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，結果如表1所示。實施例4粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，觸媒合金的配料成分為28.4%Mn，O.18%C，O.362%Ce，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為235ppm，氮含量為130ppm。將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，結果如表l所示。實施例5粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，其成分組成為28.2%Mn，0.16%C，0.368%Ce，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為222ppm，氮含量為116ppm將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，結果如表l所示。實施例6粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，其成分組成為28.8%Mn，6.0%Ni，O.15%C，O.38%Er，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為225ppm，氮含量為126ppm。將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，結果如表l所示。實施例7粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例l，所不同的是，按質量百分比計，其成分組成為38.6%Mn，3.0%Co，O.15%C，O.36%La，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為224ppm，氮含量為128ppm。將合金粉末篩分后，取-200目的觸媒粉末與石墨粉按4:6比例均勻混合制備合成棒，同樣利用#39mm腔體在5.2Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約20分鐘的加熱時間下進行金剛石合成，對得到的金剛石進行粒度分析和靜壓強度、TI、TTI性能測試，結果如表l所示。表1FeMn基粉末觸媒合成金剛石的主要性能指標<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求一種人工合成金剛石用含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，其特征在于按質量百分比計，其合金成分為28-50％Mn，0-10％Ni，0-5％Co，0.1-0.5％C，0.01-1.0％稀土添加劑，50-800ppmO，50-500ppmN，余量為Fe。2.根據權利要求l所述的含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，其特征在于按質量百分比計，其合金成分為28-40%Mn，O-腦Ni，0_5%Co，O.1-0.3%C，O.1-0.6%稀土添加劑，100-300卯m0，80-200卯mN，余量為Fe。3.根據權利要求1或2所述的含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，其特征在于所述的稀土添加劑為Ce、La和Er中的一種。4.根據權利要求1或2所述的含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，其特征在于所述的含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒是采用氣霧化方法制備的。全文摘要一種人工合成金剛石用含稀土添加劑的FeMn基粉末觸媒，按質量百分比計，其合金成分為28-40％Mn，0-10％Ni，0-5％Co，0.1-0.5％C，0.01-1.0％稀土添加劑，50-800ppmO，50-500ppmN，余量為Fe，其中稀土添加劑采用Ce、La和Er中的一種。本發明優選的粉末觸媒產品氧含量≤300ppm，氮含量≤150ppm，采用惰性氣體氣霧化工藝制備，觸媒粉末呈球形或近球形，合金成分均勻。采用該觸媒合成的金剛石，∮39mm腔體混合單產高達105克拉/塊以上，靜壓強度高于20kg的比例大于40％，金剛石中35/60粒度范圍的比例為76％以上，TI、TTI值較高，熱穩定性較好，耐磨性較好，是制作高效率金剛石磨具的理想原料。文檔編號B01J35/08GK101716515SQ20091023770公開日2010年6月2日申請日期2009年11月16日優先權日2009年11月16日發明者徐駿,朱學新,李成棟,趙文東,趙新明,郭宏申請人:北京有色金屬研究總院