專利名稱：低成本FeMnNi粉末觸媒及制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低成本FeMnNi粉末觸媒及制備方法和應用，本發(fā)明制備的低成本FeMnNi粉末觸媒可應用于人工合成自銳性金剛石，屬于人工合成金剛石用觸媒材料技術領域。
背景技術：
人造金剛石通常使用的觸媒有以下幾種:De Beers用鈷基和鎳基合金觸媒；G.E公司用鎳基觸媒；俄羅斯用鎳錳觸媒；我國用鎳錳鈷或鎳錳鐵觸媒和鐵鎳觸媒。考慮到生產(chǎn)自銳性金剛石要求產(chǎn)量高，即轉(zhuǎn)化率高，成本低，顆粒形狀為等積形，晶體結(jié)構為團粒結(jié)構，不強調(diào)要求單晶、完整晶形和高強度指標。我國目前主要使用鎳基觸媒進行自銳性金剛石合成。Fe、N1、Mn、Co是催化效果最好的四種元素，其中Fe元素價格最便宜，Mn元素的加入可以降低合金熔點，改善形核和長大速率，加入少量鎳元素可以改善合金的性能和合金的晶體結(jié)構，改善粉末的整體催化性能。為了改善金剛石的生長形態(tài)，增加產(chǎn)量，降低單位制造成本，進一步拓寬金剛石的使用范圍，有關人員對觸媒成分配比與金剛石的生長形態(tài)進行了研究。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(zhì)量分數(shù)，下同)，4.5-5.5% Co, 0.02-0.5%富Ce混合稀土，0.05-0.5% Mo,50-100ppm N，余量為Ni，利用該粉末觸媒合成的金剛石單產(chǎn)高，晶形好，強度高；專利CN1428195A開發(fā)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, 0.6-2.0% C,0.02-0.2% Al，50_150ppm N，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(yōu)質(zhì)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,50-100ppm N,80-300ppm 0，余量為Fe，利用該觸媒合成金剛石粒度粗、單產(chǎn)高、晶形完整率高、熱穩(wěn)定性好；CN101884933A提出一種高自銳性金剛石用粉末觸媒及其制備方法，它由下述重量百分比的原料組成:Ni15-25%, Cu 5-10%, Mn 3-8%, Cr 0.005-0.05%, V 0.002-0.02%, Ce 0.003-0.03%, N100-150PPm、0 80_150PPm，余量為 Fe。以上幾種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。

發(fā)明內(nèi)容
為了進一步降低觸媒的材料成本，本發(fā)明提供了一種低成本FeMnNi粉末觸媒及其制備方法。本發(fā)明采用Fe、Mn作為主要成分，添加少量N1、Cr、Si元素，不僅降低了觸媒的材料成本，而且適用于合成產(chǎn)量高、自銳性好、應用范圍廣的磨料級金剛石的合成。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下技術方案:一種低成本FeMnNi粉末觸媒，按質(zhì)量百分比計，其組成為:Mn 30 50%，NiO 10%, Cr I 3%，C 0.1 0.8%，Si 0.05 0.2%，余量為 Fe。
本發(fā)明的低成本粉末觸媒中除了 Fe、Mn、Ni元素外，還含有添加元素Cr、C和Si。按質(zhì)量百分數(shù)計，可優(yōu)選其合金成分為Mn 35 45%，Ni 5 10%，Cr I 2%，C0.1
0.3%, Si 0.05 0.1%，余量為 Fe。在以Si為添加劑的低成本粉末觸媒中，按質(zhì)量百分數(shù)計，進一步優(yōu)選其合金成分為 Mn 35 45% ,Ni 5 8% ,Cr I 2%，C 0.1 0.2%，Si 0.05 0.1%，余量為 Fe。本發(fā)明的低成本粉末觸媒還含有O和N，按質(zhì)量百分比計算為:0 50 800ppm，N50 500ppm。進一步地，O優(yōu)選為100 300ppm，N優(yōu)選為80 180ppm。本發(fā)明的低成本FeMnNi粉末觸媒采用氣霧化方法制備。采用惰性氣體氣霧化方法制備低成本FeMnNi粉末觸媒的方法，包括如下步驟:(I)按配方比例稱取Fe、Mn、N1、Cr、C和Si，在惰性氣體保護條件下，采用中頻感應爐熔化，熔化溫度約為1460 1480°C，考慮到Mn元素的揮發(fā)性要在熔化后期加入，加入Mn熔化后保持5分鐘左右，然后澆鑄成合金錠；(2)將合金錠在1460 1650°C重熔，熔化過程中通入氬氣保護，然后利用高壓氮氣，壓力為3.0 4.5Mpa，將金屬液流擊碎霧化成粉末。采用惰性氣體氣霧化方法，制備所得粉末顆粒形狀為球形或類球形。本發(fā)明的低成本FeMnNi粉末觸媒在人工合成自銳性金剛石中的應用。通過對觸媒與石墨不同配比實驗和合成工藝的調(diào)整，成功地合成了自銳性金剛石。所制備的FeMnNi觸媒成本大幅度降低，石墨轉(zhuǎn)化率高，為自銳性金剛石的大量應用奠定了基礎。根據(jù)人造金剛石合成理論，F(xiàn)e、N1、Co是基本的觸媒組成元素，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，在觸媒中添加部分Cr兀素可以改變金剛石的生長狀態(tài)和環(huán)境,加入一定量的Si元素可以進一步提高金剛石的成核速度，改變金剛石的顏色，有利于自銳性金剛石的合成，加入C元素是為了降低氧含量。本發(fā)明的優(yōu)點如下:1、本發(fā)明所制備的觸媒合金粉末以Fe、Mn為主要成分，因此成本較低。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(chǎn)量金剛石的合成；另外，該配比的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FeNiCo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(fā)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(wěn)定，為降低金剛石合成的總體生產(chǎn)成本創(chuàng)造了條件。3、本發(fā)明的觸媒粉末成分穩(wěn)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、Ni基礎上，添加少量的Cr、C、Si元素，改善了金剛石的生長環(huán)境，提高了金剛石的形核速度，促進了自銳性金剛石的形成。本發(fā)明以Fe、Mn為主要組分，添加少量的N1、Cr、C、Si元素，利用氣霧化方法制備了觸媒粉末。采用惰性氣體氣霧化工藝制備的觸媒粉末呈球形或近球形，合金成分均勻。本發(fā)明制備的人工合成自銳性金剛石用低成本粉末觸媒的氧含量< 300PPm，氮含量(180PPm。采用該觸媒與石墨配比合成的金剛石顏色呈不透明的灰綠色或黑綠色，晶型為團粒狀結(jié)構的多邊形聚結(jié)體，Φ40πιπι腔體混合單產(chǎn)可高達154克拉/塊以上，呈現(xiàn)典型的自銳性金剛石的形狀特征。靜壓強度平均在20牛頓左右，80/100以粗粒度比例可達60%以上，是制作加工硬脆材料用高效率金剛石磨具的理想原料。


圖1為FeMnNi粉末觸媒的形貌。圖2為利用FeMnNi粉末觸媒合成的自銳性金剛石照片(80/100粒度)。
具體實施例方式以下用實施例對本發(fā)明作進一步闡述，將有助于對本發(fā)明的產(chǎn)品及其優(yōu)點做進一步說明，本發(fā)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本實施例中的低成本粉末觸媒，按質(zhì)量百分比計，其合金配料成分為35% Mn, 8%Ni,l% Cr,0.2% C,0.06% Si，余量為Fe。粉末制備方法如下:1、按配方比例稱取Fe、Mn、N1、Cr和C、Si，在惰性氣體保護條件下，利用中頻感應爐熔化制錠，配料熔化溫度約為1460 1480°C，考慮到Mn元素的揮發(fā)性要在熔化后期加入，加入Mn熔化后保持5分鐘左右，然后澆鑄成錠。2、將合金錠在1460 1650°C重熔，熔化過程中通入氬氣保護，通氣時間為10分鐘左右，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250ppm,氮含量為 131ppm。 將觸媒合金粉篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I所示。圖1為FeMnNi粉末觸媒的形貌，圖中絕大多數(shù)粉末顆粒形貌呈球形和近視球形，不規(guī)則形狀顆粒很少。圖2為FeMnNi粉末觸媒合成的自銳性金剛石照片(80/100粒度)，圖中為80/100粒度金剛石的照片，晶型呈團粒狀結(jié)構，自銳性較強。實施例2粉末觸媒的制備設備及操作方法同實施例1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，觸媒合金的配料成分為40% Mn,8% Ni,1% Cr,0.2% C，0.06% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為263ppm,氮含量為145ppm。將合金粉末篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I所示。實施例3粉末觸媒的制備設備及操作方法同實施例1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，觸媒合金的配料成分為45% Mn，8% Ni, I % Cr, 0.2% C，0.06% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為280ppm,氮含量為168ppm。將合金粉末篩分后,取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I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1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，觸媒合金的配料成分為35% Mn，10%Ni,l%Cr,0.2%C,0.1% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為246ppm,氮含量為136ppm。將合金粉末篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I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1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，其成分組成為45% Mn，10% Ni，I % Cr，0.2% C，0.1% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為269ppm,氮含量為152ppm。將合金粉末篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I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1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，其成分組成為35% Mn，5% Ni，1% Cr, 0.2% C，0.1% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為275ppm,氮含量為176ppm。將合金粉末篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I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1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，其成分組成為50 % Mn，O % Ni，2 % Cr，0.1 % C，0.08 % Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為285ppm,氮含量為173ppm。將合金粉末篩分后，取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I所示。實施例8
粉末觸媒的制備設備及操作方法基本同實施例1，所不同的是，按質(zhì)量百分比計，其成分組成為30% Mn，6% Ni，3% Cr, 0.8% C，0.05% Si，余量為Fe。測得觸媒粉末的氧含量為262ppm,氮含量為151ppm。將合金粉末篩分后,取-325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Φ40πιπι腔體在5.4Gpa左右壓力、1450°C以上的溫度、約15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、顏色、形狀觀察和靜壓強度測試，測試結(jié)果如表I所示。表IFeMnNi粉末觸媒合成自銳金剛石結(jié)果
權利要求
1.一種低成本FeMnNi粉末觸媒，按質(zhì)量百分比計，其組成為:Mn 30 50%，Ni O 10%, Cr I 3%，C 0.1 0.8%，Si 0.05 0.2%，余量為 Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述的低成本FeMnNi粉末觸媒，其特征在于:按質(zhì)量百分數(shù)計，其組成為:Mn 35 45% ,Ni 5 10% ,Cr I 2%，C 0.1 0.3%，Si 0.05 0.1%，余量為Fe。
3.根據(jù)權利要求2所述的低成本FeMnNi粉末觸媒，其特征在于:按質(zhì)量百分比計，Ni為 5 8%，C 為 0.1 0.2%。
4.根據(jù)權利要求3所述的低成本FeMnNi粉末觸媒，其特征在于:所述的粉末觸媒中還含有O和N，按質(zhì)量百分比計，O為50 800ppm，N為50 500ppm。
5.根據(jù)權利要求4所述的低成本FeMnNi粉末觸媒，其特征在于:所述的粉末觸媒中，按質(zhì)量百分比計，O為100 300ppm，N為80 180ppm。
6.權利要求1-5中任一項所述的低成本FeMnNi粉末觸媒的制備方法，其特征在于:所述的低成本FeMnNi粉末觸媒采用氣霧化方法制備。
7.根據(jù)權利要求6所述的低成本FeMnNi粉末觸媒的制備方法，其特征在于:所述的低成本FeMnNi粉末觸媒采用氣霧化方法制備，包括如下步驟: (1)按配方比例配料，在惰性氣體保護條件下，采用中頻感應爐熔化，熔化溫度為1460 1480°C，然后澆鑄成合金錠； (2)將合金錠在1460 1650°C重熔，熔化過程中通入氬氣保護，然后利用壓力為3.0 4.5Mpa的氮氣，將金屬液流擊碎霧化成粉末。
8.權利要求1-5中任一項所述的低成本FeMnNi粉末觸媒在人工合成自銳性金剛石中的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本FeMnNi粉末觸媒，按質(zhì)量百分比計，其合金成分為Mn 30～50％，Ni 0～10％，Cr 1～3％，C 0.1～0.8％，Si 0.05～0.2％，余量為Fe。本發(fā)明優(yōu)選的粉末觸媒產(chǎn)品氧含量≤300ppm，氮含量≤180ppm，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。采用該觸媒與石墨配比合成的金剛石顏色呈灰綠色或黑綠色，晶型為團粒狀結(jié)構的多邊形聚結(jié)體，Φ40mm腔體混合單產(chǎn)高達154克拉/塊以上，靜壓強度平均在20牛頓左右，80/100以粗粒度比例可達60％以上，是制作加工硬脆材料用高效率金剛石磨具的理想原料。
文檔編號B01J35/02GK103170347SQ20111043331
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權日2011年12月21日
發(fā)明者趙文東, 徐駿, 趙新明, 張永忠, 邊雋杰 申請人:北京有色金屬研究總院