一、人造金剛石生產(chǎn)的歷史
　　1954年美國GE公司研制成功了世界上第一顆人造金剛石。我國在1960年10月作為國家重點科研項目下達了人造金剛石的研制任務(wù)，該任務(wù)由原第一機械工業(yè)部磨料磨具磨削研究所、通用機械研究所和原地質(zhì)科學研究院共同承擔。經(jīng)過通力合作，于1963年12月6日，在國產(chǎn)300噸61型兩面頂超高壓裝置上，以高純石墨粉為原料，以鎳鉻合金為觸媒，成功地生產(chǎn)出了我國第一顆人造金剛石。1964年4月，由磨料磨具磨削研究所與鑄造鍛壓研究所開始設(shè)計6×6MNDS－023A型鉸鏈式六面頂壓機。1965年4月，原第一機械工業(yè)部下達國家科委“關(guān)于人造金剛石中間試驗任務(wù)書”，1965年8月六面頂壓機制成并在磨料磨具磨削研究所完成安裝，1966年7月3日正式進行合成工藝試驗，并投入批量生產(chǎn)，當年生產(chǎn)人造金剛石一萬克拉，同時由磨料磨具磨削研究所參與選址、設(shè)計、籌建我國第一個人造金剛石及其制品專業(yè)化生產(chǎn)廠——第六砂輪廠，第六砂輪廠于1969年建成投產(chǎn)。至此，我國逐步形成了6×6兆牛頓（MN）六面頂設(shè)備為特色的人造金剛石生產(chǎn)工業(yè)體系。
　　在國外，上世紀80年代末期，德國Winter公司成功地在兩面頂超高壓裝置上開發(fā)出粉末觸媒合成粗顆粒高強度金剛石的工藝，實現(xiàn)了粉末觸媒工業(yè)化生產(chǎn)高品級金剛石的突破。[1]由于粉末觸媒合成金剛石具有單產(chǎn)高、質(zhì)量好、原輔材料消耗小等優(yōu)點，上世紀90年代以來，DeBeers公司與G．E．公司均采用粉末觸媒進行高品級金剛石的生產(chǎn)，并壟斷了高檔金剛石的國際市場。
　　二、國內(nèi)人造金剛石的生產(chǎn)現(xiàn)狀及金剛石觸媒粉末的市場預測
　　世界人造金剛石材料市場正以8%的年平均增長速度遞增。在我國，金剛石產(chǎn)量的70～80%用于石材工業(yè)，到2000年石材板材產(chǎn)量按一億立方米計算，僅板材切割用的高品級粗顆粒金剛石年需要量為1.3～1.5億克拉。據(jù)有關(guān)部門估計，近幾年我國進口中高檔的人造金剛石都在千萬克拉以上。我國金剛石年產(chǎn)量由1997年的4.4億克拉迅速增加到2003年的25億克拉，使中國的金剛石產(chǎn)量占世界生產(chǎn)金剛石總量的60%以上，金剛石出口量猛增到9億克拉。我國是世界金剛石生產(chǎn)大國，但品種單一，品級屬中低檔，約有三分之一的壓機被迫處于停產(chǎn)狀態(tài)。盡管二面頂壓機生產(chǎn)的金剛石質(zhì)量不錯，但由于技術(shù)要求高，國產(chǎn)化難度相當大。我國從八十年代開始引進兩面頂壓機設(shè)備，花費了約二十多億元人民幣, 這相當于我國目前擁有的六面頂壓機的總投資, 而至今仍無一個單位進入正常生產(chǎn)。對于眾多的國內(nèi)中、小型企業(yè)根本沒有實力引進兩面頂壓機和技術(shù)。目前，六面頂壓機正向著大型化和工藝精細化的方向發(fā)展。采用粉末觸媒尤其是與大噸位壓機的設(shè)備優(yōu)勢相結(jié)合，將大大推進我國高品級金剛石的產(chǎn)業(yè)化進程。
　　國內(nèi)大量使用Ni-Mn-Co片狀觸媒，由于Mn含量較高，脆性較大，軋制厚度減小到0.4mm以下時常常脆裂，限制了觸媒厚度的進一步減薄，而且生產(chǎn)工序長，能耗大，材料利用率不高。片狀觸媒成分偏析明顯，不利于優(yōu)質(zhì)金剛石的生長。[2]國內(nèi)自70年代末先后采用單質(zhì)粉混合、車削粉屑和水霧化粉等，不斷地在研究粉末觸媒合成金剛石工藝，但一直未有大的突破，主要問題在于粉末觸媒的質(zhì)量不高，如目前一些生產(chǎn)的水霧化觸媒合金粉末的企業(yè)，受制作工藝的限制，氧含量高達2000ppm。水霧化觸媒合金粉末的生產(chǎn)是一個系統(tǒng)工程，它包含著硬件和軟件二個方面，一般來講，由于金剛石生產(chǎn)企業(yè)對于霧化法生產(chǎn)金屬粉末這一技術(shù)了解不多，所以投資時所關(guān)注的大部分是在硬件部分，結(jié)果是花了不少的資金，得到的東西并不理想。
　　觸媒合金粉末主要用鐵基材料經(jīng)高溫熔煉、高壓水霧化破碎，經(jīng)真空干燥后制成。用其合成的金剛石晶型好、顏色金黃。粉末觸媒合成金剛石試驗結(jié)果表明：可提高合成單產(chǎn)，減少硬質(zhì)合金和原材料消耗，降低金剛石的生產(chǎn)成本，同時既能合成高產(chǎn)磨料級金剛石，又能合成優(yōu)質(zhì)粗顆粒和高品級金剛石。粉末觸媒合成的金剛石單晶以六至八面體為主，晶型完整率高，晶體內(nèi)較為純凈，包裹體總量不多，分布較為細小彌散，具有良好的室溫和高溫沖擊強度。
　　采用粉末觸媒工藝合成金剛石已經(jīng)得到國內(nèi)各生產(chǎn)廠家的認同，各企業(yè)在粉末觸媒的研究開發(fā)上正不斷在加大投入力度，金剛石觸媒粉末的需求正處于快速增長階段。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)金剛石生產(chǎn)的企業(yè)總數(shù)為248家（不含諸多個體企業(yè)），遍及全國各地，河南、安徽、湖南、河北等省大型生產(chǎn)企業(yè)較多。近年來新裝6×12MN以上壓機總數(shù)已超過800臺，兩面頂壓機數(shù)十臺，加上原有6×8MN及以下壓機4000臺，總數(shù)接近5000余臺。隨著大范圍采用粉末觸媒工藝，觸媒合金粉末的年需求量將在3000噸以上。[3]而且由于國外的金剛石生產(chǎn)大多采用粉末觸媒，產(chǎn)品還可以出口創(chuàng)匯。按照金剛石的用途來分，英國 Debeers 公司共有 44 個牌號，美國 GE 公司共有 25 個牌號；我國則只有 11 個牌號，且最高檔的 DMD 級沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。采用粉末觸媒可實現(xiàn)金剛石產(chǎn)品的多品種、多品級和系列化，對于中小企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，提供了一個機會。它將促進金剛石行業(yè)的技術(shù)革新，增強企業(yè)參與國際市場競爭的能力，促使我國金剛石行業(yè)擺脫困境走上可持續(xù)發(fā)展的道路。國內(nèi)的一些大型的金剛石生產(chǎn)企業(yè)，由于觸媒合金粉末的使用量相當大，都紛紛自已投資興建觸媒合金粉末生產(chǎn)線。
　　現(xiàn)在市場上的高壓水霧化法生產(chǎn)觸媒合金粉末的設(shè)備，售價在五十多萬，而且存在以下一些問題：
　　一　受現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，粉末的氧含量相當高，下面是某設(shè)備供貨商提供的主要性能指標：
　　氧含量：　　＜3000ppm，松裝密度：3.6g/cm3
　　應(yīng)用范圍： 適用于粉末法合成高品級人造金剛石
　　粉末目數(shù)： -320目、-200目、200～320目
　　二　設(shè)備供貨商只是簡單地將別人的設(shè)備復制給用戶，對于觸媒合金粉末的制作及調(diào)整，無給用戶更多的技術(shù)上的技持。因為觸媒合金粉末的生產(chǎn)，不僅僅是一個金屬液體的破碎問題，其成份還應(yīng)根據(jù)制作金剛石工藝的需要進行調(diào)整，這就需要你對金屬材料這塊相當熟悉，有著豐富的粉末制作經(jīng)驗才能做得得心應(yīng)手。
　　三　用戶對設(shè)備的總體情況無法進行更多地了解，如果想對設(shè)備進行改進，也不知從何著手。換句話講，用戶所得到服務(wù)的性價比不高。
　　根據(jù)來自戶的詢問，除了以上這些明顯的不足外，還有其它的一些問題，在此就不多寫了。如有問題，歡迎與作者聯(lián)系、交流。
　　三、高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的工藝
　　從廣義的角度來講，高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的工藝是屬于金屬粉末制作工藝的一部分，或者說，僅是其中生產(chǎn)的一個品種而已。其生產(chǎn)的工藝流程與霧化法生產(chǎn)其它的金屬粉末是一樣的。
　　首選，根據(jù)金剛石觸媒粉末的合金成份配方，精選材料，按熔煉工藝的要求，在中頻爐內(nèi)熔化成金屬液。隨后啟動霧化裝置相配的高壓水泵，調(diào)整好霧化筒內(nèi)的水位，準備霧化。一切準備好后，開始霧化，金屬液被注入中間包后，經(jīng)限流漏嘴限流后，進入霧化室，在來自霧化器主高壓水射流的打擊下，迅速地霧化成非常細的金屬液滴，因為水的比熱相當大，經(jīng)過熱交換后，金屬液滴經(jīng)過短暫地時間后，凝固成金屬粉末。金剛石觸媒粉末的氧化，主要就是發(fā)生在破碎及凝固這個短暫的時間段內(nèi)，如果這段沒有發(fā)生太厲害的氧化，隨后的氧含量也基本上固定下來了。
　　至于以后粉末的脫水干燥，只要能適當?shù)乜刂坪脺囟?，氧含量不會有太大的提升。制作好的粉末與水是相混在一起的，所以霧化好后的粉末是水粉混合物，收集后經(jīng)脫水后，粉末經(jīng)過后處理，檢測成份合格后就可作為金剛石觸媒粉末，用于制作金剛石。
　　金剛石觸媒粉末的合金雜質(zhì)含量控制及合金成分均勻性控制主要是在熔煉和霧化時完成的，所以生產(chǎn)者對此要有足夠的重視。
　　四、金剛石觸媒粉末的化學成份
　　金剛石觸媒粉末，一般選用200－300目粉體，石墨催壓成金剛石的過程與觸媒中的過渡金屬元素的原子的3d電子狀態(tài)有關(guān)，高溫高壓下的金剛石合成基本上都是采用過渡族金屬元素作為觸媒，如鐵基的或鎳基的。從金剛石轉(zhuǎn)變的基本原理來說，鐵基觸媒更符合金剛石觸媒設(shè)計的結(jié)構(gòu)對應(yīng)、定向成鍵和易溶碳的原則。[4]所以從工藝和生產(chǎn)成本考慮，金剛石觸媒粉末大量的是一些鐵基的粉末，以下是一些例子：
　?。ㄒ唬╄F70鎳30
　　注：1，采用鐵70鎳30粉末觸媒工藝合成的金剛石均為金黃色，晶型完整率高，多為八面體呈等積狀，雜質(zhì)含量少，呈規(guī)則或細小彌散分布。
　　2，下面是一個實測例：鐵68.47鎳29.59硅 0.26鋁 0.21錳 0.095銅 0.075鉻
　　用體視顯微鏡觀察到該合金粉末呈淺灰色,表面光亮,極少幾個小顆粒有氧化色,大部分為圓球狀顆粒,不規(guī)則顆粒很少。
　?。ǘ╄F25鎳75
　?。ㄈ╂?0錳25鈷5　
　　人造金剛石，或多或少總有雜質(zhì)存在，而這些雜質(zhì)元素直接影響著鋼琴金剛石的顏色，例如，隨著金剛石中含氮量的增加，晶體由黃色透明變?yōu)樯罹G色，色調(diào)逐漸加重。而當金剛石晶體中硼含量增加時，晶體則由黃色逐漸變?yōu)樽丶t色、灰色、藍色直至變?yōu)楹谏?。通過對金剛石的制作工藝或金剛石觸媒粉末的成份進行調(diào)整，可獲得預期的人造金剛石產(chǎn)品。
　　五、高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的設(shè)備
　　一套年產(chǎn)量在一百噸的高壓水霧化法生產(chǎn)金剛石觸媒粉末的設(shè)備，其所需要的設(shè)備及投資額大致如下：
　　金屬熔煉爐及中頻電源　　　　　　五萬
　　高壓水泵　　　　　　　　　　　　六萬
　　管道、風機　　　　　　　　　　　一萬
　　霧化裝置（含霧化器、中間包）　　五萬
　　技術(shù)服務(wù)費　　　　　　　　　　　五萬
　　輔助工具　　　　　　　　　　　　三萬
　　總的投入在二十五萬左右。
　　當然，也可采用氮氣霧化生產(chǎn)金剛石觸媒粉末。從網(wǎng)上查詢到的項目投資額為：一臺100公斤級熔煉爐制備鑄錠，三臺100公斤級霧化設(shè)備，加上配套的篩分、封裝和儲存系統(tǒng)，投資約1000萬元；廠房約1000平米，加上配套的水電、氣站及人員等，約需1000萬元。因此，總投資計約2000萬元。由于采用氣霧化的投入相當大，一般企業(yè)不會選用。當然，也可以采用節(jié)儉的方式來做，投入可大大地降低。