[发明专利]低成本FeMnNi粉末触媒及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本FeMnNi粉末触媒及制备方法和应用，本发明制备的低成本FeMnNi粉末触媒可应用于人工合成自锐性金刚石，属于人工合成金刚石用触媒材料技术领域。

背景技术

人造金刚石通常使用的触媒有以下几种：De Beers用钴基和镍基合金触媒；G.E公司用镍基触媒；俄罗斯用镍锰触媒；我国用镍锰钴或镍锰铁触媒和铁镍触媒。考虑到生产自锐性金刚石要求产量高，即转化率高，成本低，颗粒形状为等积形，晶体结构为团粒结构，不强调要求单晶、完整晶形和高强度指标。我国目前主要使用镍基触媒进行自锐性金刚石合成。Fe、Ni、Mn、Co是催化效果最好的四种元素，其中Fe元素价格最便宜，Mn元素的加入可以降低合金熔点，改善形核和长大速率，加入少量镍元素可以改善合金的性能和合金的晶体结构，改善粉末的整体催化性能。为了改善金刚石的生长形态，增加产量，降低单位制造成本，进一步拓宽金刚石的使用范围，有关人员对触媒成分配比与金刚石的生长形态进行了研究。

相关的专利如：专利CN1428194A提出一种合成粗颗粒、高强度金刚石用粉末触媒，其合金成分为24-26％Mn(质量分数，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，余量为Ni，利用该粉末触媒合成的金刚石单产高，晶形好，强度高；专利CN1428195A开发出一种合成细粒度金刚石用粉末触媒，其合金成分为24-26％Mn，4.5-5.5％Co，0.6-2.0％C，0.02-0.2％Al，50-150ppm N，余量为Ni，该粉末触媒出粉率高，适合合成细粒度金刚石；专利CN1903429A提出一种低成本合成高强优质金刚石用粉末触媒，其合金成分为20-45％Ni，0-5％Mn，0.1-0.5％C，50-100ppm N，80-300ppm O，余量为Fe，利用该触媒合成金刚石粒度粗、单产高、晶形完整率高、热稳定性好；CN101884933A提出一种高自锐性金刚石用粉末触媒及其制备方法，它由下述重量百分比的原料组成：Ni 15-25％、Cu 5-10％、Mn 3-8％、Cr 0.005-0.05％、V 0.002-0.02％、Ce 0.003-0.03％、N 100-150PPm、O 80-150PPm，余量为Fe。

以上几种粉末触媒专利的化学成分组成均为NiMn基或FeNi基，含有较高比例的Ni，因此触媒材料成本较高。

发明内容

为了进一步降低触媒的材料成本，本发明提供了一种低成本FeMnNi粉末触媒及其制备方法。本发明采用Fe、Mn作为主要成分，添加少量Ni、Cr、Si元素，不仅降低了触媒的材料成本，而且适用于合成产量高、自锐性好、应用范围广的磨料级金刚石的合成。

为实现以上目的，本发明采取了以下技术方案：

一种低成本FeMnNi粉末触媒，按质量百分比计，其组成为：Mn 30～50％，Ni0～10％，Cr 1～3％，C 0.1～0.8％，Si 0.05～0.2％，余量为Fe。

本发明的低成本粉末触媒中除了Fe、Mn、Ni元素外，还含有添加元素Cr、C和Si。按质量百分数计，可优选其合金成分为Mn 35～45％，Ni 5～10％，Cr 1～2％，C 0.1～0.3％，Si 0.05～0.1％，余量为Fe。

在以Si为添加剂的低成本粉末触媒中，按质量百分数计，进一步优选其合金成分为Mn 35～45％，Ni 5～8％，Cr 1～2％，C 0.1～0.2％，Si 0.05～0.1％，余量为Fe。

本发明的低成本粉末触媒还含有O和N，按质量百分比计算为：O 50～800ppm，N 50～500ppm。进一步地，O优选为100～300ppm，N优选为80～180ppm。

本发明的低成本FeMnNi粉末触媒采用气雾化方法制备。

采用惰性气体气雾化方法制备低成本FeMnNi粉末触媒的方法，包括如下步骤：

(1)按配方比例称取Fe、Mn、Ni、Cr、C和Si，在惰性气体保护条件下，采用中频感应炉熔化，熔化温度约为1460～1480℃，考虑到Mn元素的挥发性要在熔化后期加入，加入Mn熔化后保持5分钟左右，然后浇铸成合金锭；

(2)将合金锭在1460～1650℃重熔，熔化过程中通入氩气保护，然后利用高压氮气，压力为3.0～4.5Mpa，将金属液流击碎雾化成粉末。采用惰性气体气雾化方法，制备所得粉末颗粒形状为球形或类球形。