從包裹體看我國金剛石質(zhì)的大幅攀升①

沈翔，黃漫，徐燕軍，尹翔，柳成淵，羅錫裕

（中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京安泰科技股份有限公司100081）

從包裹體看我國金剛石質(zhì)的大幅攀升①

沈翔，黃漫，徐燕軍，尹翔，柳成淵，羅錫裕

（中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京安泰科技股份有限公司100081）

文章揭示人造金剛石中包裹體的形狀、尺寸、組織特征，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICPAES）分析包裹體的成分及絕對含量。指明：近十年來我國人造金剛石中包裹體絕對含量下降了一個數(shù)量級，與國外高檔金剛石包裹體的數(shù)量級相同。文章并相應(yīng)測試了金剛石的熱沖擊指數(shù)（TTI）。綜合表明：我國人造金剛石產(chǎn)量在穩(wěn)居世界第一的同時，近年來品級有了質(zhì)的飛躍。

人造金剛石；包裹體；熱沖擊指數(shù)

圖1 金剛石包裹體的形狀Fig.1 Shape of diamond inclusion

圖2 包裹體與金剛石母體間的間隙Fig.2 Gap between inclusion and diamond matrix

圖3 浸漬金剛石成洞的個例Fig.3 Sample of diamond erosion induced hole

2 包裹體含量的測定方法

測定包裹體的含量有三種方法：一是熒光X射線分析法，它只能分析元素的相對含量，且不能分析元素周期表中的前幾個輕元素。對金剛石包裹體的含量，有文獻(xiàn)［1］作過分析研究；二是能譜儀，它也只能分析元素的相對含量，且準(zhǔn)確性較差，尤其是對輕元素，且只能做出一個個包裹體的含量；三是本文用的電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP－AES）。這一方法用于包裹體的分析，目前罕有文獻(xiàn)報道。安泰科技研發(fā)中心解決了該方法用于分析包裹體的技術(shù)難點(diǎn)，諸如最佳灰化和酸溶條件，與基體無干擾靈敏譜線的選擇，校準(zhǔn)曲線和檢出限的確定，以及ICP－AES工作參數(shù)的優(yōu)化等，使用本方法多次試驗(yàn)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.5%，對包裹體分析取得滿意結(jié)果［2］。本文包裹體含量的數(shù)據(jù)，全部采用該方法。

3 我國人造金剛石中包裹體含量的變化及與國外金剛石的對比

3.1 我國2003年人造金剛石中包裹體的含量及TTI值

2003年，筆者選擇當(dāng)時我國高品質(zhì)、粗粒度，具有代表性的金剛石，測定的包裹體含量及TTI值（1100℃／20min）列于表1。

表1 2003年我國金剛石包裹體含量及TTI值（粒度40／45）Table 1 Diamond inclusion content and TTI value in China in 2003

從表1看出，當(dāng)時我國代表性金剛石中包裹體總含量大體0.1%～0.2%，品級較低的金剛石，含量達(dá)到0.4%（表中未列）。國外高檔金剛石的含量不足0.1%。從表1成分的相對比例，同時可推測出2003－1、2003－2所用觸媒成分可能分別與51Ni－22Fe－23Mn－4Co，62Fe－30Ni－5Mn－3Co接近。

3.2 我國2012年人造金剛石中包裹體的含量及TTI值

2012年，筆者從我國大、中小兩個金剛石生產(chǎn)企業(yè)，選擇了高品質(zhì)、粗顆粒金剛石的多種粒度作樣品，這些樣品全部采用粉狀工藝生產(chǎn)，所測定的包裹體含量及TTI值（1100℃／20min）列于表2。

從表2看出，當(dāng)今我國金剛石中包裹體總含量已下降至0.015%～0.037%的水平，比十年前（2003年）的總含量0.1%～0.2%下降一個數(shù)量級。反映在TTI（1100℃／20min）值均大于83%。按83%計(jì)，比十年前所檢的最好金剛石的68%，相對提高了22%，這是一個質(zhì)的飛躍。

為與當(dāng)今國外高檔金剛石相比，筆者同時測試了國外知名金剛石公司的金剛石，數(shù)據(jù)列于表3。將表2和表3對比，國外金剛石包裹體總含量在可對比粒度（35／40～45／50）范圍內(nèi)，波動在0.01%，比國產(chǎn)金剛石低數(shù)十個10－6，但TTI值十分接近。盡管其原因有待進(jìn)一步考證，然而可說明，我國金剛石和國外金剛石在包裹體含量及熱沖擊強(qiáng)度上已十分相近。

表2 2012年我國金剛石包裹體含量及TTI值Table 2 Diamond inclusion content and TTI value in China in 2012

表3 國外知名金剛石公司金剛石包裹體含量及TTI值Table3 Diamond inclusion content and TTI value in foreign famous company

這里，順便提及：從表2、表3還可以看出，無論國產(chǎn)金剛石，還是國外金剛石，隨著粒度變細(xì)，包裹體的含量大致下降。代號2012－2的金剛石較為明晰。如圖4。

3.2 從包裹體含量推測所用合金觸媒的體系及成分

分析包裹體含量，不僅可作為評定金剛石品質(zhì)的重要判據(jù)，而且可推測合成金剛石所用合金觸媒的體系及成分。表4是40／45目三種金剛石從包裹體含量推算的合金觸媒的可能成分。其中，筆者掌握2012－2金剛石合成時所用觸媒的成分和表4推算的結(jié)果基本吻合。

圖4 2012－2金剛石包裹體含量隨粒度的變化Fig.4 The change of diamond inclusion content with the grains

表4 從包裹體含量推算的合成時所用觸媒的可能成分Table 4 The possible composition of synthesis catalyst deduced from the inclusion content

4 結(jié)語

（1）金剛石包裹體形狀各異，尺寸范圍數(shù)十至100μm，組織不致密，有孔。加熱時可與金剛石母體反應(yīng)。

（2）采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICPAES），可準(zhǔn)確地測定包裹體的成分及其絕對含量。

（3）近十年來，我國代表性高品級、粗顆粒金剛石中包裹體的總含量下降了一個數(shù)量級。從2003年的0.1%～0.2%下降到2012年的0.015%～0.037%。

（4）我國當(dāng)今代表性金剛石包裹體含量逼近國外知名金剛石公司高檔金剛石中的含量，熱沖擊指數(shù)十分相近。

（5）我國金剛石產(chǎn)量在穩(wěn)居世界第一的同時，金剛石品質(zhì)近年有了質(zhì)的飛躍。

［1］ 方建鋒，張晉遠(yuǎn)，金成海，等.人造金剛石中包裹體含量的測定［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（1）：13－16.

［2］ 高光潔子，李艷萍，馮圣雅，等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定人造金剛石中鐵、鈷、錳、鎳雜質(zhì)含量［J］.冶金分析，已定稿，待發(fā)表.

Qualitative leap of diamond in China from the inclusion aspect

SHEN Xiang，HUANG Man，XU Yan－jun，YIN Xiang，LIU Cheng－yuan，LUO Xi－yu
（1.China Iron ＆Steel Research Institution Group，Beijing100081；2.Advanced Technology ＆Materials Co.，Ltd.，Beijing100081）

This paper reveals the shape，size and organization characteristics of the inclusions in synthetic diamonds.The absolute content of the inclusions was analyzed by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry（ICP－AES）.It is specified tha TiN China the absolute content of the synthetic diamond inclusion decreased by anorder of magnitude in last decade，which is now in the same level as the foreign high－grade diamond inclusion.The thermal toughness index（TTI）of diamond was tested in the article also.Integrated indicated that the Chinese diamond production had situated at firs TiN the world with a qualitative leap in grade.

synthetic diamond；inclusion；thermal toughness index

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0042－04

采用高壓高溫靜態(tài)合成金剛石，在金剛石中不可避免地殘留合金觸媒，通稱包裹體，它連同金剛石中的氣泡、置換式原子、原子空位、位錯等合稱人造金剛石的缺陷。這些缺陷，尤其是包裹體，極大地影響人造金剛石的力學(xué)、物理等性能。本文旨在分析包裹體的形狀、尺寸、組織特征以及含量，闡述近十年我國人造金剛石包裹體含量的變化以及與國外金剛石包裹體含量的對比，旨在說明我國人造金剛石質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。

1 包裹體的形狀、尺寸、組織特征

采用場發(fā)射式掃描電鏡（SEM）觀察到的金剛石包裹體的形狀如圖1。其形狀各式各樣，呈團(tuán)粒狀較多。在高品級、粗顆粒中，包裹體尺寸從數(shù)十個μm到100μm不等，但以20～40μm居多。組織不密實(shí)，似蜂窩、多孔狀組織，與金剛石母體間有斷續(xù)性間隙，如圖2。當(dāng)金剛石加熱至1100℃，保溫120min時，包裹體會與金剛石母體發(fā)生界面反應(yīng)，有逐步浸漬金剛石成洞的個例發(fā)生，如圖3。

2012－06－27

沈翔（1981－），男，碩士研究生，主要研究方向：超硬材料制品與應(yīng)用。