人造金刚石是利用石墨与触媒金属经高温高压作用合成的^[1], 人造金刚石合成棒含有石墨、人造金刚石、触媒金属、叶腊石等物质, 其性质各不相同。

金刚石是目前自然界中最硬的物质, 号称世界“硬度之王”。其莫氏硬度为10, 它的硬度是石英的1000倍、刚玉的150倍、碳化硅的2~3倍、硬质合金的6倍。因其硬度极高, 广泛用于制作钻头、锯片及磨具等。但如果生产的人造金刚石杂质含量高, 将大大降低整体硬度, 影响深加工工具的性能。因此, 人造金刚石的提纯是一个值得研究的课题。

1 性质与原理 1.1 合成棒的组成及性质

合成棒的组成及性质见表 1。

1.2 提纯原理

从合成棒中提纯人造金刚石是利用人造金刚石与石墨、触媒金属、叶腊石等物质的性质不同进行的。人造金刚石具有稳定的化学性质, 不与浓硫酸、硝酸、氢氧化钠和浓硫酸、浓硝酸混酸起反应。

石墨的化学稳定性比人造金刚石低许多, 易被浓硫酸与浓硝酸的混酸氧化成二氧化碳:

触媒金属易与稀硝酸作用, 生成溶于水的硝酸盐:

而主要成分是Al₂O₃·4SiO₂·H₂O的叶腊石在200 ℃时, 易与氢氧化钠起反应, 生成易溶于水的偏铝酸钠和硅酸钠:

2 试验方法 2.1 粗去石墨

将重量0.2Kg的合成片置于干燥的小塑料盆中, 量取20ml浓硝酸浸湿合成片, 再量取80ml浓硫酸与之混合均匀, 促使石墨与浓硝酸作用生成石墨酸(HNO₃·nc), 约2min后石墨体积膨胀, 合成片上片状的石墨分离成粉状石墨, 此时迅速用大量水冲洗可达到粗去石墨的目的。

2.2 精除触媒

将粗去石墨的合成片置于中号塑料盆中, 量取500ml水倒入盆内, 然后控制加酸速度(间断地加入浓硝酸500ml)。30~40 min反应完全, 用水淘洗至只有少许石墨、叶腊石的人造金刚石。

2.3 精除石墨

将只有少许石墨、叶腊石的人造金刚石置于500m l洁净干燥的烧杯中, 小心沿杯壁倒入60ml浓硫酸, 再加入40ml浓硝酸, 用玻璃棒均匀搅拌后置于电炉上加热。当观察到烧杯内由冒棕黄色气体转为白色气体时, 终止加热, 自然冷却至室温, 用水淘洗至pH为5~6时, 其主要杂质只剩叶腊石。

2.4 精除叶腊石

将只含有叶腊石的人造金刚石置于小号不锈钢锅中, 按重量比1:3加入氢氧化钠, 用不锈钢棒均匀搅拌后置于电炉上均匀加热约3h, 反应物转变成墨绿色即停止加热, 冷却至室温, 加水溶解, 用水淘洗至pH为7, 烘干后得到纯净的人造金刚石。

3 试验结果与讨论 3.1 除杂顺序对提纯效果的影响

不同的除杂顺序对提纯效果影响不同, 详见表 2。

3.2 不同浓酸配比对提纯效果的影响

先后取5份混酸(即0.25:1、0.5:1、2:1、4:1、5:1), 控制其他条件, 统一进行粗去石墨, 石墨除净率分别为5.5 %、11 %、65 %、90 %、90%, 如图 1所示。由此可见, 粗去石墨时, 石墨除净率随浓硫酸、浓硝酸的配比增大而增加, 当配比超过4:1时, 石墨除净率基本稳定在90 %。

3.3 反应时间对触媒精除效果的影响

控制其他试验条件不变, 改变精除触媒的反应时间, 即分别为10min、20min、30min、40min、80min, 触媒除净率分别为80 %、95 %、99%、100 %、75 %, 如图 2所示。随着反应时间的增加反应更充分, 触媒除净率也增加。该反应为放热反应, 反应能生成硝酸盐等, 如果反应时间过长, 易冷却板结成块, 则影响反应的正常进行, 同时也难除净触媒等金属杂质。

4 结论

(1) 试验证明, 人造金刚石合成片通过4:1的浓硫酸和浓硝酸粗去石墨, 1:1的浓硝酸与水精除触媒, 3:2的浓硫酸与浓硝酸加热精除石墨以及按氢氧化钠与人造金刚石试料1:3的重量比加热精除叶腊石, 可使杂质控制在0.2%~0.5 %, 回收率>97 %。

(2) 增加浓硫酸与浓硝酸比将提高石墨除净率, 当配比达4:1时, 效果最佳。

(3) 精除触媒需要用稀硝酸, 通过将浓硝酸加入反应物中来控制反应速度和反应时间, 使反应能达到正常进行和完全的目的。