2-2微粉金剛石1.doc

第二篇 金剛石工具用金剛石第二章 金剛石微粉（作者 汪 靜）2.1 概述金剛石微粉的種類很多，用低強度的人造金剛石為原材料，經(jīng)過破碎、提純、分級等工藝生產(chǎn)的金剛石微粉是最常見的品種。這類產(chǎn)品涵蓋了幾十納米到幾十微米的粒度范圍，產(chǎn)品性價比高，目前占據(jù)金剛石微粉的大部分市場份額。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，根據(jù)用途不同，市場上出現(xiàn)了多種類別的金剛石微粉。按照原材料來源不同，可分為天然金剛石微粉和人造金剛石微粉。不能用于珠寶首飾加工的低品級天然金剛石，可以經(jīng)過球磨破碎生產(chǎn)出金剛石微粉，用于工業(yè)研磨拋光，如寶石、精密零件等的后期加工。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，研磨拋光領(lǐng)域?qū)饎偸⒎鄣男枨罅考眲≡黾樱烊唤饎偸⒎鄣漠a(chǎn)量遠遠滿足不了市場需求。人造金剛石的出現(xiàn)解決了這一問題，它為金剛石微粉提供了充足的原料。據(jù)統(tǒng)計2008年國內(nèi)金剛石產(chǎn)量為50多億克拉，金剛石微粉的產(chǎn)量約為3億克拉。人造金剛石微粉在硬、脆材料的磨削方面有著廣泛的應(yīng)用。作為粉體材料可用于多種天然寶石、人造寶石、玻璃、陶瓷等材料的磨削拋光。制成研磨液、研磨膏可用于半導(dǎo)體材料如硅片、藍寶石晶片等元件的切削和研磨拋光。還可以做成多種制品，如精密砂輪、金剛石復(fù)合片、精磨片、拉絲模等?？捎糜诮鸺庸?、地質(zhì)鉆探、光學(xué)玻璃加工、金屬絲線生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域。根據(jù)原材料金剛石強度高低，可分為高強度金剛石微粉和低強度金剛石微粉。前者是采用高強度金剛石為原材料生產(chǎn)的微粉，微粉單顆粒強度高、內(nèi)部雜質(zhì)含量低、磁性低。后者以低強度金剛石為原材料，產(chǎn)品自銳性好。依據(jù)金剛石晶體結(jié)構(gòu)不同可分為單晶金剛石微粉（如圖2-1）和多晶金剛石微粉（如圖2-2）。單晶金剛石微粉是用單晶金剛石為原材料生產(chǎn)的金剛石微粉，其顆粒保留了單晶金剛石的單晶體特性，具有解理面，受到外力沖擊的時候優(yōu)先沿解理面碎裂，露出新的“刃口”。多晶金剛石微粉是由直徑5-10nm的金剛石晶粒通過不飽和鍵結(jié)合而成的微米和亞微米多晶顆粒，內(nèi)部各向同性無解理面，具有很高的韌性。由于其獨特的結(jié)構(gòu)性能，常用于半導(dǎo)體材料、精密陶瓷等的研磨和拋光。另外還有爆轟法生產(chǎn)的納米金剛石（如圖2-3），這類金剛石是由負氧平衡炸藥內(nèi)部多余的碳原子在適當?shù)谋Z條件下合成的，由5-20納米粒徑的金剛石晶粒組成的二次團聚體，粉體外觀一般為灰黑色。納米金剛石具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性，可用于硬盤、半導(dǎo)體等的精密拋光，可以作為潤滑油添加劑，顯著提高潤滑油的潤滑性能，減少磨損，可以添加到橡膠和塑膠中強化產(chǎn)品性能，還可以作為優(yōu)良的功能材料涂覆到金屬模具、工具、部件等表面，增強表面硬度、耐磨性、及導(dǎo)熱性能，延長使用壽命。 圖2-1 單晶金剛石微粉 圖2-2 多晶金剛石微粉圖2-3納米金剛石2.2 金剛石微粉的定義通常意義上將磨料粒徑小于54微米的研磨、拋光用粉狀物料稱為微粉，使用金剛石作為原料加工成的微粉稱為金剛石微粉，近年來隨著新的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，很多金剛石微粉的粒徑已經(jīng)遠遠大于54微米，例如有的客戶要求的80-100規(guī)格的產(chǎn)品，其中值粒徑已經(jīng)達到了86微米。2.3金剛石微粉的規(guī)格標準GB/T 23536-2009中規(guī)定，金剛石微粉的品種代號為MPD，粒度為M0/0.5M36/54。該標準所引用JB/T 7990-1998規(guī)定金剛石微粉粒度及尺寸范圍標準如表2-1所示：表2-1 金剛石微粉粒度標準（JB/T 7990-1998） m粒度標記公稱尺寸范圍D粗粒最大尺寸Dmax細粒最小尺寸Dmin粒度組成M0/0.500.50.7-1.不得有大于粗粒最大尺寸以上的顆粒。2.粗粒含量不得超過3%。3.細粒含量：M3/6以細的各粒度不得超過8%；M4/8至M10/20不超過18%；M12/22至M36/54不超過28%。4.最細粒含量：各粒度均不超過2%。M0/1011.4-M0.5/10.511.40M0.5/1.50.51.51.90M0/2022.5-M1/2122.50.5M1.5/31.533.81M2/4245.01M2.5/52.556.31.5M3/6367.52M4/84810.02.5M5/1051011.03M6/1261213.23.5M8/1281213.24M8/1681617.64M10/20102022.06M12/22122224.27M20/30203033.010M22/36223639.612M36/54365456.715從該標準中可以看出，金剛石微粉的規(guī)格劃分以粒度為標準。在國內(nèi)由于使用習慣，常采用JB/T 7990-1979所規(guī)定的標準來說明金剛石微粉的規(guī)格，其與現(xiàn)行標準的對應(yīng)關(guān)系如表2-2所示：表2-2 金剛石微粉粒度標準對照JB/T7990-1979JB/T7990-1998W0.5M0/0.5W1M0/1M0.5/1M0.5/1.5W1.5M0/2M1/2W2.5M1.5/3W3.5M2/4W5M2.5/5M3/6W7M4/8W10M5/10M6/12W14M8/12M8/16W20M10/20M12/22W28M20/30M22/36W40M36/54國際上一些主要工業(yè)國家也有相應(yīng)的金剛石微粉標準，表2-3為各國金剛石微粉粒度標準對照：表2-3 各國金剛石微粉粒度標準對照美國標準ANSI74.20-2004日本標準JIS6002-63中國標準JB/T7990俄羅斯標準GOCT 9206-80尺寸范圍(微米)粒度號尺寸范圍(微米)粒度號尺寸范圍(微米)粒度號尺寸范圍(微米)0.1/00.100.250.3/00.3M0/0.500.50.5/00.50.5/0.10.50.10.7/0.30.70.3M0.5/10.511/0.510.501150001/0M0/1.0011/01M0.5/1.50.51.502M0/2022/023/031280002/1M1/2122/1213/13-1M1.5/31.5350003/23/23224M2/4245/252M2.5/52.5540004/35/3532630005/4M3/63625006/57/3737/57548M4/84820008/610/7107150010/8M5/1051010/5105612M6/12612M8/1281214/714/101471410120013/10816M8/16816100016/131020M1020102020/102010M12/221222152520/14201428/1428-142030M20/30203028/2028-20253570024/20M22/36223660038/2450034/2840/204020304040/284028405040037/34M36/54365460/286028406060/4060405070事實上由于缺乏公認的檢測方法和可靠的檢測設(shè)備，國際上尚無行之有效的統(tǒng)一標準來衡量金剛石微粉。在實際的商業(yè)運營中通常以微粉的粒度分布狀況、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等指標衡量產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣。2.4金剛石微粉的主要質(zhì)量控制項目金剛石微粉的質(zhì)量控制項目主要包括粒度分布、顆粒形狀、雜質(zhì)含量等。2.4.1粒度分布及檢測方法金剛石微粉粒徑描述。粒徑即顆粒直徑，是衡量顆粒大小的一個數(shù)值。對于規(guī)則的球形顆粒而言，粒徑就是球體的直徑，金剛石微粉顆粒不是規(guī)則的球體，而是不規(guī)則形狀，甚至是棒狀、針片狀等，因此，很難用一個數(shù)值表示金剛石微粉顆粒的大小，于是引入了等效粒徑這一概念來代表金剛石微粉顆粒的粒徑。當一個顆粒的某一物理特性與同質(zhì)的球形顆粒相同或相近時，我們就用該球形顆粒的直徑來代表這個顆粒的直徑，這個球形顆粒的粒徑就是該顆粒的等效粒徑。等效粒徑有幾種：等效投影面積粒徑是與實際顆粒投影面積相同的球形顆粒的直徑，圖像法所測的粒徑是等效投影面積直徑；等效體積粒徑是與實際顆粒體積相同的球體直徑，一般認為激光法所測的直徑為等效體粒徑。金剛石微粉的粒度分布是指各種粒徑金剛石顆粒的分布比率，它是衡量金剛石微粉質(zhì)量好壞的一個非常重要的參數(shù)，從某種意義上來說，粒度分布的集中程度決定了產(chǎn)品質(zhì)量的高低。在應(yīng)用當中各種粒度規(guī)格的產(chǎn)品都有相應(yīng)的磨削效率和表面加工光潔度，用戶可根據(jù)不同的加工要求選擇不同粒度規(guī)格的產(chǎn)品。一般而言，對金剛石微粉中的粗顆粒都會有嚴格的控制，這是因為粗顆粒在應(yīng)用中會引起被加工器件的劃傷，產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量問題，尤其是在一些精密拋光領(lǐng)域，粗顆粒引起的劃傷會直接導(dǎo)致昂貴的加工器件報廢，損失巨大。而細顆粒的存在也會引出相應(yīng)的問題，比如在磨削加工中會降低磨削效率等，因此也會有明確的要求。表2-4給出了聯(lián)合磨料金剛石微粉粒度分布標準。表2-4 聯(lián)合磨料金剛石微粉粒度分布標準（部分）規(guī)格MVD10D95SD0-0.10.1-0.120.072-0.0950.15-0.190.026-0.0280-0.140.13-0.150.096-0.110.19-0.230.028-0.0360-0.20.16-0.190.12-0.1250.23-0.310.036-0.0690-0.250.20-0.230.126-0.150.31-0.360.069-0.0740.24-0.280.15-0.170.36-0.420.074-0.140-0.50.29-0.330.17-0.180.42-0.560.14-0.1560.34-0.400.18-0.250.56-0.680.156-0.190.41-0.450.25-0.270.68-0.850.19-0.2350-10.46-0.550.27-0.350.85-1.240.235-0.330.60-0.650.45-0.50.8-0.870.10-0.110.66-0.750.50-0.570.87-1.020.11-0.130.76-0.800.57-0.601.02-1.150.13-0.160.5-1.50.81-0.900.60-0.661.15-1.300.16-0.20粒度分布的主要表征參數(shù)有：D50、mv、D5、D95等。D50：也叫中值或中位徑，常用來表示粉體的平均粒度，是一個樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑，其物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%。Mv：以體積分布的平均粒徑，是平均粒徑的另一種表示方法，該值受大顆粒的影響更大，在對大顆粒進行控制時該值的指示性更強。D5：是一個樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到5%時所對應(yīng)的粒徑，通常用來衡量樣品細端的顆粒指標。D95：是一個樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到95%時所對應(yīng)的粒徑，通常用來衡量樣品粗端的顆粒指標。金剛石微粉粒度分布的檢測方法主要有如下幾種：圖像法、沉降法、離心法、激光法、庫侖法等。圖像法是使用顆粒圖像儀對金剛石微粉粒度進行粒度檢測的一種方法；顆粒圖像儀（見圖2-4）一般由光學(xué)顯微鏡、攝像機、計算機以及分析軟件等部分組成。進行粒度檢測的時候首先用載玻片、甘油將樣品制作成觀察樣本，置于光學(xué)顯微鏡下進行觀察，通過攝像機拍攝樣本圖片，然后傳送到計算機用分析軟件進行粒度分析（圖2-5為圖像法粒度分布檢測結(jié)果）。圖像法的優(yōu)點是檢測直觀，同時還可以對顆粒形貌進行分析等。缺點是取樣量少，檢測結(jié)果代表性不強，整個操作過程也比較繁瑣，耗時較長。 圖2-4 顆粒圖像分析儀 圖2-5 圖像法粒度分布檢測結(jié)果沉降法是根據(jù)不同粒徑的顆粒在液體中的沉降速度不同，測量金剛石微粉粒度分布的一種方法；它的基本過程是：把樣品放到某種液體中制成一定濃度的懸浮液，懸浮液中的顆粒在重力作用下將發(fā)生沉降。不同粒徑顆粒的沉降速度不同，大顆粒的沉降速度快，小顆粒的沉降速度慢，通過測量不同時刻透過懸浮液光強的變化率來間接地反映顆粒的沉降速度，進而計算出其粒度分布。沉降法有較高的分辨率，但是測量速度慢，尤其是細粒度顆粒測量時間能達到幾十分鐘。離心法實質(zhì)上是沉降法的一種，它將沉降槽置于高速旋轉(zhuǎn)的圓盤中，加快顆粒的沉降速度，從而大大縮短測量時間，提高測量精度，同時使超細顆粒的檢測成為可能。現(xiàn)在的離心式粒度分析儀轉(zhuǎn)速高達2萬多轉(zhuǎn)/分鐘，檢測下限達到納米級別。圖2-6是15nm金剛石微粉離心式粒度分析儀的檢測結(jié)果。 圖2-6金剛石微粉離心式粒度分析儀檢測結(jié)果 圖2-7 激光粒度儀的原理結(jié)構(gòu)激光法是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象進行粒度分布測試的，該方法具有測試速度快、測試范圍寬、重復(fù)性好、操作簡便等眾多優(yōu)點，因此在粉體的粒度檢測上得到了廣泛的應(yīng)用。激光粒度儀的原理如圖27所示，從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)顯微物鏡聚焦、針孔濾波和準直鏡準直后，變成直徑約10mm的平行光束，該光束照射到待測的顆粒上，一部分光被散射，散射光經(jīng)付立葉透鏡后，照射到光電探測器陣列上。由于光電探測器處在付立葉透鏡的焦平面上，因此探測器上的任一點都對應(yīng)于某一確定的散射角，光電探測器陣列由一系列同心環(huán)帶組成，每個環(huán)帶是一個獨立的探測器，能將投射到上面的散射光能線性地轉(zhuǎn)換成電壓，然后送給數(shù)據(jù)采集卡。該卡將電信號放大，再進行AD轉(zhuǎn)換后送入計算機，進一步計算出待測樣品的粒度分布。圖2-8是激光粒度檢測儀Microtrac X-100，圖2-9是其粒度檢測報告。 圖2-8激光粒度檢測儀Microtrac X-100 圖2-9Microtrac X-100粒度檢測報告庫爾特法也稱為電阻法，當微粉顆粒通過一個小微孔的瞬間，微粉顆粒占據(jù)了小微孔中的部分空間而排開了小微孔中的導(dǎo)電液體，使小微孔兩端的電阻發(fā)生變化的原理測試粒度分布的。小孔兩端電阻的大小與顆粒的體積成正比，當不同大小的顆粒連續(xù)通過小微孔時，小微孔的兩端將連續(xù)產(chǎn)生不同大小的電阻信號，通過計算機對這些電阻信號進行處理就可以得到粒度分布了。這種測量方法具有分辨率高、測量速度快、操作簡便等優(yōu)點，但也存在動態(tài)范圍小、測量下限不夠小等不足。圖210是庫爾特粒度檢測儀Culter Multisizer3，圖211是其檢測報告。 圖2-10庫爾特粒度檢測儀Culter Multisizer3 圖2-11庫爾特粒度檢測儀檢測報告2.4.2金剛石微粉顆粒形狀顆粒形狀是評價金剛石微粉質(zhì)量好壞的主要因素，通常金剛石微粉的顆粒形狀以接近球形為佳。在金剛石微粉生產(chǎn)過程中，非球形顆粒不遵循Stocks定律，因此非球形顆粒多的時候很難得到粒度集中的產(chǎn)品。在金剛石微粉質(zhì)量檢驗中，顆粒形狀會影響粒度檢測，針棒狀顆粒多的產(chǎn)品粒度檢測變化大，一致性差。在應(yīng)用中顆粒形狀還會影響產(chǎn)品的磨削效率，產(chǎn)生許多不確定因素。不過隨著應(yīng)用的拓展，現(xiàn)在也有需求不規(guī)則形狀金剛石微粉的情況。金剛石微粉的顆粒形狀檢測常常使用光學(xué)顯微鏡。一般光學(xué)顯微鏡的最大放大倍數(shù)為1600倍，適合2微米以粗顆粒的檢測（見圖212，金剛石微粉光學(xué)顯微鏡照片）。在檢測的時候使用載波片及甘油把待檢測樣品制成樣本，置于生物顯微鏡載物臺上進行觀測，要求制作樣本的時候顆粒分布均勻且不相互重疊，沿橫向、縱向分別進行觀察，統(tǒng)計等積形顆粒的百分比。人為觀測統(tǒng)計誤差大，重復(fù)性不好，采用顆粒圖像分析儀可以改善這一情況。顆粒圖像分析儀通過視頻采集體系拍下樣品圖片后通過軟件進行顆粒形狀分析，可以給出球形度等形狀參數(shù)，降低了人為觀察檢測的主觀性。圖213是顆粒圖像分析儀的檢測報告： 圖2-12 金剛石微粉光學(xué)顯微鏡照片 圖2-13 顆粒形狀檢測報告細顆粒的形狀檢測需要借助電子掃描顯微鏡。對于1微米以細的顆粒使用光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無法清晰觀察其顆粒形狀，電子掃描顯微鏡能達到幾萬、十幾萬的放大倍數(shù)，可以清晰觀察納米級別顆粒的形狀。 圖2-14電子掃描顯微鏡 圖2-15金剛石微粉SEM照片2.4.3 金剛石微粉的雜質(zhì)及檢測方法金剛石微粉的雜質(zhì)是指金剛石微粉中的非碳成分，可分為顆粒外部雜質(zhì)和內(nèi)部雜質(zhì)。顆粒外部雜質(zhì)主要由原料及生產(chǎn)過程引入，有硅、鐵、鎳以及鈣、鎂、鎘等元素。顆粒內(nèi)部雜質(zhì)主要有鐵、鎳、鈷、錳、鎘、銅等，由金剛石合成過程中引入。金剛石微粉中的雜質(zhì)會影響到微粉顆粒的表面性質(zhì)，使產(chǎn)品不易分散。鐵、鎳等雜質(zhì)還會使產(chǎn)品產(chǎn)生不同程度的磁性，對應(yīng)用產(chǎn)生影響。金剛石微粉的雜質(zhì)含量檢測方法有多種：包括重量法、原子發(fā)射法、原子吸收法等。應(yīng)用當中可根據(jù)不同的要求選取不同的檢測方法。重量法適于總雜質(zhì)含量（不包括灼燒溫度下燃燒可揮發(fā)物質(zhì)）的分析檢測，主要設(shè)備有馬弗爐、分析天平、瓷坩堝、干燥器等。JB/T7990-1998中規(guī)定：按規(guī)定取樣并稱取0.2g待測試樣放入恒重的坩堝內(nèi)，將裝有待測樣品的坩堝置于馬弗爐中灼燒至恒重（溫度允許20），殘留物重即為雜質(zhì)量，并計算出重量百分比。原子發(fā)射法、原子吸收法等適合于微量元素的定性及定量分析。比如采用高頻電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）可以準確測量出金剛石微粉中ppm級別的微量元素。圖2-16 高頻電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀2.5 金剛石微粉主要生產(chǎn)工藝及流程金剛石微粉的典型生產(chǎn)工藝流程如圖2-17所示：金剛石原料破 碎整 形入 庫烘 干精提純分 級粗提純圖2-17金剛石微粉生產(chǎn)工藝流程圖2.5.1 金剛石的破碎和整形破碎及整形工藝在微粉生產(chǎn)中占非常重要的位置，直接影響微粉顆粒形狀指標和目標粒度的含量?？茖W(xué)合理的破碎和整形工藝，不僅能快速地將粗粒度（常規(guī)粒度100500微米）的金剛石原料，破碎為粒徑范圍約為（080微米）金剛石微粉顆粒，同時還可以優(yōu)化顆粒形狀，使微粉產(chǎn)品顆粒更加渾圓、規(guī)則，減少甚至完全杜絕長條狀、薄片狀、針棒狀等影響微粉最終品質(zhì)的顆粒，使適銷的目標粒度產(chǎn)出比例最大化。常用的破碎及整形方法主要有：臥式球磨機干磨法、臥式球磨機濕磨法、氣流磨法、高速攪拌球磨機濕磨法、行星球磨機濕磨法等。選用不同的破碎及整形方法，其破碎及整形的工作原理、工藝參數(shù)亦不相同。目前國內(nèi)微粉企業(yè)主要采用的仍是臥式球磨機干磨法，這里僅以臥式球磨機干磨法為例來說明其生產(chǎn)原理及過程。臥式球磨機干磨法主要的工藝控制點為球磨機轉(zhuǎn)速、球料比、裝填系數(shù)、鋼球配比等。實際生產(chǎn)中根據(jù)原料不同以及破碎、整形的目的而靈活掌握。在球磨機的筒體直徑相同的情況下，轉(zhuǎn)速愈高所產(chǎn)生的離心力愈大，鋼球被帶動沿筒壁上升的距離愈高。通過鋼球下落時的碰撞和沖擊作用對金剛石原料產(chǎn)生破碎，鋼球下落時的碰撞和沖擊作用愈強破碎效率也愈高。然而，當筒體轉(zhuǎn)速達到某一臨界值時，鋼球就無法脫離筒體而隨其一起轉(zhuǎn)動，此時球磨機就失去破碎的作用。反之，球磨機轉(zhuǎn)速較低時，鋼球被帶動沿筒壁上升的距離愈短，這時鋼球主要靠擠壓和摩擦對金剛石原料發(fā)生作用，對金剛石顆粒表面的突起部分整形效果就愈好且不破壞顆粒整體結(jié)構(gòu)。但球磨機轉(zhuǎn)速過低時，鋼球不能提升到一定高度就滑下來，對金剛石原料產(chǎn)生的作用很小，不能達到高效率工業(yè)化生產(chǎn)的要求。在破碎整形過程中，合適的球料比和裝填系數(shù)至關(guān)重要，球料比和裝填系數(shù)過高或過低，都會影響球磨機的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。球料比過高或裝填系數(shù)過低，單臺機器的投料量受到制約。球料比過低或裝填系數(shù)過高，破碎和整形時間需要相應(yīng)延長甚至達不到理想的效果。為了達到更好的破碎、整形效果，當球磨機的球料比和裝填系數(shù)確定后，還應(yīng)選擇不同直徑的鋼球按比例配裝才能獲得較好的顆粒形狀和較快的破碎整形效率。一般來說，大鋼球的破碎效果好，小鋼球的整形效果好。通過直徑不同的鋼球配比方案，可以很好的解決效率和品質(zhì)間的矛盾。由于各個生產(chǎn)廠家采用的原料、設(shè)備結(jié)構(gòu)及預(yù)期產(chǎn)出目標規(guī)格的差異，上述工藝條件需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以下表2-5為典型220200球磨罐在破碎和整形過程中的各項具體工藝參數(shù)：表2-5 金剛石微粉的破碎整形工藝參數(shù)球磨目的球磨機轉(zhuǎn)速球料比裝填系數(shù)鋼球配比原料破碎60-80轉(zhuǎn)/分鐘1:41:60.40.622-25=10%-15%20-22=25%-35%18-20=35%-45%16-18=15%-25%半成品整形40-60轉(zhuǎn)/分鐘1:51:100.40.614-6=10%-15%12-14=25%-35%8-12=35%-45%6-8=15%-25%2.5.2 金剛石微粉粗提純處理工藝通常金剛石微粉的原料都是低品級的RVD金剛石，原料本身含有少量石墨、觸媒金屬及葉臘石等雜質(zhì)，同時在后期的破碎、整形加工過程中還會引入大量的金屬雜質(zhì)。為了滿足分級工序?qū)Ξa(chǎn)品純凈度的要求，必須在轉(zhuǎn)入分級工序前將這些雜質(zhì)除去。根據(jù)金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫下不與酸、強氧化劑反應(yīng)的特性，一般選用化學(xué)方法對金剛石進行提純處理。完成破碎、整形工序的金剛石主要雜質(zhì)為金屬，能與酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成可溶性的鹽類，利用這一特點，使用合適的酸對其進行處理，即可將絕大部分金屬雜質(zhì)去除，同時還可以去除石墨等雜質(zhì)。一般進行酸處理的操作方法為：稱量一定數(shù)量的金剛石微粉，放入5000毫升玻璃燒杯或其他耐酸、耐高溫的容器，加入適量的酸液，將燒杯放置在通風櫥內(nèi)的電熱板或工業(yè)電爐上加熱，隨著溫度的升高，反應(yīng)逐漸劇烈，待反應(yīng)完全停止后，停止加熱并把容器撤離熱源，待物料冷卻至室溫后，將上層廢酸液倒出，水洗至中性，轉(zhuǎn)入分級工序。由于金剛石原料的葉臘石和石墨含量較少，為簡化處理工藝，一般粗提純工序不再對其進行專門處理，對產(chǎn)品有特殊要求的，在完成分級后專門對成品進行后期精處理。 工業(yè)生產(chǎn)中，由于后期分級完成后還要進行再次精提純處理，粗提純工藝在滿足分級工藝要求的前提下應(yīng)盡可能降低成本，一般使用的化學(xué)試劑大都是工業(yè)純，以下表2-6為粗提純過程中各種處理工藝使用的具體工藝參數(shù)：表2-6 金剛石微粉粗提純工藝參數(shù)酸處理工藝組份配比料、酸比例反應(yīng)時間鹽酸法36%鹽酸：水=1:11:21:460分鐘稀硫酸法98%硫酸：水=1:41:31:590分鐘高氯酸法70%高氯酸1:11:290分鐘濃硝酸濃硫酸法濃硝酸：濃硫酸=1:31:11:290分鐘濃硫酸高氯酸法濃硫酸：高氯酸=4:11:11:290分鐘 在金剛石微粉的生產(chǎn)過程中，提純工序使用各種化學(xué)試劑，處理過程中會排放大量的有害氣體和廢水，危害操作者職業(yè)健康和污染環(huán)境。為了改善操作者的工作環(huán)境并減少廢氣、廢水排放，有些金剛石微粉生產(chǎn)企業(yè)開始嘗試改變原有的提純方式，將原來的敞口燒杯加熱的處理工藝更換為使用大型密閉反應(yīng)釜處理。反應(yīng)釜采用電加熱或?qū)嵊烷g接加熱，材料為石英玻璃或內(nèi)襯搪瓷鋼質(zhì)材料。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)?？梢赃x用20升、50升、100升等各種規(guī)格的反應(yīng)釜，設(shè)備配套有自動攪拌、自動控溫、廢氣中和吸收以及酸蒸汽冷凝回流裝置。采用反應(yīng)釜進行提純處理，不但可以增加單次處理量，降低人員勞動強度，而且在節(jié)約能源，改善勞動條件及保護環(huán)境方面效果顯著。2.5.3 金剛石微粉分級金剛石微粉在完成球磨破碎、整形加工及粗提純工藝過程后，將對在線產(chǎn)品進行粒度分級處理。其中粒度分級工序的主要目的是要求粒度分布盡量集中和完全杜絕超尺寸顆粒。由于金剛石微粉顆粒太細，傳統(tǒng)的篩網(wǎng)分級無法實現(xiàn)精確的分級，選用科學(xué)、高效、精密的分級方法尤其重要。隨著金剛石微粉應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，市場對金剛石微粉的各項品質(zhì)要求逐步提高，現(xiàn)階段金剛石微粉企業(yè)常用的分級方法主要有：自然沉降法、離心法、溢流法、篩分法、水力旋流法等。由于各種方法均有其固有特點，實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)自身的實際情況靈活選用，既可以采用一種方法對金剛石微粉產(chǎn)品進行分級，也可以采用兩種甚至更多方法相結(jié)合對產(chǎn)品進行分級。2.5.3.1 自然沉降分級自然沉降分級是根據(jù)同一比重的顆粒，因粒徑不同在液體中沉降速度亦不同的原理，通過控制其沉降高度和沉降時間來分級粒度。顆粒在液體中受到三種力的作用，即顆粒固有質(zhì)量所產(chǎn)生的重力、液體的浮力和介質(zhì)對顆粒的阻力。顆粒沉降速度與顆粒與介質(zhì)的接觸面積、液體的粘度、顆粒在介質(zhì)中運動受到的摩擦阻力等因素有關(guān)。著名的物理學(xué)家Stokes，曾于1851年正確地測定過球形顆粒在介質(zhì)中運動受到的摩擦阻力，并導(dǎo)出阻力公式（2-1）： （2-1）式中：Rc為球形顆粒在介質(zhì)中運動所受的阻力；為液體介質(zhì)粘度(Pas)；d為顆粒直徑（cm）；v為沉降速度（cm/s）。當顆粒在溶液中達到平衡，即重力等于浮力加阻力時，有簡化得Stokes公式的另一種表達式（2-2）： （2-2） 式中：g為重力加速度（980cm/s2）；為顆粒密度（g/cm3）；為液體密度（g/cm3）；為液體粘度(Pas)；d為顆粒直徑（cm）。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，（2-2）式仍然是國際上微粉粒度分級與測量的理論基礎(chǔ)。將人造金剛石的密度=3.52g/cm3，液體的密度=1g/cm3、粘度=0.01 Pas（293K）以及重力加速度g=980cm/s2代入（2-2）式，得 （2-3）離心分級跟自然沉降分級原理相同，區(qū)別在于離心法是借助離心機產(chǎn)生的離心力代替重力對金剛石微粉產(chǎn)品進行分級。對較粗顆粒而言，由于顆粒較重，沉降時間短，采用自然沉降法可以使粒徑相近的顆粒沉降距離拉長，有利于對相近規(guī)格金剛石微粉產(chǎn)品的精細分級。但對較細顆粒，由于顆粒自重很小，在重力場中自由沉降的速度很慢，再使用自然沉降的方法將大大延長生產(chǎn)周期，占用大量的分級容器和場地，超細顆粒甚至由于布朗運動和顆粒間的干涉沉降作用無法進行有效分級。而在離心力場中，向心加速度遠遠超過重力加速度，使微粉顆粒運動的速度大大提高，從而加快了分級速度。因此，很多金剛石微粉生產(chǎn)企業(yè)都是采用自然沉降法和離心法相結(jié)合的方式生產(chǎn)由細到粗的全規(guī)格微粉。自然沉降法分級是最基本的金剛石微粉生產(chǎn)方法，工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定。但其存在占用人工多、對較細粒度的產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長的缺點。離心法對較細粒度產(chǎn)品分級效率大大高于自然沉降法，但設(shè)備投資大，對人員操作要求較高。影響自然沉降法和離心法分級的主要因素是顆粒形狀、分散劑選擇和用量、料漿濃度、溫度以及實際操作中的分級時間、沉降高度、離心機轉(zhuǎn)速等。其中自然沉降法受顆粒形狀、溫度的影響最為明顯，而離心法受分散劑選擇和用量、離心機轉(zhuǎn)速和時間的影響最為明顯。2.5.3.2 溢流法分級溢流法可以理解為反向的沉降分級方法。在一個溢流分級容器內(nèi)，水從底部進入容器的下部錐體，隨著分級容器橫截面的逐漸擴大，流體的上升速度逐漸減慢并最終在上部柱狀筒體內(nèi)穩(wěn)定下來。顆粒逆著上升的水流沉降，在流速穩(wěn)定時，一定粒度尺寸的顆粒由于受重力和水流的反向推升力的共同作用，當所受二力達到平衡時，顆粒會處于既不上升也不下沉的懸浮在某個高度。過細的顆粒會隨著水流溢出分級容器，過粗的顆粒在沉入下部錐體部分時由于流體速度變大，也會按照粒度的不同而在不同的高度懸浮。調(diào)整流量，即可得到相應(yīng)粒度的產(chǎn)品。溢流法分級生產(chǎn)周期比較長，生產(chǎn)過程中消耗水量大，但相對其它分級方法，具有分級精度較高，人工占用較少的特點。微粉顆粒形狀和流量控制是影響溢流法分級技術(shù)的關(guān)鍵因素。顆粒形狀差，會因為顆粒在流體體系內(nèi)的不規(guī)則運動而影響產(chǎn)品粒度指標；同時因為溢流法分級是在一個動態(tài)平衡的體系內(nèi)完成的，流量控制不穩(wěn)定，會直接導(dǎo)致粗細顆粒層間的互相混合，無法實現(xiàn)準確的產(chǎn)品分級。2.5.3.3 水力旋流法分級水力旋流法是利用離心沉降原理，通過料漿在水力旋流器內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)，加速粗、細顆粒的分離。作為一種成熟技術(shù)，該工藝廣泛用于多種領(lǐng)域的粗分級和產(chǎn)品脫水。其主要特點為速度快、操作簡便、重復(fù)性好、可連續(xù)投料，除2微米以細的過細顆粒外對全系列金剛石微分微粉的分級都有效。但也存在分級精度差的缺點。作為一種粗分級的方法，與后期的自然沉