關(guān)于金剛石微粉強(qiáng)度問題探討

周 波,魯占靈, 張曉晨 ,郭黎君

(1.鄭州建斌電子科技有限公司，鄭州 450007; 2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001;3.河南省人造金剛石微粉質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,河南 柘城 476200; 4.柘城惠豐鉆石科技股份有限公司,河南 柘城 476200)

1 序言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金剛石微粉應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。尤其是近幾年來(lái)，光伏行業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了金剛石微粉應(yīng)用需求量大幅度增加。隨之所表現(xiàn)出來(lái)的微粉強(qiáng)度問題也就越來(lái)越突出。例如用微粉做成的金剛石線鋸，有的切割效率高、耐用，有的切割效率低，還不耐用。這一問題不但在光伏切割方面反映出來(lái)，而且也是其他用戶重點(diǎn)關(guān)注的問題。

與金剛石微粉的質(zhì)量直接相關(guān)的固有特性主要有微粉強(qiáng)度、粒度組成、大顆粒、顆粒形狀、雜質(zhì)含量五個(gè)方面。對(duì)于粒度組成[2]、大顆粒、顆粒形狀[3]、雜質(zhì)含量[4]這四項(xiàng)內(nèi)容，都有比較成熟的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，也使微粉這幾方面的質(zhì)量得到了比較好的控制。在其他指標(biāo)得到控制的情況下，金剛石微粉的強(qiáng)度就成了影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。對(duì)于金剛石單晶的強(qiáng)度檢驗(yàn)可通過Ti、TTi或者單顆粒抗壓強(qiáng)度來(lái)檢驗(yàn)，但對(duì)于金剛石微粉的強(qiáng)度不能通過機(jī)械的方法進(jìn)行直接的檢測(cè)，目前還沒有成熟的檢驗(yàn)方法，大部分生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)依然是憑經(jīng)驗(yàn)通過控制原材料來(lái)控制微粉的強(qiáng)度。

金剛石顆粒中普遍存在晶體缺陷,晶體缺陷能提供更全面的熒光信息[5]。拉曼光譜分析法早就被用于金剛石膜的應(yīng)力分析[6]，目前，通過檢測(cè)金剛石微粉的拉曼特征峰的強(qiáng)度、熒光背景的大小、內(nèi)部應(yīng)力的大小來(lái)分析評(píng)定微粉的品級(jí)，間接表征金剛石微粉的強(qiáng)度，也是一種科學(xué)、有效、快速的檢測(cè)方法。目前已在金剛石微粉強(qiáng)度檢測(cè)方面得到應(yīng)用，但還沒有普及，也沒有形成標(biāo)準(zhǔn)。

本文就拉曼光譜測(cè)定的金剛石微粉強(qiáng)度品級(jí)，就金剛石微粉的強(qiáng)度是什么、微粉的強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)，如何來(lái)控制金剛石微粉的強(qiáng)度等有關(guān)問題進(jìn)行研究討論。

2 單晶金剛石磨料與金剛石微粉的強(qiáng)度

金剛石微粉由單晶金剛石磨料破碎而成，因此金剛石微粉的強(qiáng)度與金剛石磨料的強(qiáng)度有密切的關(guān)系。目前檢測(cè)金剛石磨料強(qiáng)度的方法主要有單顆?？箟簭?qiáng)度和沖擊韌性兩種檢測(cè)方法。這兩種方法反映的都是金剛石單晶的宏觀強(qiáng)度，反映的是晶體顆?？蛊扑榈囊环N能力；而金剛石微粉的強(qiáng)度應(yīng)該是一種微觀強(qiáng)度，反映的是晶體顆粒抗磨損的一種能力。在應(yīng)用時(shí)，單晶磨料通常伴隨磨料的斷裂、破碎、磨損而降低或喪失磨削性能，是宏觀強(qiáng)度和微觀強(qiáng)度在共同發(fā)揮作用；而金剛石微粉的失能主要是由于微粉顆粒棱角磨損而失去磨削能力，這是微觀強(qiáng)度在發(fā)揮作用。影響單晶強(qiáng)度的因素主要是晶形的完整性，其次是內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)，這也是單晶磨料分級(jí)的重要依據(jù)。而影響微粉強(qiáng)度的主要因素是晶體內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)的多少，晶形的完整性影響相對(duì)較小。因此，單晶金剛石顆粒的內(nèi)部晶體缺陷、雜質(zhì)含量的增加，會(huì)導(dǎo)致微粉強(qiáng)度的大幅度降低。

3 影響金剛石微粉強(qiáng)度的因素

3.1 單晶原料的強(qiáng)度

金剛石微粉的強(qiáng)度與所用的單晶原料和生產(chǎn)工藝有關(guān)[7]。一般來(lái)說金剛石原材料的強(qiáng)度越高，生產(chǎn)出來(lái)的金剛石微粉的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的提高。

為了研究原材料強(qiáng)度對(duì)金剛石微粉強(qiáng)度的影響，選擇A、B兩家企業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)識(shí)為1型、2型 、3型、4型的45/50金剛石單晶磨料，作為原材料生產(chǎn)微粉。8個(gè)原材料樣品的Ti檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1測(cè)試數(shù)據(jù)表明不同生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)識(shí)相同品級(jí)的產(chǎn)品，實(shí)際的產(chǎn)品強(qiáng)度品級(jí)有比較大的差別，尤其是低品級(jí)料差別更大。

用表1的單晶原料生產(chǎn)的M20/30的金剛石微粉，其拉曼品級(jí)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。表2的數(shù)據(jù)說明，品級(jí)高的原材料生產(chǎn)出來(lái)的微粉品級(jí)也高，但是并不是按照原材料的品級(jí)呈比例地增加的。例如原料A 3型、4型料生產(chǎn)出來(lái)的微粉品級(jí)有差別，但差別不大。原料B 3型、4型料生產(chǎn)出來(lái)微粉已沒有明顯的品級(jí)差別了。

表1 不同生產(chǎn)企業(yè)相同品級(jí)的金剛石產(chǎn)品Ti值比較Table 1 Comparison of Ti value of diamond product of the same grade from different manufacturers

表2 不同企業(yè)同品級(jí)的金剛石原料生產(chǎn)的微粉品級(jí)Table 2 Grade of powder produced by the same grade of diamond raw materials from different manufacturers

3.2 單晶原料的合成時(shí)間

金剛石是由石墨在高溫高壓下轉(zhuǎn)化而成的，這一過程簡(jiǎn)稱金剛石合成。選擇三種不同合成時(shí)間的80/100金剛石單晶原料生產(chǎn)金剛石微粉，這三種原料測(cè)試Ti及微粉品級(jí)值如表3所示，三個(gè)單晶樣品的Ti值差別并不是太大，但是單晶合成時(shí)間越長(zhǎng)，用它們做出來(lái)微粉品級(jí)越高。分析認(rèn)為，合成時(shí)間越長(zhǎng)，金剛石晶體結(jié)晶狀態(tài)越趨于完整，內(nèi)部晶體缺陷和雜質(zhì)也就越少，所以生產(chǎn)出來(lái)的微粉耐磨程度越高，強(qiáng)度品級(jí)就高。晶體內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)是影響金剛石微粉強(qiáng)度品級(jí)的重要因素。

表3 不同合成時(shí)間的金剛石原料生產(chǎn)的微粉品級(jí)Table 3 Grade of powder produced from diamond raw materials for different synthesis time

3.3 微粉生產(chǎn)工藝

金剛石微粉是由金剛石單晶原料經(jīng)破碎而獲得的。目前金剛石微粉生產(chǎn)過程中的破碎工藝大都是采用氣流磨破碎方法。破碎工藝參數(shù)的氣流速度、壓力、分選輪的調(diào)節(jié)都會(huì)影響微粉的品級(jí)。因?yàn)樵谄扑檫^程中，金剛石顆粒在氣流的作用下相互碰撞而破碎，相互碰撞的次數(shù)越多，微粉顆粒內(nèi)部造成的損傷以及內(nèi)應(yīng)力也就越大。微粉顆粒內(nèi)部損傷以及內(nèi)應(yīng)力[6]都會(huì)導(dǎo)致金剛石微粉強(qiáng)度品級(jí)的下降。因此要合理地調(diào)節(jié)破碎工藝參數(shù)，使微粉顆粒達(dá)到相同的破碎目的，盡可能地減少碰撞次數(shù)，才能確保高強(qiáng)度的原材料做出高強(qiáng)度的微粉，否則高強(qiáng)度的原材料不一定能生產(chǎn)出高強(qiáng)度的微粉。例如都是用B企業(yè)的45/50-2型料生產(chǎn)出來(lái)的微粉，采用不同生產(chǎn)工藝，一種拉曼品級(jí)是2.01，另一種拉曼品級(jí)是2.43。

在氣流破碎過程中，通常分為粗中細(xì)3個(gè)出料斗。每個(gè)料斗內(nèi)不但粒度不同，品級(jí)也有差別。由于氣流分選是根據(jù)顆粒的體積和形貌進(jìn)行粗略的分選過程，因此粗料斗中也有一定量的細(xì)料，細(xì)料斗中也有一定量的粗料。用同一批原材料做成的M20/30微粉，一個(gè)樣品是從1號(hào)料斗選出來(lái)的，拉曼品級(jí)是2.82；另一個(gè)樣品是從3號(hào)料斗選出來(lái)的，拉曼品級(jí)是2.38。可見對(duì)于同一批原材料生產(chǎn)的微粉，即使相同粒度如果是從不同料斗選出，品級(jí)也是有差別的，從粗料斗中選出的微粉品級(jí)要高一些。

3.4 微粉表面處理工藝

通常采用強(qiáng)堿、強(qiáng)酸表面處理工藝去除金剛石微粉的外部雜質(zhì)。為了提高微粉的自銳性，也會(huì)采用表面處理的方法對(duì)金剛石微粉進(jìn)行處理，使其達(dá)到“類多晶”的效果。本文測(cè)試了某企業(yè)M30/40微粉經(jīng)表面處理成為“類多晶”前后的品級(jí)：未做表面處理前測(cè)試?yán)芳?jí)為2.78，表面處理后的“類多晶”微粉顆粒拉曼品級(jí)變?yōu)?.87，品級(jí)下降30%多。采用表面處理方法獲得的“類多晶”微粉顆粒，雖然提高了自銳性，但也大幅度降低了耐磨性。

因此微粉生產(chǎn)企業(yè)，一定要合理地選擇表面處理工藝，不能為了追求表面好看，而進(jìn)行過度處理。強(qiáng)堿強(qiáng)酸表面處理，會(huì)破壞金剛石顆粒的表面結(jié)晶狀態(tài)，使微粉顆粒表面缺陷增多，導(dǎo)致微粉耐磨性能下降，品級(jí)降低。

3.5 殘余料微粉

某些企業(yè)通常用做破碎料的殘余料，再做金剛石微粉，這種殘余料做出來(lái)的微粉，強(qiáng)度品級(jí)會(huì)大幅度降低。例如某企業(yè)，用同一批原材料做出來(lái)的破碎料和微粉，120/140破碎料拉曼品級(jí)2.89，而 M20/30微粉的拉曼品級(jí)只有0.98。主要是由于做破碎料的過程中，一些強(qiáng)度品級(jí)較低的料容易破碎，強(qiáng)度高的料不容易破碎，不容易破碎的高強(qiáng)度料作為破碎料被選出來(lái)了，剩下的都是容易破碎的強(qiáng)度品級(jí)較低的料，所以做出來(lái)的微粉強(qiáng)度品級(jí)自然也就大幅度降低。

4 微粉強(qiáng)度控制

根據(jù)以上研究結(jié)果，在生產(chǎn)過程中控制金剛石微粉的品級(jí)，應(yīng)從以下幾點(diǎn)做起：

合理選擇金剛石單晶原材料。做低品級(jí)的微粉，選擇低品級(jí)的金剛石原料，反之選擇高品級(jí)的原料，這已是微粉生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)的共識(shí)。但是盲目選擇高品級(jí)的金剛石原料，未必就能生產(chǎn)出高品級(jí)的微粉。當(dāng)金剛石的合成時(shí)間一定時(shí)，2型、3型、4型甚至更高品級(jí)的金剛石原料，對(duì)金剛石微粉品級(jí)的提高影響已不太大。要想實(shí)質(zhì)性地提高微粉的品級(jí)，必須選擇合成時(shí)間較長(zhǎng)的金剛石原料。

再就是微粉的破碎工藝，要結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，更加合理地選擇氣流速度、壓力、分級(jí)輪檔位等破碎工藝參數(shù)，使金剛石顆粒盡可能地減少碰撞次數(shù)，減少破碎過程中造成的金剛石顆粒內(nèi)部損傷和內(nèi)應(yīng)力的增加。

對(duì)生產(chǎn)出的金剛石微粉表面處理不能過度，避免造成金剛石顆粒表面缺陷的增加，導(dǎo)致微粉品級(jí)的降低，從而影響使用效果。

5 結(jié)論

通過本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和討論分析表明，金剛石微粉的強(qiáng)度品級(jí)雖然與原材料強(qiáng)度品級(jí)密切相關(guān)，但并不是呈線性比例增加的。對(duì)于同一合成時(shí)間，2型以上的不同品級(jí)的金剛石原料，生產(chǎn)出的金剛石微粉強(qiáng)度品級(jí)差別在0.5品級(jí)以內(nèi)。不同合成時(shí)間的同一個(gè)品級(jí)的原材料，生產(chǎn)出來(lái)的微粉強(qiáng)度品級(jí)差別明顯更大。金剛石原材料的合成時(shí)間，對(duì)金剛石微粉品級(jí)的影響更大。用選出破碎料后的金剛石殘余料，做成的微粉強(qiáng)度品級(jí)會(huì)大幅度降低。

金剛石微粉破碎過程會(huì)造成微粉顆粒的內(nèi)部損傷和內(nèi)應(yīng)力的增加，應(yīng)合理選擇破碎工藝參數(shù)，降低破碎過程對(duì)顆粒內(nèi)部的損傷和內(nèi)應(yīng)力的增加。破碎分選不同料斗的相同粒度的微粉品級(jí)會(huì)有比較大的差別，應(yīng)引起注意，并合理利用這一現(xiàn)象。