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发布时间:2016-10-13 10:34:09

    论述人造金刚石磨料的基本性质和与其相关的基本性能特性。
    1 引言
    金刚石是碳的一种变体,灰份很低,是纯度很高的物质。人造金刚石的晶体形态,最常见的是六面体、六八面体和八面体聚形以及不规则连生体等。不同晶形的金刚石的强度值差别大,目前常用单颗粒抗压强度和冲击韧性(TI)两种方法表征金刚石磨粒的强度;其耐热性受内部杂质的影响,在高温下磨粒内部会产生裂纹以致破碎,强度大大降低。金刚石工具制造和使用过程中,磨粒处于高温环境,使用性能发生变化。金刚石磨粒经高温处理后的TI称之为热冲击韧性(TTI),可以反映磨料实际使用时的强度和破碎性能。金刚石计算密度值为3.5152g/cm3,实际密度与晶体内部缺陷(如裂纹、气泡和杂质含量)及晶体颜色有关。莫氏硬度为10,在所有物质中硬度是最大的,但脆性也大,受敲击时易碎。耐磨性好。热导性能优良。人造金刚石一般含有少量的杂质,由于杂质的存在而具有磁性,磁 化率为(156-0.6)×10-6 cm/g,随晶体中磁性元素含量和晶体尺寸增大而增强,呈线性关系。磁性大的晶体耐磨性、研磨能力和耐热性均差。金刚石是化学性质非常稳定的矿物,其表面、特别是新鲜表面具有很高的亲油疏水性,润湿接触角为80-100度,表面被污染以及微量元素的侵入和晶体中 包裹体的存在,都会降低金刚石表面的亲油疏水性。
    人造金刚石磨料是在高温超高压条件下合成出来的,高压腔内压力、温度条件不完全一致,生长的金刚石不尽相同,因而其性能亦不相同。金刚石的质量,实质上就是指其物理化学性能,这些性能与其 微结构有密切关联。已有研究表明,金刚石磨粒的强度和破碎性能主要取决于其晶形及其规则程度、内部缺陷及杂质含量和分布形式等。分级分选处理的目的,就是要将在高温超高压条件下合成出来的粒度、形状差异都很大的人造金刚石磨料的混合物料,借助筛分和不同的分选方法,使其精密按粒度大小,晶体形状与规则程度和完整性以及内部缺陷及杂质含量甚至表面性状的差异严格分类,达到使其指定产品的各项指标更趋一致,性能稳定性好的目标;保证产品质量性能的长期稳定,尽量满足不 同用户的各种需求。国外有多种分选技术存在,分选精度高。
    中国目前主要采用振动选型单一方法按单晶外形分选,产品各项指标分散度仍较大,技术上明显感到不足。尤其是国产中高档金刚石产品(超硬天地:chaoyingTD)中,部分低值物料无法排除,始终是困扰人造金刚石产品精密分选的一大难题。本文在采用振动选形技术的基础上,对应用磁分离技术、引入重液分离技术、探索浮选技术和应用选择性破碎原理及强化筛分几方面进行了探讨;重点研究了振动选形+磁分离和振动选形+重液分离工艺。提出了人造金刚石磨料精密分级分选的基本方法和一般原则。实践表明,这些方法是有效的和可行的。
    2试验装置与试验方法
    实践证明,按形状分选是一种行之有效的方法。本试验研究的人造金刚石物料先进行形状分选,再联合使用其他方法。形状分选试验采用振动选形机,图1为其结构示意图 。振动选形机的工作原理是利用不同外形的颗粒在振动分选系统的分选盘面上具有不同的运 行轨迹的特性来进行分离的 。

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    磁性分离试验使用作者自制的磁场强度连续可调的永久磁体磁性分离装置,磁场强度选用中国北京首都师范大学半导体厂生产的SG-3-B型特斯拉计测量。采用从物料上部拣选的方法,由低磁场到高磁场,逐级选出不同磁场条件下的磁性物料。重液分离试验是在恒温槽内进行的,将样品分成上浮物、悬浮物和下沉物三部分。所有被选出的样品都取样进行单颗粒静压强度测试,用以评价分选效果。
    3试验结果及讨论
    1振动选形产品磁分离
    晶体形状和完整性是决定强度的最主要因素,人造金刚石物料先进行形状分选。再将经过振动选型机选形的45/50号样品(样品1),即粒度晶形相近的产品,通过三个不同磁场强度进行拣选 。最弱磁场强度下分选出的磁性物叫强磁性产品,中等磁场强度下分选出的磁性物叫中等磁性产品,较强磁场强度下分选出的磁性物叫弱磁性产品,而其磁选后的剩余物叫微磁性产品。入选的原样品平均强度为137.9N,根据GB6407-86,仅为MBD级产品。试验结果见表1。

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    从表1可以看出:经过磁分离后得出的四种不同
    磁性产品中:强磁性产品占4.06%,强度值为80.4N;中等磁性产品占18.60%,强度值为87.5N;弱磁性产品占15.99%,强度值为128.7N;微磁性产品占61.37%,强度值为159.3N。显而易见,磁分离是有效的。将前两种产品合并为MBD4品牌产品;第三种和第四种产品可分别作为MBD8和SMD品牌产品;若将后两种产品合并在一起,其平均强度值为152.98N,整体仍可作为SMD品牌。
    需要指出的是:通过磁选后,强磁和中等磁性产品中已经没有强度值高于弱磁性产品平均值128.7N的粒子,低强度值的产物比较集中,即产品相对分散度不大。而弱磁性和微磁性产品中仍然含有低于强、中磁性产品平均强度算术平均值(84.0N)的粒子。随着金刚石磁性减弱,平均强度值明显增大,即分布概率峰值向高强度方向转移,最高强度值越来越大,但弱磁性和微磁性产品中仍夹杂有少量很低强度值的物料。
    由此可见,采用磁性分选方法,可以有效除去大量低值产品,明显提高高强度产品的质量和产量,磁分离的技术意义和经济意义都是不可忽视的。但高级产品中最低强度值物料范围变化不大,也就是说产品相对分散度较大的问题没有根本的解决,仍有少量很低强度值的物料没有能够被除去干净,需要进一步做工作。
    根据研究和分析得知,磁性不同的低强度产物的低值原因是不同的。强磁性、弱磁性和微磁性产物在振动选型机盘面上表现出来的外形因素(即与球形颗粒的相似度)是相近的,但强磁性产物的晶体内部杂质含量、气泡、裂纹等缺陷因素在抗压强度方面的影响起了决定性作用,晶体完整性及晶面光滑平整等表面因素仅起辅助性作用。而弱磁性及微磁性产品中的低抗压强度值的产物,晶体内部杂质含量、气泡、裂纹等缺陷因素并不很明显,主要是晶体的完整性及晶面光滑平整性等表面因素在抗压强度方面的影响起了决定性的作用。在显微镜下可见这类晶体外形接近浑圆,但有一个或一个以上晶面不光滑平整,有的明显泛白,选型人员的行话称这种粒子为“白子”。这种低抗压强 度的“白子”内部杂质含量低,外形又接近球形,靠磁分离技术和振动选型都难以分离出来,就有必要利用其晶体表面性质的差异,或借助別的方法来进行分离。
    2振动选形产品重液分离
    将经过选型机分选的金刚石(样品2)在恒温槽内进行重液分离。分离后的样品的平均强度值和小于98N的百分数两项数值分别列于表2。

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    从结果中可以看出,人造金刚石的强度也与其密度不同有关:悬浮部分的平均强度值最高;下沉部分平均强度低于悬浮部分,这可能是晶体内部含有金属杂质所致;低强度晶体明显地富集在上浮部分中,其平均强度最低可能与晶体内部含有气泡、裂纹等缺陷有关联。
    上述结果也对解决金刚石高强度产品中低值物料问题给予了有益的启示。目前已有企业把重液分离纳入了生产工艺。
    3其他分选(分离)方法探讨
    浮选是在气液固三相界面分选矿物的技术,是现代三大选矿方法之一。从可浮性来说,亲水性矿物表面既易被水润湿,测得接触角就小,天然可浮性差;疏水性矿物表面接触角大,天然可浮性好。对于某一特定矿物,可以人为调整其可浮性,目前最有效的方法是加浮选药剂处理。金刚石的强度不仅与其形状和内部含杂有关,与晶体表面状况也有关系。已有研究表明,同样晶形的颗粒,晶面光滑平整的比晶面粗糙的强度高得多。振动选型机上按形状分选和浮选分选相结合,可以提高高强度产品的产量。因此浮选分离也是一种除去金刚石高强度产品中低值物料、实现精密分级分选的可选方法之一。
    应用选择性破碎原理:选形机精心选形后的高品级金刚石产品,其单晶强度值分散度还很大,再经过磁选分离后,集中度会有一定改善;但即使对这样的产品继续采用其他的选别方法(如继续进行重、浮选)来进行全面综合分选后,也可能在最终的高级产品中,还含有极个别的低值产品。这样的产品用于一般的场合,可能已经没有什么大的问题,但若用于对每一个单晶都有严格要求的场合(如制造用于高档硅片的研磨头这样的高级产品的原料),这极个别的低值产品危害仍然极大,还必须设法予以除去。
    在这样的情况下,所有的选别方法已经都无能为力,但可以换一个角度来处理,无法用直接的分选方法除去时,反过来选用机械方法将其破坏后除去,即利用低值产品破碎强度明显比高值产品低得多的差异,通过选择性破碎法的间接方法予以除去。其原理类似于金刚石检测方法中的TI,但比TI的破碎强度要明显小得多。利用人造金刚石(超硬天地:chaoyingTD)物料选择性碎磨用磨料机系列 中的小型号磨机 ,选用大小合适的钢球和适宜的球比,严格选择合适的磨料强度,就可以达到选择性破碎除去个别低值物料的目的,得到一致性更好的高品级产品,初步试验证明了这一点。
前述研究结果表明:振动选型法利用的是人造金刚石不同单晶外形的差异的特性,磁分离法则是利用单晶内部磁性杂质含量多少的差异,重液分离技术依据的是晶粒内部气泡裂纹及金属杂质含量的多少,浮选法则是借助于不同单晶晶面光滑平整度的不同状况,而进行有效分离的;而选择性破碎法则是利用单晶耐冲击强度的差异,破坏低强度物料而达到除去目的的方法。其原理各有特色,可以优势互补,联合分选就成为一种必然趋势。
    晶体形状和完整性是决定强度的最主要因素,因此,人造金刚石物料先进行形状分选。由于人造金刚石的质量(主要是强度)除了与晶体的形状和完整性有关外,还与其晶体内部缺陷和杂质含量、表面状况及密度差异等因素有关;只用一种分选方法难以达到按质量精密分选的目的。只有根据物料的不同性质,产品的不同用途,运用联合分选方法,才能实现精密分选的目的。但在不同情况下,对于不同物料或者根据不同要求,联合分选所需的方法和顺序又是不尽相同的。有时候只需振动选型和磁选就行了,有时可能还需增加重选,有时可能只需振动选型和浮选结合,而有时可能振动选型之后,磁重浮选都要用上才能达到目的,且各种方法使用的先后顺序不同,效果优劣也会不同。这些都有待更加详尽和细致的研究工作来解决。
    4强化筛分分级
    按粒度尺寸精密分级的问题,实质上是一个强化筛分的问题。它不仅仅只是一个产品粒度一致性的问题,同样也会影响到分选效果。尤其对于振动选形来说,精密按粒度尺寸分级显得更为重要。
    众所周知,不同粒度大小的金刚石在振动选形机上分选时所要采用的技术参数是不同的,较粗粒级只 需较小的盘面倾角,而较细粒级则需要较大的盘面倾角。当粒度相近、外形不同的金刚石颗粒投放到振动选形机分选盘面上并将操作参数调整到合适状态、使被选物料均匀布满盘面时,由于人造金刚石晶粒摩擦系数及受力状态不同,在分选盘面上的运动轨迹亦不同,使摩擦系数大的晶粒(如连晶体或剑状、扁条状、树枝状等不规则单晶)沿着分选盘面向上运动,摩擦系数小的晶粒(主要是正多面体完整单晶)向下方滚动(或滑动),介于两者之间的物料(如等积形及非完整晶体)沿中部区间运动,这就是选形机的按形状分选功能。
    当形貌相同(或相近)、粒度不同的金刚石颗粒投放到某一定操作参数的振动选形机分选盘面上时,较粗粒度的金刚石颗粒就会向盘面相对较低的位置运动,而较细粒度的金刚石颗粒就会向盘面相对较高的位置运动,这就出现了按粒度分级(偏析)的现象。若将粒度大小不同、形貌也不相同的金刚石混合物料投放到振动选形机分选盘面上时,由于等粒级(形貌不同)物料的按形状分选作用和相同(或相近)形貌(粒度大小不同)物料的按粒度偏析的干扰作用,就会造成较小粒度的正多面体完整单晶混入较大粒度的中间形状物料(如等积形及非完整晶体)中、而较小粒度的中间形状物料(如等积形及非完整晶体)混入较大粒度的非等积形物料(如连晶体或剑状、扁条状、树枝状等不规则单晶)中的现象,严重影响选形机按形状分选的效果。克服这种有害现象的最有效措施就是强化筛分分级、窄级别进入选形机分选。此外用于对每一个单晶的粒度大小也都有严格要求的场合的物料(如制造用于高档硅片的研磨头这样的高级产品的原料),就需要比常规产品更严格的窄级别强化筛分。
    4结论
    本文提出了人造金刚石磨料精密分级分选的基本方法-即联合分选方法。实践表明,这些方法是有效的和可行的。本文的研究和探索给出了如下有益的启示。
   (1)采用振动选形+磁分离的方法,可将按形状分选产品中含有磁性杂质内部缺陷的低强度晶体分离出来,使非磁性产品的分选精密度和质量明显提高。
   (2)采用振动选形+重液分离工艺,可将按形状分选产品中含有气泡、裂纹内部缺陷的低强度晶体从上浮物中分离出来,也使含有重金属杂质内部缺陷的晶体进入下沉物料中,使悬浮物产品的分选精密度和质量得到提高。
   (3)一种分选方法难以达到按质量精密分级的目的,只有根据物料的不同性质,产品的不同用途,运用 不同的联合分选方法,才能实现精密分选的目的。强化筛分分级、窄级别进入选形机分选有利于提高振动选形的效果。
   (4)对于多种直接分选方法仍然难以分离除去的某些低强度物料,可以采用选择性破碎法的间接方法予以分离除去。
    以上内容主要介绍了人造金刚石磨料精密分级分选技术的介绍,浩市新能源专注于人造金刚石的研究,期待与您的合作!

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