22微粉金刚石汪 静1.docx
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22微粉金刚石汪静1
第二篇金刚石工具用金刚石
第二章金刚石微粉
（作者汪静）
2.1概述
金刚石微粉的种类很多，用低强度的人造金刚石为原材料，经过破碎、提纯、分级等工艺生产的金刚石微粉是最常见的品种。
这类产品涵盖了几十纳米到几十微米的粒度范围，产品性价比高，目前占据金刚石微粉的大部分市场份额。
随着应用领域的不断拓展，根据用途不同，市场上出现了多种类别的金刚石微粉。
按照原材料来源不同，可分为天然金刚石微粉和人造金刚石微粉。
不能用于珠宝首饰加工的低品级天然金刚石，可以经过球磨破碎生产出金刚石微粉，用于工业研磨抛光，如宝石、精密零件等的后期加工。
随着工业的快速发展，研磨抛光领域对金刚石微粉的需求量急剧增加，天然金刚石微粉的产量远远满足不了市场需求。
人造金刚石的出现解决了这一问题，它为金刚石微粉提供了充足的原料。
据统计2008年国内金刚石产量为50多亿克拉，金刚石微粉的产量约为3亿克拉。
人造金刚石微粉在硬、脆材料的磨削方面有着广泛的应用。
作为粉体材料可用于多种天然宝石、人造宝石、玻璃、陶瓷等材料的磨削抛光。
制成研磨液、研磨膏可用于半导体材料如硅片、蓝宝石晶片等元件的切削和研磨抛光。
还可以做成多种制品，如精密砂轮、金刚石复合片、精磨片、拉丝模等。
可用于金加工、地质钻探、光学玻璃加工、金属丝线生产等众多领域。
根据原材料金刚石强度高低，可分为高强度金刚石微粉和低强度金刚石微粉。
前者是采用高强度金刚石为原材料生产的微粉，微粉单颗粒强度高、内部杂质含量低、磁性低。
后者以低强度金刚石为原材料，产品自锐性好。
依据金刚石晶体结构不同可分为单晶金刚石微粉（如图2-1）和多晶金刚石微粉（如图2-2）。
单晶金刚石微粉是用单晶金刚石为原材料生产的金刚石微粉，其颗粒保留了单晶金刚石的单晶体特性，具有解理面，受到外力冲击的时候优先沿解理面碎裂，露出新的“刃口”。
多晶金刚石微粉是由直径5-10nm的金刚石晶粒通过不饱和键结合而成的微米和亚微米多晶颗粒，内部各向同性无解理面，具有很高的韧性。
由于其独特的结构性能，常用于半导体材料、精密陶瓷等的研磨和抛光。
另外还有爆轰法生产的纳米金刚石（如图2-3），这类金刚石是由负氧平衡炸药内部多余的碳原子在适当的爆轰条件下合成的，由5-20纳米粒径的金刚石晶粒组成的二次团聚体，粉体外观一般为灰黑色。
纳米金刚石具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和导热性，可用于硬盘、半导体等的精密抛光，可以作为润滑油添加剂，显著提高润滑油的润滑性能，减少磨损，可以添加到橡胶和塑胶中强化产品性能，还可以作为优良的功能材料涂覆到金属模具、工具、部件等表面，增强表面硬度、耐磨性、及导热性能，延长使用寿命。
图2-1单晶金刚石微粉图2-2多晶金刚石微粉
图2-3纳米金刚石
2.2金刚石微粉的定义
通常意义上将磨料粒径小于54微米的研磨、抛光用粉状物料称为微粉，使用金刚石作为原料加工成的微粉称为金刚石微粉，近年来随着新的应用领域的不断扩大，很多金刚石微粉的粒径已经远远大于54微米，例如有的客户要求的80-100规格的产品，其中值粒径已经达到了86微米。
2.3金刚石微粉的规格标准
GB/T23536-2009中规定，金刚石微粉的品种代号为MPD，粒度为M0/0.5～M36/54。
该标准所引用JB/T7990-1998规定金刚石微粉粒度及尺寸范围标准如表2-1所示：
表2-1金刚石微粉粒度标准（JB/T7990-1998）μm
粒度标记
公称尺寸范围
D
粗粒最大尺寸
Dmax
细粒最小尺寸
Dmin
粒度组成
M0/0.5
0～0.5
0.7
---
1.不得有大于粗粒最大尺寸以上的颗粒。
2.粗粒含量不得超过3%。
3.细粒含量：
M3/6以细的各粒度不得超过8%；M4/8至M10/20不超过18%；M12/22至M36/54不超过28%。
4.最细粒含量：
各粒度均不超过2%。
M0/1
0～1
1.4
---
M0.5/1
0.5～1
1.4
0
M0.5/1.5
0.5～1.5
1.9
0
M0/2
0～2
2.5
---
M1/2
1～2
2.5
0.5
M1.5/3
1.5～3
3.8
1
M2/4
2～4
5.0
1
M2.5/5
2.5～5
6.3
1.5
M3/6
3～6
7.5
2
M4/8
4～8
10.0
2.5
M5/10
5～10
11.0
3
M6/12
6～12
13.2
3.5
M8/12
8～12
13.2
4
M8/16
8～16
17.6
4
M10/20
10～20
22.0
6
M12/22
12～22
24.2
7
M20/30
20～30
33.0
10
M22/36
22～36
39.6
12
M36/54
36～54
56.7
15
从该标准中可以看出，金刚石微粉的规格划分以粒度为标准。
在国内由于使用习惯，常采用JB/T7990-1979所规定的标准来说明金刚石微粉的规格，其与现行标准的对应关系如表2-2所示：
表2-2金刚石微粉粒度标准对照
JB/T7990-1979
JB/T7990-1998
W0.5
M0/0.5
W1
M0/1
M0.5/1
M0.5/1.5
W1.5
M0/2
M1/2
W2.5
M1.5/3
W3.5
M2/4
W5
M2.5/5
M3/6
W7
M4/8
W10
M5/10
M6/12
W14
M8/12
M8/16
W20
M10/20
M12/22
W28
M20/30
M22/36
W40
M36/54
国际上一些主要工业国家也有相应的金刚石微粉标准，表2-3为各国金刚石微粉粒度标准对照：
表2-3各国金刚石微粉粒度标准对照
美国标准ANSI74.20-2004
日本标准JIS6002-63
中国标准JB/T7990
俄罗斯标准GOCT9206-80
尺寸范围（微米）
粒度号
尺寸范围（微米）
粒度号
尺寸范围（微米）
粒度号
尺寸范围（微米）
0.1/0
<0.1
0～0.25
0.3/0
<0.3
M0/0.5
0～0.5
0.5/0
<0.5
0.5/0.1
0.5～0.1
0.7/0.3
0.7～0.3
M0.5/1
0.5～1
1/0.5
1～0.5
0～1
15000
1/0
M0/1.0
0～1
1/0
<1
M0.5/1.5
0.5～1.5
0～2
M0/2
0～2
2/0
<2
3/0
<3
1～2
8000
2/1
M1/2
1～2
2/1
2～1
3/1
3-1
M1.5/3
1.5～3
5000
3/2
3/2
3～2
2～4
M2/4
2～4
5/2
5～2
M2.5/5
2.5～5
4000
4/3
5/3
5～3
2～6
3000
5/4
M3/6
3～6
2500
6/5
7/3
7～3
7/5
7～5
4～8
M4/8
4～8
2000
8/6
10/7
10～7
1500
10/8
M5/10
5～10
10/5
10～5
6～12
M6/12
6～12
M8/12
8～12
14/7
14/10
14～7
14～10
1200
13/10
8～16
M8/16
8～16
1000
16/13
10～20
M10～20
10～20
20/10
20～10
M12/22
12～22
15～25
20/14
20～14
28/14
28-～14
20～30
M20/30
20～30
28/20
28-～20
25～35
700
24/20
M22/36
22～36
600
38/24
500
34/28
40/20
40～20
30～40
40/28
40～28
40～50
400
37/34
M36/54
36～54
60/28
60～28
40～60
60/40
60～40
50～70
事实上由于缺乏公认的检测方法和可靠的检测设备，国际上尚无行之有效的统一标准来衡量金刚石微粉。
在实际的商业运营中通常以微粉的粒度分布状况、产品质量稳定性等指标衡量产品品质的优劣。
2.4金刚石微粉的主要质量控制项目
金刚石微粉的质量控制项目主要包括粒度分布、颗粒形状、杂质含量等。
2.4.1粒度分布及检测方法
金刚石微粉粒径描述。
粒径即颗粒直径，是衡量颗粒大小的一个数值。
对于规则的球形颗粒而言，粒径就是球体的直径，金刚石微粉颗粒不是规则的球体，而是不规则形状，甚至是棒状、针片状等，因此，很难用一个数值表示金刚石微粉颗粒的大小，于是引入了等效粒径这一概念来代表金刚石微粉颗粒的粒径。
当一个颗粒的某一物理特性与同质的球形颗粒相同或相近时，我们就用该球形颗粒的直径来代表这个颗粒的直径，这个球形颗粒的粒径就是该颗粒的等效粒径。
等效粒径有几种：
等效投影面积粒径是与实际颗粒投影面积相同的球形颗粒的直径，图像法所测的粒径是等效投影面积直径；等效体积粒径是与实际颗粒体积相同的球体直径，一般认为激光法所测的直径为等效体粒径。
金刚石微粉的粒度分布是指各种粒径金刚石颗粒的分布比率，它是衡量金刚石微粉质量好坏的一个非常重要的参数，从某种意义上来说，粒度分布的集中程度决定了产品质量的高低。
在应用当中各种粒度规格的产品都有相应的磨削效率和表面加工光洁度，用户可根据不同的加工要求选择不同粒度规格的产品。
一般而言，对金刚石微粉中的粗颗粒都会有严格的控制，这是因为粗颗粒在应用中会引起被加工器件的划伤，产生严重的质量问题，尤其是在一些精密抛光领域，粗颗粒引起的划伤会直接导致昂贵的加工器件报废，损失巨大。
而细颗粒的存在也会引出相应的问题，比如在磨削加工中会降低磨削效率等，因此也会有明确的要求。
表2-4给出了联合磨料金刚石微粉粒度分布标准。
表2-4联合磨料金刚石微粉粒度分布标准（部分）
规格
MV
D10
D95
SD
0-0.1
0.1-0.12
0.072-0.095
0.15-0.19
0.026-0.028
0-0.14
0.13-0.15
0.096-0.11
0.19-0.23
0.028-0.036
0-0.2
0.16-0.19
0.12-0.125
0.23-0.31
0.036-0.069
0-0.25
0.20-0.23
0.126-0.15
0.31-0.36
0.069-0.074
0.24-0.28
0.15-0.17
0.36-0.42
0.074-0.14
0-0.5
0.29-0.33
0.17-0.18
0.42-0.56
0.14-0.156
0.34-0.40
0.18-0.25
0.56-0.68
0.156-0.19
0.41-0.45
0.25-0.27
0.68-0.85
0.19-0.235
0-1
0.46-0.55
0.27-0.35
0.85-1.24
0.235-0.33
0.60-0.65
0.45-0.5
0.8-0.87
0.10-0.11
0.66-0.75
0.50-0.57
0.87-1.02
0.11-0.13
0.76-0.80
0.57-0.60
1.02-1.15
0.13-0.16
0.5-1.5
0.81-0.90
0.60-0.66
1.15-1.30
0.16-0.20
粒度分布的主要表征参数有：
D50、mv、D5、D95等。
D50：
也叫中值或中位径，常用来表示粉体的平均粒度，是一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径，其物理意义是粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%。
Mv：
以体积分布的平均粒径，是平均粒径的另一种表示方法，该值受大颗粒的影响更大，在对大颗粒进行控制时该值的指示性更强。
D5：
是一个样品的累计粒度分布百分数达到5%时所对应的粒径，通常用来衡量样品细端的颗粒指标。
D95：
是一个样品的累计粒度分布百分数达到95%时所对应的粒径，通常用来衡量样品粗端的颗粒指标。
金刚石微粉粒度分布的检测方法主要有如下几种：
图像法、沉降法、离心法、激光法、库仑法等。
图像法是使用颗粒图像仪对金刚石微粉粒度进行粒度检测的一种方法；
颗粒图像仪（见图2-4）一般由光学显微镜、摄像机、计算机以及分析软件等部分组成。
进行粒度检测的时候首先用载玻片、甘油将样品制作成观察样本，置于光学显微镜下进行观察，通过摄像机拍摄样本图片，然后传送到计算机用分析软件进行粒度分析（图2-5为图像法粒度分布检测结果）。
图像法的优点是检测直观，同时还可以对颗粒形貌进行分析等。
缺点是取样量少，检测结果代表性不强，整个操作过程也比较繁琐，耗时较长。
图2-4颗粒图像分析仪图2-5图像法粒度分布检测结果
沉降法是根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同，测量金刚石微粉粒度分布的一种方法；
它的基本过程是：
把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液，悬浮液中的颗粒在重力作用下将发生沉降。
不同粒径颗粒的沉降速度不同，大颗粒的沉降速度快，小颗粒的沉降速度慢，通过测量不同时刻透过悬浮液光强的变化率来间接地反映颗粒的沉降速度，进而计算出其粒度分布。
沉降法有较高的分辨率，但是测量速度慢，尤其是细粒度颗粒测量时间能达到几十分钟。
离心法实质上是沉降法的一种，它将沉降槽置于高速旋转的圆盘中，加快颗粒的沉降速度，从而大大缩短测量时间，提高测量精度，同时使超细颗粒的检测成为可能。
现在的离心式粒度分析仪转速高达2万多转/分钟，检测下限达到纳米级别。
图2-6是15nm金刚石微粉离心式粒度分析仪的检测结果。
图2-6金刚石微粉离心式粒度分析仪检测结果图2-7激光粒度仪的原理结构
激光法是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象进行粒度分布测试的，该方法具有测试速度快、测试范围宽、重复性好、操作简便等众多优点，因此在粉体的粒度检测上得到了广泛的应用。
激光粒度仪的原理如图2—7所示，从激光器发出的激光束经显微物镜聚焦、针孔滤波和准直镜准直后，变成直径约10mm的平行光束，该光束照射到待测的颗粒上，一部分光被散射，散射光经付立叶透镜后，照射到光电探测器阵列上。
由于光电探测器处在付立叶透镜的焦平面上，因此探测器上的任一点都对应于某一确定的散射角，光电探测器阵列由一系列同心环带组成，每个环带是一个独立的探测器，能将投射到上面的散射光能线性地转换成电压，然后送给数据采集卡。
该卡将电信号放大，再进行A／D转换后送入计算机，进一步计算出待测样品的粒度分布。
图2-8是激光粒度检测仪MicrotracX-100，图2-9是其粒度检测报告。
图2-8激光粒度检测仪MicrotracX-100图2-9MicrotracX-100粒度检测报告
库尔特法也称为电阻法，当微粉颗粒通过一个小微孔的瞬间，微粉颗粒占据了小微孔中的部分空间而排开了小微孔中的导电液体，使小微孔两端的电阻发生变化的原理测试粒度分布的。
小孔两端电阻的大小与颗粒的体积成正比，当不同大小的颗粒连续通过小微孔时，小微孔的两端将连续产生不同大小的电阻信号，通过计算机对这些电阻信号进行处理就可以得到粒度分布了。
这种测量方法具有分辨率高、测量速度快、操作简便等优点，但也存在动态范围小、测量下限不够小等不足。
图2—10是库尔特粒度检测仪CulterMultisizer3，图2—11是其检测报告。
图2-10库尔特粒度检测仪CulterMultisizer3图2-11库尔特粒度检测仪检测报告
2.4.2金刚石微粉颗粒形状
颗粒形状是评价金刚石微粉质量好坏的主要因素，通常金刚石微粉的颗粒形状以接近球形为佳。
在金刚石微粉生产过程中，非球形颗粒不遵循Stocks定律，因此非球形颗粒多的时候很难得到粒度集中的产品。
在金刚石微粉质量检验中，颗粒形状会影响粒度检测，针棒状颗粒多的产品粒度检测变化大，一致性差。
在应用中颗粒形状还会影响产品的磨削效率，产生许多不确定因素。
不过随着应用的拓展，现在也有需求不规则形状金刚石微粉的情况。
金刚石微粉的颗粒形状检测常常使用光学显微镜。
一般光学显微镜的最大放大倍数为1600倍，适合2微米以粗颗粒的检测（见图2—12，金刚石微粉光学显微镜照片）。
在检测的时候使用载波片及甘油把待检测样品制成样本，置于生物显微镜载物台上进行观测，要求制作样本的时候颗粒分布均匀且不相互重叠，沿横向、纵向分别进行观察，统计等积形颗粒的百分比。
人为观测统计误差大，重复性不好，采用颗粒图像分析仪可以改善这一情况。
颗粒图像分析仪通过视频采集体系拍下样品图片后通过软件进行颗粒形状分析，可以给出球形度等形状参数，降低了人为观察检测的主观性。
图2—13是颗粒图像分析仪的检测报告：
图2-12金刚石微粉光学显微镜照片图2-13颗粒形状检测报告
细颗粒的形状检测需要借助电子扫描显微镜。
对于1微米以细的颗粒使用光学显微镜已经无法清晰观察其颗粒形状，电子扫描显微镜能达到几万、十几万的放大倍数，可以清晰观察纳米级别颗粒的形状。
图2-14电子扫描显微镜图2-15金刚石微粉SEM照片
2.4.3金刚石微粉的杂质及检测方法
金刚石微粉的杂质是指金刚石微粉中的非碳成分，可分为颗粒外部杂质和内部杂质。
颗粒外部杂质主要由原料及生产过程引入，有硅、铁、镍以及钙、镁、镉等元素。
颗粒内部杂质主要有铁、镍、钴、锰、镉、铜等，由金刚石合成过程中引入。
金刚石微粉中的杂质会影响到微粉颗粒的表面性质，使产品不易分散。
铁、镍等杂质还会使产品产生不同程度的磁性，对应用产生影响。
金刚石微粉的杂质含量检测方法有多种：
包括重量法、原子发射法、原子吸收法等。
应用当中可根据不同的要求选取不同的检测方法。
重量法适于总杂质含量（不包括灼烧温度下燃烧可挥发物质）的分析检测，主要设备有马弗炉、分析天平、瓷坩埚、干燥器等。
JB/T7990-1998中规定：
按规定取样并称取0.2g待测试样放入恒重的坩埚内，将装有待测样品的坩埚置于马弗炉中灼烧至恒重（温度允许±20℃），残留物重即为杂质量，并计算出重量百分比。
原子发射法、原子吸收法等适合于微量元素的定性及定量分析。
比如采用高频电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）可以准确测量出金刚石微粉中ppm级别的微量元素。
图2-16高频电感耦合等离子体发射光谱仪
2.5金刚石微粉主要生产工艺及流程
金刚石微粉的典型生产工艺流程如图2-17所示：
金刚石原料
破碎
整形
粗提纯
分级
精提纯
烘干
入库
图2-17金刚石微粉生产工艺流程图
2.5.1金刚石的破碎和整形
破碎及整形工艺在微粉生产中占非常重要的位置，直接影响微粉颗粒形状指标和目标粒度的含量。
科学合理的破碎和整形工艺，不仅能快速地将粗粒度（常规粒度100—500微米）的金刚石原料，破碎为粒径范围约为（0—80微米）金刚石微粉颗粒，同时还可以优化颗粒形状，使微粉产品颗粒更加浑圆、规则，减少甚至完全杜绝长条状、薄片状、针棒状等影响微粉最终品质的颗粒，使适销的目标粒度产出比例最大化。
常用的破碎及整形方法主要有：
卧式球磨机干磨法、卧式球磨机湿磨法、气流磨法、高速搅拌球磨机湿磨法、行星球磨机湿磨法等。
选用不同的破碎及整形方法，其破碎及整形的工作原理、工艺参数亦不相同。
目前国内微粉企业主要采用的仍是卧式球磨机干磨法，这里仅以卧式球磨机干磨法为例来说明其生产原理及过程。
卧式球磨机干磨法主要的工艺控制点为球磨机转速、球料比、装填系数、钢球配比等。
实际生产中根据原料不同以及破碎、整形的目的而灵活掌握。
在球磨机的筒体直径相同的情况下，转速愈高所产生的离心力愈大，钢球被带动沿筒壁上升的距离愈高。
通过钢球下落时的碰撞和冲击作用对金刚石原料产生破碎，钢球下落时的碰撞和冲击作用愈强破碎效率也愈高。
然而，当筒体转速达到某一临界值时，，钢球就无法脱离筒体而随其一起转动，此时球磨机就失去破碎的作用。
反之，球磨机转速较低时，钢球被带动沿筒壁上升的距离愈短，这时钢球主要靠挤压和摩擦对金刚石原料发生作用，对金刚石颗粒表面的突起部分整形效果就愈好且不破坏颗粒整体结构。
但球磨机转速过低时，钢球不能提升到一定高度就滑下来，对金刚石原料产生的作用很小，不能达到高效率工业化生产的要求。
在破碎整形过程中，合适的球料比和装填系数至关重要，球料比和装填系数过高或过低，都会影响球磨机的生产效率和产品品质。
球料比过高或装填系数过低，单台机器的投料量受到制约。
球料比过低或装填系数过高，破碎和整形时间需要相应延长甚至达不到理想的效果。
为了达到更好的破碎、整形效果，当球磨机的球料比和装填系数确定后，还应选择不同直径的钢球按比例配装才能获得较好的颗粒形状和较快的破碎整形效率。
一般来说，大钢球的破碎效果好，小钢球的整形效果好。
通过直径不同的钢球配比方案，可以很好的解决效率和品质间的矛盾。
由于各个生产厂家采用的原料、设备结构及预期产出目标规格的差异，上述工艺条件需要根据实际情况进行调整，以下表2-5为典型Φ220㎜×200㎜球磨罐在破碎和整形过程中的各项具体工艺参数：
表2-5金刚石微粉的破碎整形工艺参数
球磨目的
球磨机转速
球料比
装填系数
钢球配比
原料破碎
60-80转/分钟
1:
4～1:
6
0.4～0.6
Φ22-25㎜=10%-15%
Φ20-22㎜=25%-35%
Φ18-20㎜=35%-45%
Φ16-18㎜=15%-25%
半成品整形
40-60转/分钟
1:
5～1:
10
0.4～0.6
Φ14-6㎜=10%-15%
Φ12-14㎜=25%-35%
Φ8-12㎜=35%-45%
Φ6-8㎜=15%-25%
2.5.2金刚石微粉粗提纯处理工艺
通常金刚石微粉的原料都是低品级的RVD金刚石，原料本身含有少量石墨、触媒金属及叶腊石等杂质，同时在后期的破碎、整形加工过程中还会引入大量的金属杂质。
为了满足分级工序对产品纯净度的要求，必须在转入分级工序前将这些杂质除去。
根据金刚石的化学稳定性好，高温下不与酸、强氧化剂反应的特性，一般选用化学方法对金刚石进行提纯处理。
完成破碎、整形工序的金刚石主要杂质为金属，能与酸
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