石墨烯鳞片石墨、土状、碳纤维、人造金刚石的使用

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文/王钦生、宋成

摘要：用于制造树脂结合剂磨具的金刚石磨料传统上为单晶粒，大部分（70%以上）为针状件，表面光滑，结合剂不牢固，研磨过程中过早脱落，使用效果不理想。本文的目的就是解决这个问题。本项目以石墨粉为原料，铁基合金粉为催化剂。对原料的组成与配比、合成块的组装结构、合成工艺参数及控制方法进行了系统研究。在机床上，研发出一种新型金刚石磨料产品——CSD（Crumb Structure Diamond）磨料。合成压力和电功率与合成单晶金刚石的工艺参数基本相同，而合成时间更短，不超过5min，石墨转化率达到80%左右。得到的新产品不是针状单晶颗粒，而是具有团聚结构的颗粒，颗粒形状为等面积形，表面粗糙不平。使用砂轮证明金刚石与结合剂结合牢固，磨削过程中微刃断裂。 CSD磨具可作为RVD金刚石磨具的替代产品。

1 简介

国内外用于制造树脂结合剂和陶瓷结合剂磨具的金刚石磨具，包括国内品牌RVD、原戴比尔斯公司RDA、美国GE公司RVG、俄罗斯AC2、日本东美公司的IRV等产品为单晶金刚石颗粒，形状不规则，大部分颗粒不等面积（等面积指长轴和短轴的大小）。大于1.5个颗粒），针状颗粒占很大比例。比如RVD，标准规定针片形状允许70%以上。该类磨料的颗粒形状如图1所示。

这种磨料效果不理想金刚石的特性，主要有以下问题：

(1）表面光滑，与结合剂的机械结合(啮合)不强。在磨削过程中，大部分磨粒在发挥作用前过早脱落。

(2）磨损方式是沿解理面或缺陷、裂纹方向整体劈裂，断裂面横穿整个晶体。

(3）单晶磨粒切削刃少，切削刃面积大，所需磨削力大，磨削锋利度差。

对于上述问题，人们一直在寻找解决方案。采用镀铜、镀镍、镀刚玉等表面电镀方法。等，目的是解决过早脱落的问题。但是，这种方法只是从粒子外部采取措施，并没有从粒子本身解决问题。后来Be Beers公司推出的CDA（现更名为元素六的PDA32）1）产品是从颗粒结构本身改进而来的。 CDA不再是传统的单晶金刚石，大部分是镶嵌颗粒。具有自锐性，锋利度和耐用度显着提高，成为享誉世界的特种产品。

上述问题在国内早就注意到了，但几十年来一直没有解决，也没有开发出类似CDA的自锐磨具。最后研制成功一种新型自锐金刚石磨料。

根据这款新产品的结构特点，我们将其命名为CSD（Crumb Structure Diamond）。 CSD磨料最为突出。 CSD磨料的使用特性是很好的自锐性。根据这个特性，它也可以称为自磨钻石。

CSD磨料近年来在结构和性能上与世界同步。新兴的 SG 磨料非常相似。 SG磨料是一种新型刚玉磨料，性能优良，微晶聚集结构，自锐性好，使用寿命比普通刚玉磨料提高一倍，是一种更新换代的新产品。

2 CSD金刚石磨料的特性

2.1 CSD金刚石磨料的晶体结构特征

CSD磨粒最显着的特点不是普通磨料那样的单一晶粒，而是由许多小晶粒组成的颗粒。这种颗粒结构称为碎屑结构或粒状结构。每个颗粒包含许多不同大小的细颗粒。这些小颗粒被称为亚粒或亚粒。每个亚晶粒的粒度在几微米到几十微米之间。在磨削过程中，这些亚晶层层脱落，磨料微刃破碎。保持多个锋利的切削刃。这就是为什么这种磨料具有自锐性的原因。

这种含有多个亚晶粒的团聚体是由于晶体生长过程中位错和杂质的堆积，导致晶格的某些部分出现局部取向错误。

在人工晶体生长条件下，长期生长粗晶单晶磨料是非常困难的。采用我们的新工艺，可以在短时间内成功生产出具有团聚结构的粗粒磨料。

2.2 CSD金刚石磨料颗粒形状特征

CSD 磨料的颗粒形状和表面状态是独一无二的。 CSD 是具有不规则形状的块状颗粒。虽然形状不规则，但不是针状或片状，而是三维尺寸比较均匀的等距颗粒，如图2所示。

从图2可以看出，CSD颗粒表面粗糙不平，更有利于磨料在结合剂中的牢固保持，有效防止过早脱落。

3 粉状石墨及催化剂合金原料选择的实验研究

自 1995 年以来，我们率先在中国考虑使用粉状原料替代片状原料。该方案的提出借鉴了国外的三项成果。其中一项成就是前苏联采用直接合成制造金刚石多晶的方法。虽然这种方法在生产多晶方面不够成功（结构不均匀，质量不稳定），但石墨转化率很高，以细晶金刚石为主体和催化剂和少量未转化石墨的合成棒是形成。另一项成就是当时西德采用粉末催化剂合成粗粒、高强度金刚石的新技术。第三项新技术是俄罗斯在双面凹压机上直接生产树脂磨具用金刚石磨料的新方法。

在国外多项相关新技术成果的基础上，综合吸收有用的部分，应用到合成自锐金刚石的工作中。根据生产自锐金刚石的要求，根据国内情况选择适用的石墨和催化剂合金原料。

3.1 石墨选择

实验使用天然石墨和人造石墨原料进行。测试结果表明，使用天然石墨，可以生产出锋利的金刚石，但由于成分不稳定，产量和质量也不稳定。使用人造石墨，也可以生产出锋利的钻石。使用人造石墨和天然石墨的混合物，在人造石墨中加入少量天然石墨，也可以生产自锐金刚石。

为了控制原材料技术条件的一致性和产品质量的稳定性，决定采用人造石墨作为生产金刚石的石墨原料。

还对片状原料和粉状原料进行了对比实验。测试结果表明，粉状原料的转化率和单次产量是片状原料的2倍。因此，自锐金刚石的生产应使用粉状石墨代替片状石墨。

3.2 催化剂合金的选择

众所周知，合成金刚石通常使用以下催化剂：戴比尔斯使用钴基合金催化剂和镍基合金催化剂； G. E公司使用镍基合金催化剂；俄罗斯使用镍锰催化剂；我国使用镍锰钴或镍锰铁催化剂，也有使用铁基催化剂。那么，什么样的催化剂最适合生产自锐金刚石呢？我们通过实验发现，上述催化剂可以产生自锐金刚石。但考虑到自锐金刚石生产的特殊要求，如高收率、高转化率、低成本、等面积颗粒形状、团块结构，不强调单晶、完整晶形的要求强度指标高，因此使用镍基合金催化剂（镍铁催化剂）或铁基合金催化剂即可满足要求金刚石的特性，不必使用昂贵的钴基合金催化剂。

对催化剂金属粉末的纯度和表面状况有严格要求，纯度必须足够高且表面不被氧化。我们用进口金属粉和国产金属粉做了对比测试，效果差别很大。同等条件下，产量相差30%~50%。

3.3 石墨与催化剂成分配比的选择

我们对粉状石墨和粉状催化剂的比例进行了较大的调整试验。催化剂与石墨的重量比范围为 70:30 至 30:70，分别合成和测试。我们知道，用片状原料生产常规金刚石磨料时，催化剂比石墨多，而用粉末原料生产的自锐金刚石的测试结果表明，比例正好相反。 以θ20mm型腔为例，多批次试验结果表明，石墨与催化剂的重量比为40：60。单颗产量不超过20克拉；当重量比约为60:40时，单颗产量可达30克拉左右。

4 合成棒与合成块组装方法的实验研究

粉体原料加工工艺的主要步骤如下：

配料-混合-预压成型 一次真空干燥，一次组装，一次干燥，一次备用。

合成自锐金刚石使用由粉状原料预压而成的合成棒和块。基于顶级合成棒的优点，设计了4种结构并进行了优化实验。其结构如图3所示。

1号和2号的作用是防止合成棒两端温度过低； 5号与石墨片接触，可有效防止钢帽被熔炼，从而防止“射门”； 7号缠绕合成棒，防止外界介质污染合成棒； 8号是合成杆，由预压制成的两个气缸上下相连。与一次性压制的整体式合成棒相比，这种结构有利于两端和中间的密度更均匀。

这样的结构减少了轴向和径向之间的压力差和温差，基本实现了在整个合成棒的各个部分可以比较均匀地生产金刚石。这种组装方式是目前国内应用最广泛的粉末原料组装方式。

5 CSD金刚石合成工艺参数的实验研究

针对合成CSD自锐金刚石的特殊要求，合成压力、温度、时间等参数以及参数和参数系统，包括启动加热压力、悬浮时间等参数和参数系统。分段加压过程中的压力、保压压力、启动加热功率、暂停动力、组合保压动力、暂停时间、保压时间等分别进行选择和选择。整体优化组合测试。试验结果表明，生长CSD自锐金刚石的合成工艺参数与合成常规金刚石磨料的工艺参数不同。主要区别在于：合成压力略高（P≈5.5GPa）；合成温度略低（t≈1450℃）：合成时间大大缩短，实际生长有效时间约为13min，暂停时间也相应缩短，在0~60s时间之间；单次合成时间为4~5min，包括合成前后升压、减压等辅助时间。

以6×10MN六面顶压θ20mm型腔为例，合成金刚石主要参数如下：

合成压力（表值）：95～105

合成功率（表值）：50～60

合成周期（分钟）：4～5

同等条件下，如果合成时间在1分钟以内，产品的大部分粒径都在微米范围内；如果合成时间继续延长，产品粒度将超过微粉范围，成长为常规粒度金刚石磨料，但单次产量并没有明显增加（见表1）。

基于对原辅材料、组装方法、合成工艺数量的优化实验研究，几批小批量生产验证取得了良好的效果。以θ20mm合成棒为例，6批次生产统计结果表明，CSD磨料平均单次产量达到30克拉左右，石墨转化率达到80%左右（见表2）.

6 个结论

实验研究表明，选用合适的粉状石墨和催化剂为原料，采用合适的组装方法和合适的合成工艺，在国产六面顶压机上可以生产出CSD自锐金刚石磨料。该新产品的颗粒为团聚结构，颗粒形状等面积，表面粗糙、不均匀，与结合剂的结合力强。在研磨过程中，CSD磨料以微刃破碎，锋利耐用。是RVD的换代产品，值得推广应用。

（超硬世界）