CN105110327A - 一种超硬磨料表面高洁净处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其将人造金刚石微粉置于温度在435－460℃的管式加热炉内保温30min以上，管式加热炉内空气和氧气的通气量均为2升/分钟，保温结束后冷至室温，用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗人造金刚石微粉，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得；或者其将立方氮化硼微粉用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得。该方法通过富氧空气条件下加热除石墨和超纯水清洗实现超硬磨料表面的高度清洁，适用于超硬磨料标准样品制备、表面镀覆、聚晶制造等表面洁净度要求较高的情况。

Description

一种超硬磨料表面高洁净处理方法

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种超硬磨料表面高洁净处理方法。

背景技术

人造金刚石是由石墨和催化剂金属的混合体在高温高压条件下经人工合成所得，其中的提纯工序是经电解法除去催化剂金属、酸溶法除金属、物理剥离法除石墨、（氧化性）酸溶法除石墨、碱熔法除叶蜡石、氟化物溶解法除叶蜡石、水洗至中性等一系列过程，最终得到杂质含量符合要求的产品。

普通人造金刚石产品表面均有一定的杂质残留，经过试验可以确认：残留物一般为石墨和无机盐类。这些杂质含量很低以至于一般的杂质检验方法不能检出，对许多下游产品质量的影响也不明显。在40倍显微镜下观察不到，把金刚石浸入水中，水的pH值显示为中性。在高纯水中浸泡金刚石时，水的电导率明显上升可以感知金刚石表面电解质的残留。当用高纯水多轮浸泡金刚石达到一定量时，水中的硫酸根离子或硝酸根离子可以用化学方法检出。

人造金刚石的部分应用对表面洁净度要求较高，如制备人造金刚石标准样品、金刚石表面镀覆、合成金刚石聚晶和其它一些高档工具产品时，人造金刚石表面的微量杂质成为影响产品质量的主要因素之一。不少金刚石聚晶生产者已经认识到金刚石表面清洁度对产品组织结构缺陷和影响产品性能的重要性并采取了一定的措施提高表面清洁度，但目前对清洗用材料、清洗方法和清洗质量控制仍缺乏一个系统的方法，成为制约我国相关产品质量档次和质量稳定性的关键因素之一。

金刚石提纯时，大量的石墨一般都通过各种物理剥离法除去，剩余少量的石墨多采用煮硫硝混酸法或煮高氯酸法除去，但其操作环境恶劣，产生大量废气、废水。近年来，有个别厂家尝试用盐类氧化剂代替酸类氧化剂的方法或加入氧化催化剂的方法减少了废气排放，但仍存在废水废渣困扰。因此，寻找一种绿色的除碳方法是人造金刚石提纯工作者的一个梦想。

空气中因含有氧气而具有氧化性，利用人造金刚石在空气中的氧化起始温度和石墨在空气中的氧化起始温度之差可以除去金刚石表面的石墨。试验发现，此种方法的除石墨作用虽可以通过氧化失重得到证实，但实际生产上却行不通，原因之一是石墨氧化的速度过慢，除去石墨需要数日乃至数月时间，这是工业生产效率所不能承受的。另一个原因是长时间的加热会降低人造金刚石的强度。提高空气中的含氧量可以增强其氧化性，如在空气中熔融的钢水可以逐渐冷却凝固，但在纯氧气中可以轻松的用火柴将铁丝点燃。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种超硬磨料表面高洁净处理方法，该方法通过富氧空气条件下加热除石墨和超纯水清洗实现超硬磨料表面的高度清洁，适用于超硬磨料标准样品制备、表面镀覆、聚晶制造等表面洁净度要求较高的情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其将人造金刚石微粉置于温度在435－460℃的管式加热炉内保温30min以上（优选30－120min），管式加热炉内空气和氧气的通气量均为2升/分钟，保温结束后冷至室温，用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗人造金刚石微粉，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得。

或者，一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其将立方氮化硼微粉用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得。

本发明所述超硬磨料表面高洁净处理方法，其在人造金刚石提纯至符合现有产品标准基础上进行：用富氧空气加热法清除人造金刚石表面残留的微量石墨；然后用超纯水清洗至清洗水电导率小于0.5μs/cm。

本发明方法利用金刚石和石墨（在空气中）氧化温度差原理、氧气含量提高对氧化的促进作用原理以及人造金刚石对温度承受力的研究结果，用富氧空气加热法清除人造金刚石产品残存的痕量石墨，并用超纯水清洗除去表面残存的痕量盐类电解质。

依据空气中含氧量增加、氧化性提高的原理，试验得到了如下数据：

注1：人造金刚石粉体颗粒直径为28~41μm，试样量为500ct，试样分别预先在600℃、通入4升/分钟纯氧净化处理30分钟、以及600℃、真空度为10^-4真空净化处理30分钟；

注2、石墨粉为合成人造金刚石芯柱经电解法除金属后用物理剥离法得到的石墨粉，颗粒直径≤40μm，试样量为100克，试样预先经600℃、真空度为10^-4真空净化处理30分钟。

经过充氮气条件下加热及人造金刚石的强度（抗压强度、冲击韧性）测试，下表所示的加热时间内未发现强度下降。

其它相关试验证明：在含氧比例相同的情况下，增大气体流量，未发现氧化起始温度的变化。通气量不变的情况下，无论人造金刚石粉还是石墨粉，在氧化起始温度以上，加热温度每升高10度，氧化速率均提高一倍以上。加热温度和通气量相同时，改变样品颗粒尺寸，可以降低氧化起始温度和提高氧化速率。

通过以上分析得到用富氧空气氧化清除石墨制备高洁人造金刚石的适宜条件为：温度：435～460之间，通气量：空气和氧气各2升/分钟（氧气量过大时，因温度差过小，易因加热炉温度波动造成人造金刚石烧蚀或强度下降）。当人造金刚石的混合粒度进行提纯时，以其中最细的粒度段选择工艺。

人造金刚石或立方氮化硼的超纯水清洗：超纯水的来源，可用市售饮用去离子水为原水，再经蒸馏和超纯水机过滤得到，水质可用电导率仪测量，其电导率应小于0.2μs/cm（纯水的理论电导率常温下为0.0547μs/cm，1μs/cm=0.5ppm硬度单位，硬度在30ppm以下称为软水）。其中超纯水过滤机须与高洁清洗间同处一室，现制现检现用，避免倒换容器和长期放置，以保证水质。

现有除碳技术方案按氧化剂状态可分为固态氧化剂型、液态氧化剂型（含溶液和熔融）、气态氧化剂加固态催化剂型、气态氧化剂加液态催化剂型。本申请采用纯气态的氧化剂，渗透性最好，除碳不留死角，可以实现最大限度的表面洁净；且不产生任何污染，属环保型工艺；本申请通过对清洁用水的控制、及清洗终点的控制使人造金刚石或立方氮化硼表面可溶性杂质残留量达到最少量。高洁清洗可提高人造金刚石或立方氮化硼标准样品（标准物质）检测精度和镀覆类、聚晶类产品的成键密度，从面提高产品品质。

本申请适用于人造金刚石成品的精提纯，石墨含量在0.1%以下，在40倍显微镜下不能有可见的石墨颗粒，不适用于含大量石墨的金刚石的粗提纯。本申请适用于颗粒直径≥2μm的人造金刚石产品。石墨含量过高或颗粒尺寸过细的人造金刚石用本申请方法清洗时虽有效果，但因周期过长而失去工业生产价值。本申请也适用于立方氮化硼成品的精提纯，因立方氮化硼表面不含有石墨成份，只进行高纯水清洗即可。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种人造金刚石微粉（产品颗粒尺寸为20－28μm）表面高洁净处理方法，包括如下步骤：

1）把人造金刚石微粉装入石英舟内（每舟1000－5000ct），用不锈钢丝做的送样钢丝将石英舟送入管式加热炉内。说明：出气口端盖上的接头用氧气管通往室外，注意室外10米内不能存放易燃物。进气口端盖分别连接氧气瓶（加装隔膜阀和氧气流量计）、空气贮气罐（加装隔膜阀和空气流量流量计并连接空气压缩机）；

2）设定升温曲线（室温升至460℃耗时30分钟、460℃保温120分钟），运行加热程序。温度升至460℃时开启空气隔膜阀和氧气隔膜阀，并调整空气流量为2升/分钟，氧气流量为2升/分钟；

3）加热程序结束后，打开管式加热炉端盖，冷却30分钟后用送样钢丝取出石英舟，送至清洗室冷至室温；

4）将冷至室温的人造金刚石微粉倒入5000ml烧杯，每杯加料约1000ct；

5）每杯每次加超纯水（电导率小于0.2μs/cm）量为烧杯容积的3/4，用玻璃棒搅拌后静置；

6）5分钟后，人造金刚石微粉全部沉入烧杯底部，用玻璃虹吸管把水抽出；

7）重复步骤5）和6）的操作，从第四次清选开始，玻璃虹吸管抽出的水取样用电导率仪检测，直至清洗水（即玻璃虹吸管抽出的水）的电导率小于0.5μs/cm为止。

清洗完成后，人造金刚石微粉直接用清洗的烧杯加盖表面皿后放入烘箱烘干，不能倒换容器。烘干后装入用超纯水清洗过的塑料盒内。清洗过的人造金刚石微粉表面用拉曼光谱作定性分析，结论为石墨结构物质无检出。

实施例2

一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其将人造金刚石微粉替换为制造金刚石复合片用人造金刚石粉剂（产品颗粒尺寸为5－10μm）；步骤2）中温度460℃更改为445℃；步骤6）中5分钟更改为30分钟；其它同实施例1。

清洗过的人造金刚石粉剂表面用拉曼光谱作定性分析，结论为石墨结构物质无检出。

实施例3

一种超硬磨料表面高洁净处理方法，所述超硬磨料为制造立方氮化硼复合片用立方氮化硼微粉（产品颗粒尺寸为20－28μm），其包括如下步骤：

1）将立方氮化硼微粉倒入5000ml烧杯，每杯加料约1000ct；

2）每杯每次加超纯水（电导率小于0.2μs/cm）量为烧杯容积的3/4，用玻璃棒搅拌后静置；

3）5分钟后，立方氮化硼微粉全部沉入烧杯底部，用玻璃虹吸管把水抽出；

4）重复步骤2）和3）的操作，从第四次清选开始，玻璃虹吸管抽出的水取样用电导率仪检测，直至清洗水（即玻璃虹吸管抽出的水）的电导率小于0.5μs/cm为止。

清洗完成后，立方氮化硼微粉直接用清洗的烧杯加盖表面皿后放入烘箱烘干，不能倒换容器。烘干后装入用超纯水清洗过的塑料盒内。

Claims (2)

1.一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其特征在于，将人造金刚石微粉置于温度在435－460℃的管式加热炉内保温30min以上，管式加热炉内空气和氧气的通气量均为2升/分钟，保温结束后冷至室温，用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗人造金刚石微粉，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得。

2.一种超硬磨料表面高洁净处理方法，其特征在于，将立方氮化硼微粉用电导率小于0.2μs/cm的超纯水清洗，清洗至清洗水的电导率小于0.5μs/cm即得。