PCD拉絲模坯材料微結構對比分析研究①

鄧福銘,盧學軍,,馮利斌,張華,劉代潤,曾蘇民

(1.中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所北京100083;2.北京迪蒙特佳工模具技術有限公司北京100083)

PCD拉絲模坯材料微結構對比分析研究①

鄧福銘1,盧學軍1,2,馮利斌1,張華1,劉代潤2,曾蘇民1

(1.中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所北京100083;2.北京迪蒙特佳工模具技術有限公司北京100083)

文章對國內外典型PCD拉絲模坯材料進行了SEM觀察、EDS能譜分析和XRD物相分析,研究了國內外產品在微觀結構和成分上的差距,結合拉絲模實際拉絲效果探討了其微觀結構與性能的關系,并提出為開發國產高檔PCD拉絲模坯材料,應注意盡量減小其晶粒尺寸、優化粘結劑組分以及提高粘結劑的分布均勻性。

拉絲模;聚晶金剛石(PCD);微結構

2 測試分析方案

本實驗選取國內外普遍應用的具有代表性的拉絲模坯材料生產商提供的同一型號的PCD拉絲模坯作為研究對象(見表1)。首先采用BDM T-JP903型聚晶金剛石鏡面拋光機對拉絲模坯樣品進行機械研磨拋光處理,使其表面達到鏡面;然后采用日本日立公司生產的S-3400N型掃描電子顯微鏡對聚晶金剛石拉絲模坯材料樣品進行表面形貌觀察,并采用EDS能譜分析樣品中的粘結劑組分;最后采用日本R igaku公司生產的D/m ax-rA 12kw型X射線衍射儀對所選樣品進行物相分析。

表1 國內外PCD拉絲模樣品的選取Table 1 The sample selectionof the typical PCD wire drawing die materials

3 結果與討論

3.1 PCD拉絲模坯微觀形貌SEM觀察分析

圖1是三種PCD拉絲模坯材料樣品的掃描電鏡觀察結果。圖中黑色部分是金剛石,白色部分是粘結相。從圖中可以看出,三個樣品PCD中粘結相基本上呈線條狀和絮狀較均勻地分布在金剛石周圍,不同廠家生產的PCD拉絲模坯材料的晶粒大小明顯不一樣,其粘結相的分布均勻性也有所不同。其中以1#PCD拉絲模坯樣品中的金剛石晶粒最粗大、2#樣品次之、3#樣品的晶粒最細小。進一步觀察統計結果表明,1#、2#和3#PCD拉絲模坯樣品中金剛石晶粒大小分別為5～10μm、2～5μm和≤1μm。從圖1中還可以看出,三個樣品中金剛石晶粒間均形成了D-D直接結合,并互相連成網絡骨架結構。其中以3#樣品中的金剛石晶粒D-D結合最充分、1#樣品次之,2#樣品雖然也形成了網絡骨架結構,但其D-D結合網絡骨架結構不均勻,局部粘結相成團致區域網絡骨架結構被中斷。1#樣品粘結相以葉脈狀分布在金剛石晶粒間界、粘結相分布較均勻;3#樣品中粘結相以星點狀分布在金剛石晶粒三叉晶界處、其分布區域小且較為均勻;2#樣品中粘結相以大小不均勻的團塊狀分散其金剛石D-D結合網絡骨架之外,且粘結相分布不均勻,從圖中可看出其相對含量較高(白色區域相對面積大)。

圖1 國內外典型PCD拉絲模坯SEM形貌照片:(a)1#;(b)2#;(c)3#樣品Fig.1 SEM morphology of the typical PCD wire drawing diematerials(a)No.1 sample,(b)No.2 sample,(c)No.3 sample

3.2 PCD拉絲模坯中粘結相成分EDS分析

對上述三種典型PCD拉絲模坯樣品中粘結相(即白色部分)進行EDS能譜分析,其分析結果如圖2～圖4所示,相應的EDS分析數據列于表2。

圖2 1#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結果(a)EDS分析位置;(b)相應的能譜分析圖Fig.2 The EDS analysis results of the sample No.1(a)area,(b)result

圖3 2#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結果:(a)EDS分析位置;(b)相應的能譜分析圖。Fig.3 The EDS analysis results of the sample No.2(a)area,(b)result

圖4 3#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結果:(a)EDS分析位置;(b)相應的能譜分析圖。Fig.4 The EDS analysis results of the sample No.3(a)area,(b)result

表2 典型PCD拉絲模坯樣品EDS能譜分析結果/w t%Table 2 The EDS analysis results of the typical PCD wire drawing diematerials/wt%

由表2可以看出,三種不同PCD拉絲模坯樣品中粘結劑組分不同,但均含有Co元素。1#樣品Co含量遠高于2#和3#樣品,為55.46w t%,還含有微量的Fe、M o。可推斷1#PCD拉絲模坯材料可能主要以Co作粘結劑,其中微量的Fe可能來源于金剛石微粉原料中未處理干凈的觸媒金屬包裹體,而M o可能是由其屏蔽材料M o杯高壓高溫燒結擴散所致。2#樣品的Co、M n、Fe含量較高,可能是以Co-Fe-M n作粘結劑,其中的微量元素Si、A l、C r可能來源于其高溫高壓合成傳壓密封材料。3#樣品中W含量特別高、其次是Co,表明其粘結劑中可能添加了硬質合金粉末或W粉和Co粉,而其微量元素Si、A l、C r、T i含量均相對較高,說明其高壓高溫燒結過程中使用的屏蔽材料的屏蔽效果欠佳。上述三個樣品分析結果中較高的C含量主要是由于能譜分析區域中周邊金剛石造成的。上述EDS分析結果表明,各廠家生產的PCD拉絲模坯材料不僅使用的粘結劑不同、金剛石原料不同,而且其高溫高壓合成腔體結構及使用的材料也不相同,這直接影響了燒結PCD拉絲模聚晶金剛石結構與性能,從而影響其拉絲模的實際使用效果。

3.3 PCD拉絲模坯XRD物相分析

三種不同典型PCD拉絲模坯樣品的X射線衍射分析結果見圖5。從圖中可以看出1#PCD拉絲模坯樣品中的主要物相是金剛石和鈷;2#PCD拉絲模坯樣品中除金剛石和鈷物相之外,還存在少量FeN i合金相;3#PCD拉絲模坯樣品中主要物相有金剛石、W C及鈷,且其W C、Co相含量不低。三種PCD拉絲模坯樣品的X射線衍射分析圖譜中均未出現明顯的(002)石墨峰。說明PCD拉絲模坯材料高壓燒結不存在石墨化殘留。

通過對國內外PCD拉絲模的實際拉絲使用壽命統計得出,在拉拔鋼絲、焊絲等硬絲時,國內PCD拉絲模產品與國外產品的平均使用壽命比為1∶2;在拉拔銅絲、鋁絲等軟絲時,國內PCD拉絲模產品與國外產品的平均使用壽命比為7∶10。這一使用效果很大程度上可能與上述典型PCD拉絲模的微觀結構不同有關。國外2#和3#PCD拉絲模坯金剛石晶粒相對國內產品普遍要細,且組織也相對均勻一些。此外,隨著晶粒細化,要考慮相應改進粘結劑配方問題。因為PCD拉絲模坯材料性能,除了與其燒結聚晶晶粒尺寸大小有關外,主要還與其添加劑的種類有關。由此我們提出開發國產高品質聚晶金剛石拉絲模坯應考慮優選金剛石原料,盡量細化晶粒,優化粘結劑組分,還應通過改善聚晶金剛石高壓燒結工藝,使合成的聚晶金剛石拉絲模坯中組織均勻。

圖5 國內外典型拉絲模坯XRD分析Fig.5 XRD spectrum of the PCD wire drawing die materials for sample:(a)No.1,(b)No.2,(c)No.3

4 結論

(1)同一型號、不同廠家生產的PCD拉絲模坯產品中,其金剛石晶粒大小及粘結劑種類、含量存在差異。國外PCD拉絲模坯中金剛石晶粒細小,其平均粒度ㄑ5μm;國內PCD拉絲模坯中晶粒較粗大,其粒度為5～10μm。

(2)國內外PCD拉絲模坯中粘結劑成分都含有Co,但國內產品中粘結劑基本為Co;國外產品中除主要粘結劑Co之外,還含有W、M n、Si、T i等成分。國外中細顆粒PCD拉絲模坯中的主要物相有金剛石、Co,與國內粗顆粒產品基本相同、但細顆粒PCD拉絲模坯中的物相除金剛石、Co之外,還有W C相。

(3)國內外生產的典型PCD拉絲模坯材料不僅使用的粘結劑不同、金剛石原料不同,而且其高溫高壓合成腔體結構及使用的材料也不相同,這直接影響了燒結PCD拉絲模的聚晶結構與性能,從而影響拉絲模的實際使用效果。

(4)國內PCD拉絲模產品在今后的發展中,應通過使聚晶金剛石中晶粒細化,改變粘結劑中成分、含量及分布等來提高PCD拉絲模坯的品質。

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Study on microstructure of the typical polycrystalline diamond(PCD)wire drawing diem a terials

DENG Fu-ming1,LU Xue-jun1,2,FENG Li-bin1,ZHANG Hua1,LIU Dai-run2,ZENG Su-min1
(1.Institute of Super-hard Cutting Tool Materials,China University of mining and Technology(Beijing),Beijing 100083;2.Beijing diamond Best Cutting Too l and Wire Drawing Dies Technology Limited Company,Beijing 100083)

Typical PCD wire drawing die materials made in domestic and ab road were analyzed by SEM,EDS and X-Ray diffraction analysis.The differences both in microstructure and component of the samples were found.Relation between the microstructure and wire drawing property was discussed according to their actual wire drawing life.To improve domestic PCD products,our manufacturers should pay more attention to reducing the g rain size of diamond,improving the type and con tent of the binder and their distribution.

wire drawing dies;polycrystalline diamond(PCD);m icrostructure

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0001-05

1 前言

雖然從上世紀80年代起我國開始了聚晶金剛石(PCD)拉絲模的應用開發研究,而且近年來隨著我國拉絲行業的技術進步,PCD拉絲模在行業內得到了越來越廣泛的應用[1]。但是國內PCD拉絲模產品的實際使用性能與國外產品還存在不小的差距[2-5],這主要是由于國內拉絲模坯材料制備技術及拉絲模的制造工藝技術與國外相比仍存在較大差距。近年來人們對PCD拉絲?？仔徒Y構設計及拉絲過程的工藝控制方面的研究較多[6-16],而對PCD拉絲模坯材料本身的研究卻很少[17-18]。隨著拉絲行業的不斷發展,目前國內線材工業生產中拉絲模的孔型結構及加工工藝已經基本趨于一致,然而不同廠家拉絲模生產出來的產品性能及模具使用壽命方面還存在不小的差距。為此我們把注意力轉移到對拉絲模坯材料本身的微觀結構及性能的比較研究上。眾所周知,材料內部的物質組成、結構及表面形貌特征決定了其物理力學性能鍵[19-20],本文通過選取國內外三種典型聚晶金剛石(PCD)拉絲模坯材料,對比研究其微觀形貌和顯微組織結構,并結合其拉絲模實際使用情況,分析國內外產品存在的差距,為開發國產高檔PCD拉絲模坯材料進一步明確具體研究目標。

2010-08-10

鄧福銘(1963-),男,中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所所長,教授/博士生導師,長期從事超硬材料及超硬工模具的研究與開發。Em ail:d fm@cum tb.edu.cn。

北京市科技人員服務企業行動計劃項目(2009GJA 00033)