鍍鈦金剛石制備金剛石聚晶的研究①

王連儒,王琰弟,馬紅安,賈洪聲,陳會,賈曉鵬,2

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012;2.河南理工大學材料科學與工程學院,河南焦作454000)

鍍鈦金剛石制備金剛石聚晶的研究①

王連儒1,王琰弟1,馬紅安1,賈洪聲1,陳會1,賈曉鵬1,2

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012;2.河南理工大學材料科學與工程學院,河南焦作454000)

在國產六面頂高壓設備上,以鍍鈦金剛石為原料,鎳基合金為燒結助劑,采用熔滲法成功制備了金剛石聚晶(PCD),通過掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Ram an)等測試方法,研究了不同燒結壓力和溫度對鍍鈦金剛石聚晶組織形貌的影響,與普通金剛石聚晶進行了物相成分及殘余應力的對比分析。實驗結果表明:燒結條件為5.4～5.6GPa,1350℃～1450℃下的鍍鈦PCD具有較高的致密性和機械性能;鍍鈦PCD的衍射峰中有N iM nCo、碳化鈦和T iM nC化合物。鍍鈦PCD相比普通的PCD表面殘余應力略大。

熔滲法;鍍鈦金剛石;金剛石聚晶

本文中,我們通過SEM、XRD、Ram an對制備的鍍鈦PCD樣品進行了表征和分析。

2 實驗

實驗采用鎳基合金作為燒結助劑,鍍鈦金剛石微粉為原料,把凈化后的鍍鈦金剛石微粉與鎳基觸媒封裝在鉬套內進行燒結實驗[8]。合成的壓力和溫度條件分別為4.9～5.8GPa,1200℃～1500℃。燒結時間為10～30min。組裝如圖1所示。燒結后的樣品表面及斷面凈化處理后,對其進行了SEM,XRD和Ram an分析。

圖1 金剛石聚晶合成組裝圖1,2-絕緣層 3-加熱石墨管 4-樣品 5-鉬Fig.1 Sample assembly for synthesis of PCD

3 實驗結果及分析

3.1 PCD的SEM分析

為了更好地說明各個條件對燒結鍍鈦金剛石聚晶組織形貌的影響,我們對處理后的鍍鈦金剛石微粉進行了SEM掃描,照片如圖2所示.從圖中我們可以發現,經過凈化處理后的微粉顆粒表層有很薄的金屬鈦層,其形狀不規則,棱角分明。

圖2 金剛石微粉初始形貌的SEM照片Fig.2 SEM photograph of diamond micro powder before experiment

圖3分別給出了在相同的溫度條件下,5.0～5.6GPa時鍍鈦PCD的SEM照片,圖中可以看出,高溫高壓下金剛石微粉發生了塑性形變,隨著壓力的提高,顆粒間的空隙減少。

不同壓力下合成PCD特性的對比研究表明,壓力越高,聚晶的致密度越大,耐磨性能也相應的提高。金剛石顆粒在高壓作用下,顆粒發生滑移重排,由原來的點接觸變成了面接觸,大的金剛石顆粒發生破碎,小顆粒嵌合在大顆粒之間的空隙中,是致密性提高的一個原因,同時,一些溶解在金屬溶劑中的碳在過剩壓的驅動力下自發成核呈微晶填充在大顆粒間的空隙處并與之粘結生長在一起,形成D-D鍵,使得其各個顆粒間結合更牢固,耐磨性提高。

圖4我們可以清楚地發現,溫度過低,微粉表面的鈦層還沒熔化,即使粘結在一起,也是金屬間的結合,性能遠沒有D-D鍵結合的樣品好。隨著溫度的進一步提高,鈦層熔化,出現了金剛石間的直接接觸,圖4中1250℃～1450℃的樣品可以看出,鍍鈦金剛石微粉形貌已經發生很大變化,形成了顆粒間的相互連接,形成了大面積的金剛石與金剛石的直接結合的聚晶層。

圖3 不同燒結壓力下PCD的SEM照片Fig.3 SEM photographs of PCD sintered at different pressures

圖4 不同燒結溫度下制備樣品的SEM照片Fig.4 SEM photographs of PCD sintered at different temperatures

3.2 PCD的XRD分析

圖5是燒結的鍍鈦金剛石聚晶與燒結好的普通金剛石聚晶的XRD圖譜,燒結條件均為5.4GPa,1400℃。從圖中我們可以看出,鍍鈦PCD除了有普通PCD的衍射峰外,還有少量的N iM nCo、T i x Cy和T iM nC化合物衍射峰出現。燒結助劑中含有NiMnCo成分是其衍射峰出現的原因。有關報道[9]中提到,微粉表面鍍鈦,鈦層與D粉之間的結合形式十分接近T iC或T i8C5的晶體結構,從XRD結果可以得出,合成的PCD中同樣存在T ixCy以及其它的碳鈦錳金屬化合物,T ixCy的存在可能是微粉在合成聚晶的過程中,表面的鈦層有極小部分未脫層,仍然保持其原有的結構,或是金剛石在溶解析出的過程中C再次與T i發生反應生成的。而T iM nC化合物的出現充分說明微粉在燒結過程中,鈦層與金剛石顆粒間的結合已經斷開,D粉在金屬助劑中溶解析出的過程中也伴隨著鈦層與金屬助劑間的結合。而恰恰是這些金屬化合物的存在,使得PCD的致密性等性能得以提高。

圖5 普通金剛石聚晶和鍍鈦金剛石聚晶的XRD衍射圖譜Fig.5 XRD of normal PCD and Ti-coated PCD

3.3 PCD的Ram an分析

圖6 普通金剛石聚晶和鍍鈦金剛石聚晶的拉曼光譜Fig.6 The Ram an spectra of normal PCD and Ti-coated PCD

圖6是相同溫度及壓力條件下燒結樣品的Ram an光譜。從Ram an光譜中我們觀察到,無論是普通的PCD還是鍍鈦PCD光譜中,均沒有其他非晶相碳的Ram an峰(1500～1600cm-1),鍍鈦PCD的Ram an峰向高波數方向偏移,發生藍移。當材料中存在壓應力時,拉曼峰位發生藍移,可能在燒結過程中,鍍鈦微粉相對普通微粉燒結條件更為苛刻,時間要求更長,使得高壓下溫度積累過程變長,導致其內部應力較普通PCD要略大一些。鍍鈦PCD中缺陷雜質的存在也是引起其應力的原因。

4 結論

在高溫高壓條件下,采用鎳基合金作為燒結助劑,通過金剛石微粉顆粒間的再生長,成功地實現了鍍鈦金剛石聚晶的燒結。對實驗的不同制備參數對PCD的影響進行了研究,SEM結果表明,在實驗合成壓力條件下,最佳的溫度應控制在1350℃～1450℃。XRD表明在PCD樣品中有N iM nCo、T ixCy和TiMnC化合物衍射峰,Ram an光譜表明鍍鈦的金剛石聚晶殘余應力略大。

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Research on polycrystalline diamond with Ti-coated diamond

WANG Lian-ru1,WANG Yan-di1,MA Hong-an1,JIA Hong-sheng1,CHEN-hu i1,JIA Xiao-peng1,2
(1.State Key Laboratory of Super hard Materials,Jilin University,Chang chun 130012,China;2.Institute of Material Science and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In th is paper,we chose Ni-based alloy catalyst and studied the syn thesis of grown polycrystalline diamond(PCD)with Ti-coated diamond using infiltration way in China-type cubic hinge apparatus.PCD were successfully sintered finally.According to SEM,XRD and Ram an spectra,the influences of pressure and temperature on the morphology of polycrystalline diamond(PCD)with Ti-coated diamond were researched.The comparison of phase com position and residual stress to that of the normal PCD were also studied.The results show that compactness and mechanical properties are much better in the condition of 5.4-5.6GPa,1350℃-1450℃.NiMnCo、TiC and TiMnC diffraction peaks exisTiN the XRD of Ti-coated PCD and surface residual stress is a little bigger in T i-coated PCD than thaTiN norm alone on the basis of Ram an spectra.

in filtrating method;T i-coated diamond;polycrystalline diamond(PCD)

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0006-04

1 引言

金剛石單晶具有多種優異的性能,諸如最大的硬度,最高的熱導率,最寬的透光波段,聲速最快,抗強酸強堿,抗輻射,擊穿電壓高,載流子遷移率大等,已被廣泛應用于工業、科技、國防、醫療衛生等眾多領域,但是由于天然金剛石大單晶以及人工合成的寶石級金剛石大單晶價格昂貴,成本較高,還不能大規模地工業化應用,作為一種替代產品,金剛石聚晶(Po lycrystalline diamond,簡稱PCD)一直受到人們廣泛地關注[1-4]。金剛石聚晶的高硬度、高耐磨性以及良好的韌性是其它材料所無法比擬的,在刀具、拉絲模、測頭測爪等工具上的應用取得了良好的效果,是制作機械加工工具的一種理想原材料。理想的金剛石聚晶不但具有金剛石單晶優異的物理性能,而且還表現出金剛石單晶所不具備的各向同性的優點。同時,為了保護金剛石晶體原有的固有強度以及防止它的氧化,我們在金剛石晶體表面鍍一層金屬。這種方法,聚晶的使用壽命和效率都將大幅度提高。金剛石鍍金屬銅、鎳在工具中已有應用,我們應用鍍鈦金剛石。目前,金剛石鍍膜的研究大多在于界面間的研究[5-7],對于合成金剛石體材料方面的研究鮮有報道。

2010-08-12

王連儒(1985-),男,吉林大學超硬材料國家重點實驗室,碩士研究生,從事金剛石聚晶的合成研究。