金剛石復(fù)合片耐磨性研究①

陳 超，林 峰，盤玉英，秦建新，張莉麗，馮吉福

（1.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林541004）

1 引言

金剛石作為自然界已知最硬的材料，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。1973年美國G.E公司成功地研制出聚晶金剛石復(fù)合片，引起了世界各國的廣泛關(guān)注［1-7］。聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）由金剛石微粒與硬質(zhì)合金基體在高溫高壓下燒結(jié)而成，避免了單晶的各向異性，克服了單晶金剛石受沖擊易解理破損的缺陷，硬質(zhì)合金基底則具有良好的韌性，二者結(jié)合使PDC在切削加工、木材加工和鉆探等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用［7-14］。由文獻［15］可知，根據(jù)使用要求以及檢測的方便性，將耐磨性，耐熱性，光潔度與抗沖擊韌性作為衡量PCD質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)，其中磨耗比與晶粒度是常用的重要指標(biāo)，因為磨耗比越大，使用壽命越長。耐磨性是衡量PDC質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。PDC的耐磨性是指PDC的聚晶金剛石層在切削、鉆井、修整砂輪等過程中抗磨損的能力。但迄今為止國際上也投有制訂統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，幾個主要PDC生產(chǎn)國均有其自己的測試方法。采用何種方法和評價指標(biāo)才能比較準(zhǔn)確和有效的表征PDC的耐磨性成為當(dāng)前PDC研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠家關(guān)注的問題。本文采用修整砂輪的方法測試PDC的耐磨性。在PDC的高溫高壓合成中，影響其耐磨性的因素諸多。本文系統(tǒng)地研究了燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、金剛石粒度對PDC磨耗比的影響，得到了燒結(jié)效果較好樣品的燒結(jié)參數(shù)。

2 試驗過程

試驗是在6×1200噸鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C上進行的，燒結(jié)壓力是通過測定銀的高溫相變點確定的，燒結(jié)溫度的測量是采用10%Pt～30%Rh熱電偶直接測量的。燒結(jié)壓力恒定（5.3±0.2GPa）的情況下，燒結(jié)溫度在1500～1800K之間。在合成工藝的范圍內(nèi)，按不同加熱溫度（T1、T2、T3、T4）和不同加熱時間（2min、4min、6min、8min、10min）合成出直徑為14mm的樣品。合成試驗組裝如圖1所示：

根據(jù)JB／T3235-1999標(biāo)準(zhǔn)，在JS71-A型磨耗比測定儀上對PDC樣品進行磨耗比檢測，之后對樣品進行750℃高溫處理，自然冷卻，再次對樣品進行磨耗比測試，比較高溫處理前后樣品磨耗比的變化情況。磨耗比測試如圖2所示：

測量PDC磨耗比所使用天平為萬分之一精度的電子天平，測量前后均使用丙酮清洗，并烘干。測試時注意事項如下：（1）采取磁屏蔽措施，盡可能減少PDC磁場對電子天平的影響，或者給PDC去磁。（2）采用多次重復(fù)稱重的方法，并用平均值或其它統(tǒng)計技術(shù)來確定PDC的重量。（3）為了能更準(zhǔn)確地進行稱量，可在天平內(nèi)增加一個小的稱量腔，以盡量減少空氣流動對稱量的影響。（4）加大PDC的磨削量。另外還通過掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM-6460LV）觀察了樣品表面高溫處理前后的微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 高溫高壓合成試驗組裝Fig.1 Sample assembly for synthesis at HPHT

圖2 磨耗比測試示意圖Fig.2 Sketch map for testing wear resistance

3 結(jié)果與討論

根據(jù)金剛石生長的基本原理，金剛石的燒結(jié)需要在觸媒金屬與碳的低共熔線以上、金剛石的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)完成，因此本實驗在高于5GPa、1250℃進行。

圖3為燒結(jié)溫度與PDC燒結(jié)體磨耗比的關(guān)系曲線。在較低燒結(jié)溫度下，燒結(jié)體的磨耗比偏低，隨著燒結(jié)溫度的增大而增加，且當(dāng)溫度大于T3時，樣品的斷口呈碳黑色，有過燒的跡象。在恒定燒結(jié)壓力情況下，燒結(jié)體的磨耗比隨燒結(jié)燒結(jié)溫度的提高很快增大，并且達到某一最大值后開始減小。結(jié)合金剛石-石墨的相圖，本文認為，在一定的燒結(jié)壓力下，樣品處于石墨的穩(wěn)定區(qū)，金剛石未出現(xiàn)石黑化現(xiàn)象，磨耗比隨溫度增大；溫度繼續(xù)升高，金剛石開始出現(xiàn)石黑化現(xiàn)象，所以樣品的磨耗比又隨溫度的增大而減小。在圖1中由于在超高壓下（5.3GPa），鈷—碳共晶點溫度為1336℃［7］，本試驗燒結(jié)溫度T1、T2低于此溫度點，此時鈷—碳共晶液尚未形成，鈷熔滲過程尚未開始，但鈷的擴散已經(jīng)開始，燒結(jié)已經(jīng)成型，再經(jīng)過750℃的高溫處理后，可能有再燒結(jié)的作用，即二次燒結(jié)，PDC耐磨性有所增加。而由較高溫度下燒結(jié)出的樣品再經(jīng)過高溫處理后，金剛石出現(xiàn)石墨化，故耐磨性有明顯下降。

圖3 溫度與PDC磨耗比的關(guān)系（P=5.3GPa，t=6min）Fig.3 The relationship of temperature and PDC G-ratio（P=5.3GPa，t=6min）

圖4 燒結(jié)時間與PDC磨耗比的關(guān)系（P=5.3GPa，T=T3）Fig.4 The relationship of heating time and PDC G-ratio（P=5.3GPa，T=T3）

眾所周知，燒結(jié)時間是金剛石燒結(jié)工藝中另一重要參數(shù)。圖4為在T3、5.3GPa的條件下，燒結(jié)時間與PDC燒結(jié)體磨耗比的關(guān)系曲線。在較短的時間里，金屬剛開始熔融，燒結(jié)還沒有來得及開始就被中斷。通過保持足夠長的合成時間可以使粘接劑起充分的作用，D-D結(jié)合（如圖5）形成的過程才能充分完成，在這種區(qū)域中，金剛石組織已分辨不出原料晶粒的輪廓，金剛石交錯生長在一起，連成一片，結(jié)構(gòu)相當(dāng)致密，燒結(jié)出較高質(zhì)量的樣品。金剛石復(fù)合片內(nèi)部的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)是決定其物理力學(xué)性能的關(guān)鍵。從圖5（圖中白色區(qū)域表示鈷，黑色區(qū)域表示金剛石顆粒）可以看出：金剛石顆粒排列緊密，具有較好的致密性；顆間界只有少量的鈷液被排擠在晶粒間隙處，相互結(jié)合比較好，呈葉脈狀分布于整個金剛石層，這也是金剛石復(fù)合片導(dǎo)電的原因。

圖5 PDC樣品表面SEM照片（P=5.3GPa，T=T3，t=6min）Fig.5 The SEM micrographs of the polished surface of PDC sample（P=5.3GPa，T=T3，t=6min）

當(dāng)燒結(jié)壓力、溫度恒定時，在充分的燒結(jié)時間內(nèi)，粘接劑在高溫高壓作用下滲入粒間充當(dāng)傳壓介質(zhì)和助溶劑，促使金剛石晶粒表面碳原子經(jīng)過溶解，擴散和調(diào)整形成粒間的D-D結(jié)合，樣品的磨耗比隨之增加。但隨著燒結(jié)時間的延長，熔融金屬中碳的過飽和度過大，使金剛石C-C鍵形成過快，燒結(jié)體中的缺陷增多，又使樣品的磨耗比降低。經(jīng)750℃高溫處理后，燒結(jié)時間短的樣品磨耗比增加，是因為該時間內(nèi)粘接劑與金剛石反應(yīng)不充分，燒結(jié)不完全，經(jīng)過高溫二次燒結(jié)，可以輕微彌補高溫高壓下燒結(jié)不足的問題，使樣品磨耗比增加，但增加量很小。同樣在較高燒結(jié)溫度下合成的樣品經(jīng)高溫處理后磨耗比有明顯降低，此時金屬鈷元素仍可作為金剛石反應(yīng)的催化劑，在高溫下金剛石與其重新反應(yīng)，使金剛石復(fù)合片整體耐磨性下降。總的來說，我們燒結(jié)出的PDC耐磨性較好，但耐熱性還沒有達到750℃，有待進一步研究。由圖3、圖4可以看出在T3溫度附近，燒結(jié)6分鐘磨耗比最高，是該工藝范圍內(nèi)的最佳值。

圖6 金剛石粒度與PDC磨耗比的關(guān)系（P=5.3GPa，T=T3，t=6min）Fig.6 The relationship of the original diamond particle size and the wear resistance ratio of PDC（P=5.3GPa，T=T3，t=6min）

金剛石復(fù)合片與其他超硬材料復(fù)合體一樣，隨著添加原材料的粒度的增加，耐磨性增加。金剛石粒度越大，粒間空隙也越大，就越有利于金屬流動。在粒度較粗的情況下，金剛石表面的清潔程度對金屬滲流的影響不大，這時滲流的主要推動力是外界的壓力。而在金剛石粒度較細的情況下，液態(tài)金屬本身對固態(tài)金剛石表面的潤濕作用便顯得比較重要，這種潤濕作用直接影響金屬向細粒金剛石層滲透的效果。圖6是金剛石粒度與PDC磨耗比的關(guān)系。在燒結(jié)條件為P=5.3GPa、T=T3、t=6min時，細粒度金剛石合成的復(fù)合片耐磨性明顯較低，有可能是在該條件下石墨化的緣故。

4 結(jié)論

試驗通過檢測樣品的磨耗比分析了燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、金剛石粒度對PDC耐磨性的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)時間的延長，PDC磨耗比呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，對樣品進行750℃高溫處理后發(fā)現(xiàn)，低溫或短時間燒結(jié)的樣品磨耗比有少量增加；而高溫、長時間合成的樣品高溫處理后磨耗比下降，高溫處理前后磨耗比變化較大。研究認為：實現(xiàn)金剛石顆粒之間鍵合是提高金剛石復(fù)合體質(zhì)量的關(guān)鍵，且金剛石D-D直接結(jié)合程度愈高，材料的耐磨性愈高。從圖5可以看出金剛石顆粒間有部分的D-D直接結(jié)合形成，用樣品做耐磨性測試得出其耐磨性為40×104。在金剛石的燒結(jié)過程中，因為金剛石顆粒間空隙的壓力相對較低，在超高壓和鈷液的毛細管力作用下，鈷液沿著金剛石顆粒間隙向金剛石層滲透，并越過金剛石層，隨著燒結(jié)時間的延長，鈷液便滲透到整個金剛石層，鈷的存在對晶粒之間大量D-D健的形成是至關(guān)重要的。D-D結(jié)合晶界結(jié)構(gòu)是通過在燒結(jié)過程中，鈷熔體中析出的金剛石碳原子，在原始金剛石接觸表面沉積生長彌合而形成的。在聚晶金剛石層中，這種D-D結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)不僅在平面上縱橫交錯而且在空間上交互相連，形成D-D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外，試驗也間接反應(yīng)了合成后的金剛石復(fù)合片內(nèi)部殘留的鈷元素對金剛石復(fù)合片的耐磨性及耐高溫性能的影響，它將在高溫下與金剛石重新反應(yīng)，使金剛石復(fù)合片整體耐磨性下降。試驗還確定了最佳的燒結(jié)工藝：P=5.3GPa、T=T3、t=6min，此時合成出樣品的磨耗比達到最大為40×104∶1。

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