不同鐵基合金助劑熔滲法制備PDC及其燒結形貌①

賈洪聲,魯銘,馬根龍,鄂元龍,徐仕翀,李海波賈曉鵬,馬紅安,鄭友進

(1.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室,吉林四平136000; 2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學院新型炭基功能與超硬材料省重點實驗室,黑龍江牡丹江157011)

不同鐵基合金助劑熔滲法制備PDC及其燒結形貌①

賈洪聲1,3,魯銘1,馬根龍1,鄂元龍1,徐仕翀1,李海波1賈曉鵬2,馬紅安2,鄭友進3

(1.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室,吉林四平136000; 2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學院新型炭基功能與超硬材料省重點實驗室,黑龍江牡丹江157011)

在高溫高壓條件下(5.6 GPa,1400℃),以不同鐵基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)為燒結助劑(熔滲質),采用高壓熔滲技術制備了金剛石復合片(PDC)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了PDC的燒結組織形貌,對鐵基合金的熔滲機制進行了探討。實驗結果表明,三種合金能夠均勻滲透金剛石層,與金剛石顆粒形成了致密交錯的網狀結構,PDC結合界面復合牢固。腔體的壓力差(δP)和溫度梯度即為合金熔滲的驅動力。

金剛石復合片;高溫高壓;鐵基合金;熔滲

1 引言

金剛石復合片(PDC),作為一種環保型高性能結構材料,具有金剛石的耐磨性和強度以及硬質合金的韌性和可焊接性,是一種優良的切削工具與耐磨材料,廣泛地應用于機械加工工具、石油與地質鉆頭等領域[1]。由于PDC材料具有一系列優異的性能和巨大的應用市場,國內外學者對其進行了廣泛深入地研究[2-5]。從實際金剛石工具應用上來看,提高金剛石聚晶層(PCD)跟基體的把持力即界面結合強度是目前優質金剛石工具主要關注的問題。熔滲法制備微米級PDC的方法具有很大的發展優勢和應用潛力[6,7]。其中,“熔滲質”的黏滯性且與基體和金剛石的浸潤性對PDC的燒結質量有重要的影響,因此對熔滲質(觸媒)的優選至關重要。鐵基合金作為燒結助劑具有以下優點:1)較高的力學性能,如抗彎強度、硬度;2)與鈷相比,對金剛石有較好的潤濕性;3)泊松比比鈷大,可成型性,可燒結性均好;4)成本低;5)對骨架材料(碳化物)的潤濕性好[8]。基于以上分析,本實驗采用三種鐵基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)作為燒結助劑,通過高溫高壓下的合金熔滲技術制備PDC,并考察其燒結形貌,最后討論鐵基合金的熔滲機制。

2 試驗及測試

實驗是在國產SPD 6×1200型六面頂壓機上進行的。選用厚0.4 mm的Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、Fe Ni36合金作燒結助劑,0.5 g/塊的金剛石微粉作原料(河南,飛孟金剛石工業有限公司,粒徑為5～10μm),Φ15×3.0 mm的YG 16碳化鎢作基體(濟南市冶金科學研究所)。燒結條件為5.6 GPa, 1400℃,保溫時間為5 min。采用一次到壓、快速到溫、后期再慢降溫的燒結工藝。實驗組裝示意如圖1所示,超高壓合成流程及工藝如圖2、圖3所示。對其制備的PDC樣品斷面的微觀組織形貌進行SEM (EMPA,JEOLJXA-8200)觀察分析。

圖1 PDC組裝示意圖Fig.1 Assembly schematic of PDC

圖2 高溫高壓合成實驗的流程圖Fig.2 The flow chart of high temperature and high pressure synthesis experiment

圖3 PDC燒結工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of sintering process of PDC

3 結果與討論

3.1 不同鐵基合金觸媒制備PDC的燒結形貌

實驗采用不同類型的鐵基合金作熔滲質,制備了Φ15 mm尺寸的PDC樣品,其微觀形貌如圖4所示。

實驗結果表明,控制合適的金屬粘結劑含量是合成優質PDC的重要條件之一,多余的金屬勢必會導致金剛石的逆轉化和晶粒及界間應力的增大,影響PDC材料的性能。而采用本實驗的方法,當金剛石和WC-Co層得到了所需的金屬含量后會趨于飽和,使得金屬趨于動態平衡,多余的金屬及雜質可以掃越排出,最后,鐵基燒結PDC樣品聚晶層中金屬粘結劑分布均勻,呈現致密粘結生長的形貌,界面通過過渡層交錯粘接,該過渡層區域存在富金屬及化合物的粘結相。同時,由于鐵基熔滲浸潤能力強,PDC樣品燒結時間短,能夠有效抑制晶體異常長大,樣品的完整率高,耐磨性也較好(104數量級以上),表面沒有針眼等宏觀缺陷。

圖4 不同鐵基合金制備的PDC的SEM圖Fig.4 SEM photos of PDC prepared by different iron-base alloy

3.2 金屬溶媒的熔滲機制

本研究采用的高壓熔滲技術區別于傳統的混合粉末法,為了討論PDC的燒結機制,筆者提供了簡單的熔滲模型,如圖5所示。從上至下依次為觸媒金屬源,密堆積的金剛石微粉及WC-Co基體。金剛石微粉之間由于是剛性接觸,晶體顆粒之間存在一些孔隙。該孔隙的大小取決于初始微粉的粒度。微粉粒度越大,孔徑越大。另外,高壓作用下,部分初始微粉的粒度還要進一步細化(高壓破碎),使得部分孔隙有一定程度的減小。

圖5 合金高壓熔滲模型圖Fig.5 The model of high pressure infiltration of the alloy

高溫高壓下金屬與金剛石碳達到共熔狀態,熔融的金屬被高壓擠入金剛石的孔隙中并不斷填充周圍的孔隙,金屬熔滲起始,熔融的金屬區為高壓區(PT),晶體顆粒之間的孔隙處為低壓力區(P0),與金剛石接觸的金屬層首先發生熔融。熔融的金屬與金剛石顆粒的孔隙之間存在著巨大的壓力差,即δP。該壓力差即為熔融金屬向金剛石微粉及基體內部熔滲的驅動力。在合成壓力的作用下,金屬溶劑向金剛石微粉孔隙處熔滲,將在極短的時間內滲透整個金剛石層和部分WC-Co基體層。在熔滲的動態過程中,正是由于金剛石的孔隙作為低壓區的存在,金屬溶液會一直向孔隙處熔滲下去。而基體在高溫高壓條件下也處于液相燒結狀態,WC顆粒間也會存在熔滲的金屬粘結劑成分。此時整個燒結體處在一種靜水壓環境。相比混合粉末的燒結方法,熔滲法提供的環境將有利于PDC的均勻燒結,同時金屬的熔滲過程也是掃越式排除金剛石表面雜質的過程,有利于金剛石顆粒間的粘結生長。

具體針對鐵基合金的熔滲行為,也可以用晶體生長的輸運原理來解釋,在熔體生長體系中,必須建立合理的溫度梯度分布,本實驗采用的腔體設計能夠提供適合的溫度梯度,能夠有利于金屬的擴散。另外,因為它的熱量輸運中的熱傳輸機制相聯系,應具有盡可能小的黏滯性,以利于溶質和能量的輸運,從而有利于溶質的擴散和結晶潛熱的釋放。它直接影響著物質在溶液中的擴散系數和固液邊界層的厚度,對溶質的輸運和結晶時雜質的排除都有很大的影響。本實驗選用的鐵基合金具有較低的黏滯性,能夠發揮其自身熔滲質的作用本質。

4 結論

鐵基合金作為熔滲質(觸媒),具有較好的浸潤擴散作用,實驗成功制備了生長型PDC材料;SEM結果表明,粘結相均勻地分布在PDC樣品中,結合界面有交錯粘結的過渡層結構;PDC燒結組織致密。在燒結過程中,腔體的壓力差(δP)和溫度梯度即為合金熔滲的驅動力。

[1] R.H.Wentorf,R.C.DeVries and F.P.Bundy,Sintered superhard materials[J].Science,1980,208:873-880.

[2] Dan Belnap,Anhony Griffo.Homogeneous and structured PCD/WC-Co materials for drilling[J].Diamond&Related Materials,2004,13:1914-1922.

[3] Minoru Akaishi,Shinobu Yamaoka,Fumihiro Ueda,et al. Synthesis of polycrystalline diamond compact with magnesium carbonate and its physical properties[J].Diamond&Related Materials,1996,5:2-7.

[4] LI Shang-Jie,Akaishi,Minoru,et al.Sintering behaviour of the diamond-super invar alloy system at high temperature and pressure[J].Journal of materials science,1990,25:4150-4156.

[5] 陳石林,陳啟武,陳梨.聚晶金剛石復合體界面組織及界面反應的研究[J].礦冶工程,2003,23(6):84.

[6] JIA Hong-sheng,JIA Xiao-peng,MA Hong-an,LI Hai-bo, Synthesis of growth-type polycrystalline diamond compact (PDC)using the solvent Fe55Ni29Co16alloy under HPHT, SCIENCE CHINA Physics Mechanics&Astronomy,2012,55 (8),1394-1398.

[7] JIA Hong-sheng,MA Hong-an,JIA Xiao-peng.Research on polycrystalline diamond compact(PDC)with low residual stress prepared using nickel-based additive.International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,2011,29(1):64-67.

[8] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

The Preparation of PDC by Melt infiltration Method with Different Iron-base Alloy Additives and Its Sintering Morphology

JIA Hong-sheng1,3,LU Ming1,MA Gen-long1,E Yuan-long1,XU Shi-chong1, LI Hai-bo1,JIA Xiao-peng2,MA Hong-an2,ZHENG You-jin3
(1.Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry Education Department, Jilin Normal University,Siping,Jilin,China 136000; 2.National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Changchun,Jilin,China 130012; 3.Key provincial laboratory of New Carbon-base Functional and Superhard Materia,Mudanjiang Normal College, Mudanjiang,Heilongjiang,China,157011)

Polycrystalline diamond compact(PDC)is prepared through high-pressure infiltration technology by using different iron-base alloy(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、Fe-Ni36)as sintering additives(melt infiltration material)under high temperature and high pressure conditions(5.6 GPa,1400℃).The melt infiltration mechanism has been discussed based on the observation of the sintering morphology of PDC under scanning electron microscope.The result of the experiment shows that the three kinds of alloys have an uniform infiltration on diamond layer and forms dense staggered mesh structure withdiamond particles and the binding interface is firm.The pressure difference(δP)and temperature gradient in cavity are the driving force of the alloy melt infiltration.

Polycrystalline diamond compac(PDC);high temperature and high pressure (HPHT);iron-base alloy;melt infiltration

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0001-04

2014-09-10

賈洪聲(1982-),男,博士,講師,主要從事超硬材料制品的研究,E-mail:iop84041@163.com。

國家自然基金項目(No.51301075);吉林大學開放課題(201201);牡丹江師范學院開放課題(201301)

李海波(1962-),男,教授,博士生導師,研究方向:功能材料,email:lihaibo@jlnu.edu.cn。