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(huì),賈曉鵬,2

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012;2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(huì)1,賈曉鵬1,2

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012;2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454000)

在國(guó)產(chǎn)六面頂高壓設(shè)備上,以鍍鈦金剛石為原料,鎳基合金為燒結(jié)助劑,采用熔滲法成功制備了金剛石聚晶(PCD),通過(guò)掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Ram an)等測(cè)試方法,研究了不同燒結(jié)壓力和溫度對(duì)鍍鈦金剛石聚晶組織形貌的影響,與普通金剛石聚晶進(jìn)行了物相成分及殘余應(yīng)力的對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:燒結(jié)條件為5.4～5.6GPa,1350℃～1450℃下的鍍鈦PCD具有較高的致密性和機(jī)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(yīng)力略大。

熔滲法;鍍鈦金剛石;金剛石聚晶

本文中,我們通過(guò)SEM、XRD、Ram an對(duì)制備的鍍鈦PCD樣品進(jìn)行了表征和分析。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用鎳基合金作為燒結(jié)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(nèi)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)[8]。合成的壓力和溫度條件分別為4.9～5.8GPa,1200℃～1500℃。燒結(jié)時(shí)間為10～30min。組裝如圖1所示。燒結(jié)后的樣品表面及斷面凈化處理后,對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 PCD的SEM分析

為了更好地說(shuō)明各個(gè)條件對(duì)燒結(jié)鍍鈦金剛石聚晶組織形貌的影響,我們對(duì)處理后的鍍鈦金剛石微粉進(jìn)行了SEM掃描,照片如圖2所示.從圖中我們可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)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(guī)則,棱角分明。

圖2 金剛石微粉初始形貌的SEM照片F(xiàn)ig.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(shí)鍍鈦PCD的SEM照片,圖中可以看出,高溫高壓下金剛石微粉發(fā)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(duì)比研究表明,壓力越高,聚晶的致密度越大,耐磨性能也相應(yīng)的提高。金剛石顆粒在高壓作用下,顆粒發(fā)生滑移重排,由原來(lái)的點(diǎn)接觸變成了面接觸,大的金剛石顆粒發(fā)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(gè)原因,同時(shí),一些溶解在金屬溶劑中的碳在過(guò)剩壓的驅(qū)動(dòng)力下自發(fā)成核呈微晶填充在大顆粒間的空隙處并與之粘結(jié)生長(zhǎng)在一起,形成D-D鍵,使得其各個(gè)顆粒間結(jié)合更牢固,耐磨性提高。

圖4我們可以清楚地發(fā)現(xiàn),溫度過(guò)低,微粉表面的鈦層還沒(méi)熔化,即使粘結(jié)在一起,也是金屬間的結(jié)合,性能遠(yuǎn)沒(méi)有D-D鍵結(jié)合的樣品好。隨著溫度的進(jìn)一步提高,鈦層熔化,出現(xiàn)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(jīng)發(fā)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(jié)合的聚晶層。

圖3 不同燒結(jié)壓力下PCD的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs of PCD sintered at different pressures

圖4 不同燒結(jié)溫度下制備樣品的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of PCD sintered at different temperatures

3.2 PCD的XRD分析

圖5是燒結(jié)的鍍鈦金剛石聚晶與燒結(jié)好的普通金剛石聚晶的XRD圖譜,燒結(jié)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(xiàn)。燒結(jié)助劑中含有NiMnCo成分是其衍射峰出現(xiàn)的原因。有關(guān)報(bào)道[9]中提到,微粉表面鍍鈦,鈦層與D粉之間的結(jié)合形式十分接近T iC或T i8C5的晶體結(jié)構(gòu),從XRD結(jié)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(guò)程中,表面的鈦層有極小部分未脫層,仍然保持其原有的結(jié)構(gòu),或是金剛石在溶解析出的過(guò)程中C再次與T i發(fā)生反應(yīng)生成的。而T iM nC化合物的出現(xiàn)充分說(shuō)明微粉在燒結(jié)過(guò)程中,鈦層與金剛石顆粒間的結(jié)合已經(jīng)斷開(kāi),D粉在金屬助劑中溶解析出的過(guò)程中也伴隨著鈦層與金屬助劑間的結(jié)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(jié)樣品的Ram an光譜。從Ram an光譜中我們觀察到,無(wú)論是普通的PCD還是鍍鈦PCD光譜中,均沒(méi)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(shù)方向偏移,發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)材料中存在壓應(yīng)力時(shí),拉曼峰位發(fā)生藍(lán)移,可能在燒結(jié)過(guò)程中,鍍鈦微粉相對(duì)普通微粉燒結(jié)條件更為苛刻,時(shí)間要求更長(zhǎng),使得高壓下溫度積累過(guò)程變長(zhǎng),導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力較普通PCD要略大一些。鍍鈦PCD中缺陷雜質(zhì)的存在也是引起其應(yīng)力的原因。

4 結(jié)論

在高溫高壓條件下,采用鎳基合金作為燒結(jié)助劑,通過(guò)金剛石微粉顆粒間的再生長(zhǎng),成功地實(shí)現(xiàn)了鍍鈦金剛石聚晶的燒結(jié)。對(duì)實(shí)驗(yàn)的不同制備參數(shù)對(duì)PCD的影響進(jìn)行了研究,SEM結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)合成壓力條件下,最佳的溫度應(yīng)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(yīng)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(yōu)異的性能,諸如最大的硬度,最高的熱導(dǎo)率,最寬的透光波段,聲速最快,抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿,抗輻射,擊穿電壓高,載流子遷移率大等,已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科技、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域,但是由于天然金剛石大單晶以及人工合成的寶石級(jí)金剛石大單晶價(jià)格昂貴,成本較高,還不能大規(guī)模地工業(yè)化應(yīng)用,作為一種替代產(chǎn)品,金剛石聚晶(Po lycrystalline diamond,簡(jiǎn)稱PCD)一直受到人們廣泛地關(guān)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(wú)法比擬的,在刀具、拉絲模、測(cè)頭測(cè)爪等工具上的應(yīng)用取得了良好的效果,是制作機(jī)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(yōu)異的物理性能,而且還表現(xiàn)出金剛石單晶所不具備的各向同性的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),為了保護(hù)金剛石晶體原有的固有強(qiáng)度以及防止它的氧化,我們?cè)诮饎偸w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(yīng)用,我們應(yīng)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(duì)于合成金剛石體材料方面的研究鮮有報(bào)道。

2010-08-12

王連儒(1985-),男,吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,碩士研究生,從事金剛石聚晶的合成研究。