PCD拉絲模坯材料的高壓合成工藝研究①

鄧福銘，劉娟，張華

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所，北京100083）

1 引言

自上個(gè)世紀(jì)60年代末人造聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，簡(jiǎn)稱PCD）誕生以來(lái)，隨著工藝技術(shù)及合成設(shè)備的不斷提高與改進(jìn)，聚晶金剛石因性能有了長(zhǎng)足的提高而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的新材料之一［1－6］。它具有高的硬度、耐磨性和韌性，不僅克服了單晶金剛石的解理性及脆性，同時(shí)又解決了金剛石的可焊接問題，大大地?cái)U(kuò)充了工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域。聚晶金剛石的抗拉強(qiáng)度僅為常用硬質(zhì)合金的70%，但比硬質(zhì)合金硬度高250%，因此，采用聚晶金剛石做的拉絲模使用壽命就遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金拉絲模［7－10］，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，PCD拉絲模高速拉拔直徑為2㎜的銅線可繞地球7圈而模芯完整無(wú)損［11］。

同時(shí)，采用PCD拉絲模還可避免天然金剛石拉絲模使用中經(jīng)常出現(xiàn)的?？啄p不均勻和?？撞粓A的現(xiàn)象。鑒于PCD拉絲模的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，PCD拉絲模在拉絲行業(yè)中將有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)PCD拉絲模坯材料的合成是在國(guó)產(chǎn)Φ500缸徑六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的，對(duì)試樣原料施加并保持一定時(shí)間的高溫超高壓通過(guò)液相燒結(jié)法燒結(jié)而成。原料金剛石粉末經(jīng)過(guò)酸堿純化處理后再按照一定的組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，之后在高溫真空爐中按照特定的工藝真空凈化處理，葉蠟石等輔助材料通過(guò)特定的工藝焙燒。

本實(shí)驗(yàn)PCD拉絲模坯材料的制造工藝流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所采用的合成腔體組裝方式如圖2所示，高溫高壓合成壓力與溫度工藝曲線如圖3所示。

圖1 靜壓法PCD材料的制造工藝流程圖Fig.1 The schematic diagram of the fabrication procedures of PCD materials

圖2 PCD材料腔體組裝示意圖Fig.2 High pressure vessels assembly of PCD materials

圖3 PCD拉絲模坯材料合成工藝示意圖Fig.3 The synthesis technology of PCD wire drawing die materials

實(shí)驗(yàn)采用的壓力為固定值5.7±0.1GPa，而重點(diǎn)考察合成溫度、加熱時(shí)間與冷卻時(shí)間三因素對(duì)燒結(jié)試樣性能的影響。各因素取三個(gè)水平：合成溫度A（A分別設(shè)定為1350℃，1450℃，1550℃），燒結(jié)時(shí)間B（B分別設(shè)定為180s，150s，120s），冷卻時(shí)間C（C分別設(shè)定為60s，50s，42s）。設(shè)計(jì)正交表L9（34），不考慮三因素交互作用的影響，將實(shí)驗(yàn)次數(shù)由27次減至9次。實(shí)際采用的三因素與三水平表實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。之后即按照正交表L9（34）來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal experiment design of three factors and three levels

表2 PCD拉絲模坯材料合成正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tabel 2 Orthogonal experiment and test results of PCD wire drawing die materials

表3 PCD正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 3 Analysis results of orthogonal test for PCD synthesis

表4 最優(yōu)工藝參數(shù)條件下合成PCD拉絲模坯材料的性能測(cè)試結(jié)果Table 4 The test results of PCD under the best sintering conditions

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為減少實(shí)驗(yàn)誤差，表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值為試樣邊緣處，1／2半徑處及試樣中心處三點(diǎn)測(cè)試值的算術(shù)平均值。表3所示為正交表L9（34）對(duì)上述各因素與水平的分析，表中K表示各因素不同水平的指標(biāo)之和，k表示不同水平下三個(gè)因素的算術(shù)平均值，1、2、3則表示表1中的實(shí)際水平，極差R＝kmax－kmin。

在表3中，磨耗比、顯微維氏硬度與耐熱溫度三種指標(biāo)均是數(shù)值越高表明其該項(xiàng)性能越好。根據(jù)表3分析結(jié)果，采用綜合平衡法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分析討論如下：

（1）對(duì)因素A，即對(duì)燒結(jié)溫度而言，磨耗比、顯微硬度和耐熱性三個(gè)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果均顯示A3最好，因而燒結(jié)溫度參數(shù)優(yōu)選A3，即1550℃。

（2）對(duì)因素B，即對(duì)燒結(jié)時(shí)間而言，磨耗比和顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明B2水平最好，而耐熱性測(cè)試結(jié)果表明B1水平最好。由極差分析可知，對(duì)于PCD耐熱性而言，B因素為次要因素；對(duì)于PCD磨耗比和顯微硬度而言，B因素均為中等影響因素，因而優(yōu)選B2，即燒結(jié)時(shí)間180s。

（3）對(duì)因素C，即對(duì)冷卻時(shí)間而言，磨耗比、顯微硬度和耐熱性分析結(jié)果均不相同，磨耗比為C3最優(yōu)，顯微硬度為C2最優(yōu)，而耐熱性則認(rèn)為C1最優(yōu)。從各因素對(duì)PCD性能影響的主次關(guān)系可以看出，對(duì)于磨耗比與顯微硬度兩指標(biāo)C值均為最次要影響因素，對(duì)于耐熱性指標(biāo)C值為最主要影響因素，因此選擇C1為最佳工藝值，即冷卻時(shí)間40s。

綜合上述分析，本次正交試驗(yàn)結(jié)論的最優(yōu)工藝參數(shù)為A3B2 C1，即當(dāng)合成壓力5.7±0.1GPa，燒結(jié)溫度1550℃、燒結(jié)時(shí)間180s、冷卻時(shí)間40s時(shí)可獲得最佳性能。

4 正交分析結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由上述正交試驗(yàn)結(jié)果分析得出，可獲得較好耐磨性、顯微維氏硬度與耐熱性綜合性能的工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度1550℃、燒結(jié)時(shí)間180s、冷卻時(shí)間40s，合成壓力5.7±0.1GPa。而該工藝不在正交試驗(yàn)所設(shè)計(jì)樣品之內(nèi)，為檢驗(yàn)正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果實(shí)際的準(zhǔn)確性，按照此工藝參數(shù)進(jìn)行了PCD拉絲模坯材料高溫高壓合成實(shí)驗(yàn)?？紤]到燒結(jié)樣品均勻性問題，分別在試樣邊緣處、試樣1／2半徑處、試樣中心處選取三點(diǎn)，依此為測(cè)試點(diǎn)1、測(cè)試點(diǎn)2和測(cè)試點(diǎn)3，表4對(duì)合成樣品耐磨性、顯微維氏硬度與耐熱性進(jìn)行了測(cè)試并對(duì)樣品性能進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)。

從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度1550℃、燒結(jié)時(shí)間180s、冷卻時(shí)間40s，合成壓力5.7±0.1GPa時(shí)，合成的PCD拉絲模芯的磨耗比平均值為13.8萬(wàn)，極差為2.1萬(wàn)；維氏顯微硬度平均值為7502，極差為667；試樣耐熱溫度的均值為726℃，極差為57℃。從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該條件下的燒結(jié)試樣具有較好的物理力學(xué)性能指標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）三因素（燒結(jié)溫度A、燒結(jié)時(shí)間B、冷卻時(shí)間C）三水平正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)燒結(jié)溫度1550℃、燒結(jié)時(shí)間180s、冷卻時(shí)間40s，合成壓力5.7±0.1GPa時(shí)，合成的PCD拉絲模坯材料可獲得最佳耐磨性、硬度與耐熱性等性能指標(biāo)。

（2）正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上述最優(yōu)條件下合成的PCD拉絲模坯材料試樣平均磨耗比13.8萬(wàn)，維氏顯微硬度7502，耐熱溫度726℃，且三項(xiàng)指標(biāo)均是試樣邊緣處最高而中心處最低。

［1］ 袁公昱.人造金剛石與金剛石工具制造［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，1993.

［2］ Minoru Akaishi，Shinobu Yamaoka，F(xiàn)umihiro Ueda，Tadakazu Ohashi.Synthesis of polycrystalline diamondcompact with magnesium carbonate and its physical properties［J］.Diamond and Related Materials，5（1996）2－7.

［3］ H.Kimura，M.Sasaki，Y.Morimoto，T.Takeda，H.Kodama，A.Yoshikawa，M.Oyaidzu，K.Takahashi，K.Sakamoto，T.Imai b，K.Okuno.Thermal desorption behavior of deuterium implanted into polycrystalline diamond［J］.Journal of Nuclear Materials，337－339（2005）：614－618.

［4］ 王光祖.超硬材料發(fā)展35周年研討會(huì)論文集［C］.浙江：1998.11.

［5］ 談耀麟.美國(guó)的人造金剛石行業(yè)［J］.超硬材料工程，2005，17（6）：40－42.

［6］ Hongyun Luo，Jianying Liu，Lijiang Wang，Qunpeng Zhong.Study of the mechanism of the burnishing process with cylindrical polycrystalline diamond tools［J］.Journal of Materials Processing Technology，180（2006）：9－16.

［7］ 孫劉歌編譯.拉絲模參數(shù)對(duì)棒材拉拔后殘余應(yīng)力的影響［J］.金屬制品，2004，30（增刊）：44－47.

［8］ 胡黃卿.硬質(zhì)合金拉絲模的幾何形狀與使用壽命的關(guān)系［J］.硬質(zhì)合金，2000，17（1）：39－42.

［9］ S.Norasethasopon，K.Yoshida.Finite－element simulation of inclusion size effects on copper shaped－wire drawing［J］.Materials Science and Engineering，2006，422：252－258.

［10］ P.Schade.Wire drawing failures and tungsten fracture phenomena［J］.International Journal of Refractory Metals ＆Hard Materials.2006，24：332－337.

［11］ 林增棟，高巧君.燒結(jié)金剛石聚晶的表面金屬化［J］.磨料磨具與磨削，1990，1（55）：3－5.