金剛石表面織構(gòu)化處理技術(shù)（下）①

談耀麟 編譯

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林 541004）

金剛石表面織構(gòu)化處理技術(shù)（下）①

談耀麟 編譯

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林 541004）

6 關(guān)于力學(xué)強(qiáng)度與破裂特性

金剛石在900℃以上高溫中其力學(xué)強(qiáng)度降低，主要是由于金剛石合成時(shí)在高溫高壓下的晶體生長過程中，內(nèi)部混入了金屬雜質(zhì)。但是，通過內(nèi)部缺陷的低溫退火處理（使內(nèi)應(yīng)力與金屬雜質(zhì)重新分布）可提高金剛石在高溫下的力學(xué)強(qiáng)度。因此，根據(jù)金剛石的粒度以及殘余晶體生長缺陷（RCGD）的多少，在水蒸汽侵蝕過程中選擇適宜的溫度范圍，有可能使金剛石經(jīng)過高溫水蒸汽侵蝕后不降低其力學(xué)強(qiáng)度。

為了對比未侵蝕處理與表面侵蝕后的金剛石顆粒的力學(xué)強(qiáng)度，I.C.Benea等人采用了專門的裝置進(jìn)行檢測，檢測裝置如圖5所示。

圖5 微米級(jí)金剛石壓碎強(qiáng)度檢測設(shè)備

檢測時(shí)金剛石顆粒同時(shí)受到的壓力和剪切力如圖6所示。

上述檢測技術(shù)引用了壓碎強(qiáng)度指數(shù)（CSI），壓碎強(qiáng)度指數(shù)（CSI）是由粒度分布（PSD）來計(jì)算的?？紤]了未壓碎和壓碎后金剛石中的“符合尺寸要求”的顆粒數(shù)在內(nèi)。所謂“符合尺寸要求”的顆粒直徑范圍在粒度分布的50%與90%之間。壓碎強(qiáng)度指數(shù)（CSI）的計(jì)算公式如下：

式中，IOS為未壓碎金剛石中的符合尺寸要求的顆粒數(shù)

ROS為壓碎金剛石中的符合尺寸的顆粒數(shù)

未壓碎與壓碎后的金剛石粒度分布用貝克曼庫爾特分析儀來測量。

用未侵蝕和侵蝕后的平均粒度為17微米、20微米和35微米的MB型金剛石進(jìn)行壓碎強(qiáng)度檢測。根據(jù)粒度以大致相同的表面面積各取一定數(shù)量的金剛石與潤滑劑混合置于聚晶金剛石（PCD）缸中，將聚晶金剛石活塞與缸以預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)和預(yù)定的時(shí)間相對反向旋轉(zhuǎn)，對金剛石同時(shí)施加壓力和剪切力。壓碎強(qiáng)度檢測的參數(shù)如表3所列。

圖6 金剛石顆粒受力示意圖

表3 壓碎強(qiáng)度檢測參數(shù)

每次檢測各做三次，計(jì)算出CSI平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

壓碎強(qiáng)度檢測結(jié)果表明，只要嚴(yán)格控制高溫水蒸汽侵蝕過程就不會(huì)導(dǎo)致金剛石力學(xué)強(qiáng)度（壓碎強(qiáng)度）的降低。反之，還會(huì)稍微提高，主要是由于減少了破裂發(fā)生率以及由于隨著內(nèi)部缺陷（殘余晶體生長缺陷）的低溫退火處理，使金剛石粒表面上的尖角與尖棱被剝落掉。

當(dāng)施加壓力和剪切力時(shí)，侵蝕處理后的金剛石顆粒產(chǎn)生的細(xì)屑少于未侵蝕處理金剛石的。顯然，前者的破裂發(fā)生率和表面的尖角尖棱剝落較少。

7 關(guān)于粘結(jié)保持力

關(guān)于經(jīng)過表面織構(gòu)化處理的金剛石的粘結(jié)保持力與未經(jīng)處理的金剛石的對比，采用4204型英斯特朗強(qiáng)力測試機(jī)（Instrontest machine Model 4204）進(jìn)行評估。該測試機(jī)主要由圓筒與圓棒組成，用于測試金剛石顆粒與電鍍鎳粘結(jié)材料之間的剪切強(qiáng)度。其工作原理如圖7。

圖7 測試金剛石粘結(jié)保持力的圓棒－圓筒裝置示意圖

電鍍了金剛石的圓棒與圓筒的實(shí)物照片見圖8。

圖8 電鍍了金剛石的圓棒與圓筒實(shí)物照片

圖9 電鍍金剛石的圓棒結(jié)構(gòu)示意圖

電鍍金剛石圓棒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖9所示。無鍍層棒端的直徑為14.20mm，電鍍鎳底層圓棒直徑為14.38mm，最終電鍍鎳層直徑為14.85mm。鎳粘結(jié)層厚度為235μm，用鋸片級(jí)金剛石進(jìn)行測試，其粒度為25／30目（平均粒度為685μm，95%的粒度在600～770μm之間），金剛石在圓棒表面的覆蓋面積為31%～39%。

測試時(shí)圓筒從對準(zhǔn)端插入圓棒，以0.125inch／min的速度向下施加靜態(tài)壓力，使圓筒緩慢下行對金剛石逐顆施加剪切作用，此時(shí)有碎屑下落。整個(gè)測試工作須用六組圓筒與圓棒，其中三組用未經(jīng)表面處理的金剛石，另三組用經(jīng)過表面處理的金剛石。

測試后用光學(xué)顯微鏡與掃描電子顯微鏡檢查觀察每一顆金剛石與電鍍鎳之間的界面以確定其破壞模式。破壞模式的評鑒采用下列準(zhǔn)則：

脫落出來——在剪切力的作用下，金剛石顆粒與鎳粘結(jié)材料之間失去粘結(jié)性，金剛石顆粒從粘結(jié)材料中脫離。

被剪切掉——在剪切力足以使金剛石顆粒從鎳粘結(jié)材料中脫離之前，金剛石粒裂斷。

混合破損——金剛石顆粒的某些部分殘留在凹坑處，而金剛石粒的大部分受剪切后掉落。

上述測試中脫落出來的金剛石顆粒和被剪切掉的金剛石顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）照片分別見圖10和圖11。

圖10 脫落出來的金剛石顆粒的SEM照片

圖11 被剪切掉的金剛石顆粒的SEM照片

經(jīng)過表面處理的金剛石顆粒脫出后留下的凹坑的SEM照片與未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒脫出后留下的凹坑的SEM照片分別見圖12與圖13。

圖12 經(jīng)過表面處理的金剛石顆粒脫出后的凹坑的SEM照片

圖13 未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒脫出后的凹坑的SEM照片

從圖12與圖13的對比分析可看出，未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒脫出后留下的凹坑表面平滑而且整潔，而經(jīng)過表面處理的金剛石顆粒脫出后留下的凹坑表面則是粗糙的（反映出脫出的金剛石粒表面的粗糙度），而且還有一些碎屑。

根據(jù)上述破壞模式的評鑒準(zhǔn)則，經(jīng)表面處理的金剛石顆粒的粘結(jié)保持力與未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒的對比如圖14所示。

圖14 破壞模式對比

從圖14可明顯看出，在同樣剪切力作用下，經(jīng)過表面處理的金剛石顆粒更有可能受到剪切破壞而不是從鎳粘結(jié)材料中脫出，而未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒則相反，其脫落出來的數(shù)量明顯較多，說明經(jīng)過表面處理的金剛石顆粒的粘結(jié)保持力比未經(jīng)表面處理的金剛石顆粒的粘結(jié)保持力提高了。

8 其它侵蝕方法

I.C.Benea等人指出，有多種已知方法用于侵蝕金剛石的表面。在高溫下金剛石會(huì)失去化學(xué)穩(wěn)定性并能被氧、含氧化合物、熔態(tài)金屬（如熔鎘的Mn，NI，F(xiàn)e，Co，Pt，Ti，Zr，Ta，W等）以及氫所侵蝕。金剛石的熱化侵蝕須將金剛石置于氧或KNO3中加熱［1，2］。將金剛石置于非氧化性氣氛或真空中加熱也能受到侵蝕［3］。其它的侵蝕方法還包括在氫或含氫的的氣體中加熱鑲嵌在金屬粉末中的金剛石［4］，或者在有金屬或金屬氧化物的空氣中把金剛石加熱［5］。

這些方法多數(shù)不能很好地控制整個(gè)侵蝕過程，從而導(dǎo)致金剛石表面化學(xué)性質(zhì)的改變，同時(shí)還玷污了金剛石表面。尤其是在硝酸鉀中加熱金剛石或在氫氣或含氫氣體中加熱鑲嵌在金剛石粉末中的金剛石時(shí)，化學(xué)反應(yīng)難于控制，需要另外的處理步驟來去除金剛石表面上的一些化學(xué)物質(zhì)或化合物而使金剛石保持潔凈。

9 結(jié)論

表面織構(gòu)化處理的金剛石顆粒的主要特征如下：

·形狀與表面

較少棱角。

表面有侵蝕凹坑；提高了表面粗糙度；增大了表面面積。

·表面化學(xué)性質(zhì)

無改變：H；OH；O；CH與CH4。有些表面生成物減少（取決于過程個(gè)性）。

表面無石墨化現(xiàn)象。氫原子優(yōu)先侵蝕掉石墨并能終止表面碳原子以維持sp3雜化而阻止石墨形成。

·壓碎強(qiáng)度與破裂特性

壓碎強(qiáng)度提高主要是由于減少破裂。減少棱角剝落以及由于殘留晶體生長缺陷的低溫退火結(jié)果。

·粘結(jié)保持力

粘結(jié)保持力提高主要是由于增加了粘結(jié)的有效表面面積。

10 關(guān)于表面織構(gòu)化金剛石的應(yīng)用

表面織構(gòu)化金剛石被認(rèn)為是燒結(jié)和電鍍金剛石工具中提高粘結(jié)性能的很有前景的替代品，也是金剛石研磨液和研磨混合物的首選材料，在高溫高壓條件下燒結(jié)聚晶金剛石（PCD）用以制造地質(zhì)鉆頭、拉絲模等也是很理想的原材料。

采用表面織構(gòu)化的金剛石以機(jī)械的或化學(xué)的粘結(jié)方式制造金剛石工具，與采用表面未經(jīng)織構(gòu)化處理的普通單晶金剛石相比，可期望提高粘結(jié)保持力。在研磨和拋光用的懸浮液或混合物中加入表面織構(gòu)化金剛石可提高表面光潔度并減少劃痕。此外，在聚晶金剛石制品的高溫高壓燒結(jié)過程中在高壓力壓實(shí)條件下由于采用了表面織構(gòu)化金剛石不能使粉料更好地充填而減少了破裂和發(fā)生棱角剝落。

［1］ “Properties，Growth and Applications of Diamoud”—MH Nazare ＆Neves，Eds，INSPEC，pp115.

［2］ US Pat.No.5，344，526.

［3］ US Pat.No.6，565，618.

［4］ US Pat.No.5，035，771.

［5］ US Patent Application Publication No.2010／0213175A1.

［6］ US Patent 7，275，446B2

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0046－04

2012－01－10

談耀麟（1936－），男，高級(jí)工程師，長期從事超硬材料科研和情報(bào)方面的工作。