不同鐵基合金助劑熔滲法制備PDC及其燒結(jié)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(jìn)

(1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林四平136000; 2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學(xué)院新型炭基功能與超硬材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)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(jìn)3

(1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林四平136000; 2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學(xué)院新型炭基功能與超硬材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)助劑(熔滲質(zhì)),采用高壓熔滲技術(shù)制備了金剛石復(fù)合片(PDC)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了PDC的燒結(jié)組織形貌,對(duì)鐵基合金的熔滲機(jī)制進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),PDC結(jié)合界面復(fù)合牢固。腔體的壓力差(δP)和溫度梯度即為合金熔滲的驅(qū)動(dòng)力。

金剛石復(fù)合片;高溫高壓;鐵基合金;熔滲

1 引言

金剛石復(fù)合片(PDC),作為一種環(huán)保型高性能結(jié)構(gòu)材料,具有金剛石的耐磨性和強(qiáng)度以及硬質(zhì)合金的韌性和可焊接性,是一種優(yōu)良的切削工具與耐磨材料,廣泛地應(yīng)用于機(jī)械加工工具、石油與地質(zhì)鉆頭等領(lǐng)域[1]。由于PDC材料具有一系列優(yōu)異的性能和巨大的應(yīng)用市場,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛深入地研究[2-5]。從實(shí)際金剛石工具應(yīng)用上來看,提高金剛石聚晶層(PCD)跟基體的把持力即界面結(jié)合強(qiáng)度是目前優(yōu)質(zhì)金剛石工具主要關(guān)注的問題。熔滲法制備微米級(jí)PDC的方法具有很大的發(fā)展優(yōu)勢和應(yīng)用潛力[6,7]。其中,“熔滲質(zhì)”的黏滯性且與基體和金剛石的浸潤性對(duì)PDC的燒結(jié)質(zhì)量有重要的影響,因此對(duì)熔滲質(zhì)(觸媒)的優(yōu)選至關(guān)重要。鐵基合金作為燒結(jié)助劑具有以下優(yōu)點(diǎn):1)較高的力學(xué)性能,如抗彎強(qiáng)度、硬度;2)與鈷相比,對(duì)金剛石有較好的潤濕性;3)泊松比比鈷大,可成型性,可燒結(jié)性均好;4)成本低;5)對(duì)骨架材料(碳化物)的潤濕性好[8]?；谝陨戏治?本實(shí)驗(yàn)采用三種鐵基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)作為燒結(jié)助劑,通過高溫高壓下的合金熔滲技術(shù)制備PDC,并考察其燒結(jié)形貌,最后討論鐵基合金的熔滲機(jī)制。

2 試驗(yàn)及測試

實(shí)驗(yàn)是在國產(chǎn)SPD 6×1200型六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的。選用厚0.4 mm的Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、Fe Ni36合金作燒結(jié)助劑,0.5 g/塊的金剛石微粉作原料(河南,飛孟金剛石工業(yè)有限公司,粒徑為5～10μm),Φ15×3.0 mm的YG 16碳化鎢作基體(濟(jì)南市冶金科學(xué)研究所)。燒結(jié)條件為5.6 GPa, 1400℃,保溫時(shí)間為5 min。采用一次到壓、快速到溫、后期再慢降溫的燒結(jié)工藝。實(shí)驗(yàn)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(duì)其制備的PDC樣品斷面的微觀組織形貌進(jìn)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(shí)驗(yàn)的流程圖Fig.2 The flow chart of high temperature and high pressure synthesis experiment

圖3 PDC燒結(jié)工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of sintering process of PDC

3 結(jié)果與討論

3.1 不同鐵基合金觸媒制備PDC的燒結(jié)形貌

實(shí)驗(yàn)采用不同類型的鐵基合金作熔滲質(zhì),制備了Φ15 mm尺寸的PDC樣品,其微觀形貌如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,控制合適的金屬粘結(jié)劑含量是合成優(yōu)質(zhì)PDC的重要條件之一,多余的金屬勢必會(huì)導(dǎo)致金剛石的逆轉(zhuǎn)化和晶粒及界間應(yīng)力的增大,影響PDC材料的性能。而采用本實(shí)驗(yàn)的方法,當(dāng)金剛石和WC-Co層得到了所需的金屬含量后會(huì)趨于飽和,使得金屬趨于動(dòng)態(tài)平衡,多余的金屬及雜質(zhì)可以掃越排出,最后,鐵基燒結(jié)PDC樣品聚晶層中金屬粘結(jié)劑分布均勻,呈現(xiàn)致密粘結(jié)生長的形貌,界面通過過渡層交錯(cuò)粘接,該過渡層區(qū)域存在富金屬及化合物的粘結(jié)相。同時(shí),由于鐵基熔滲浸潤能力強(qiáng),PDC樣品燒結(jié)時(shí)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(shù)量級(jí)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(jī)制

本研究采用的高壓熔滲技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的混合粉末法,為了討論P(yáng)DC的燒結(jié)機(jī)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(jìn)一步細(xì)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(dá)到共熔狀態(tài),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(qū)為高壓區(qū)(PT),晶體顆粒之間的孔隙處為低壓力區(qū)(P0),與金剛石接觸的金屬層首先發(fā)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(nèi)部熔滲的驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)滲透整個(gè)金剛石層和部分WC-Co基體層。在熔滲的動(dòng)態(tài)過程中,正是由于金剛石的孔隙作為低壓區(qū)的存在,金屬溶液會(huì)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(jié)狀態(tài),WC顆粒間也會(huì)存在熔滲的金屬粘結(jié)劑成分。此時(shí)整個(gè)燒結(jié)體處在一種靜水壓環(huán)境。相比混合粉末的燒結(jié)方法,熔滲法提供的環(huán)境將有利于PDC的均勻燒結(jié),同時(shí)金屬的熔滲過程也是掃越式排除金剛石表面雜質(zhì)的過程,有利于金剛石顆粒間的粘結(jié)生長。

具體針對(duì)鐵基合金的熔滲行為,也可以用晶體生長的輸運(yùn)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(shí)驗(yàn)采用的腔體設(shè)計(jì)能夠提供適合的溫度梯度,能夠有利于金屬的擴(kuò)散。另外,因?yàn)樗臒崃枯斶\(yùn)中的熱傳輸機(jī)制相聯(lián)系,應(yīng)具有盡可能小的黏滯性,以利于溶質(zhì)和能量的輸運(yùn),從而有利于溶質(zhì)的擴(kuò)散和結(jié)晶潛熱的釋放。它直接影響著物質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)和固液邊界層的厚度,對(duì)溶質(zhì)的輸運(yùn)和結(jié)晶時(shí)雜質(zhì)的排除都有很大的影響。本實(shí)驗(yàn)選用的鐵基合金具有較低的黏滯性,能夠發(fā)揮其自身熔滲質(zhì)的作用本質(zhì)。

4 結(jié)論

鐵基合金作為熔滲質(zhì)(觸媒),具有較好的浸潤擴(kuò)散作用,實(shí)驗(yàn)成功制備了生長型PDC材料;SEM結(jié)果表明,粘結(jié)相均勻地分布在PDC樣品中,結(jié)合界面有交錯(cuò)粘結(jié)的過渡層結(jié)構(gòu);PDC燒結(jié)組織致密。在燒結(jié)過程中,腔體的壓力差(δP)和溫度梯度即為合金熔滲的驅(qū)動(dòng)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.

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[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.

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[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.

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[8] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學(xué)[M].北京:中國建材工業(yè)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(xiàng)目(No.51301075);吉林大學(xué)開放課題(201201);牡丹江師范學(xué)院開放課題(201301)

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