鐵含量對聚晶金剛石性能的影響

張哲輝, 海 琴

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程分院, 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond)燒結(jié)體是由人造金剛石微粉和黏結(jié)劑在高溫高壓間接靜壓(1 400 ℃～1 600 ℃、5～7 GPa)條件下燒結(jié)而成的一種極限功能材料，也稱金剛石燒結(jié)體。在PCD的燒結(jié)過程中，粘結(jié)劑在金剛石微粒之間生成了以鐵、鈷、鎳和碳化鈦等為主要成分的連接橋[1-3]。GE公司在上世紀70年代初開發(fā)出聚晶金剛石之后，國內(nèi)外的諸多學(xué)者對金剛石的燒結(jié)過程進行了廣泛研究，在金剛石形核和生長機理等方面獲得了一系列的成果[4-7]。由于聚晶金剛石具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱率、較高的沖擊韌性和較小的膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，使得PCD的應(yīng)用空間被進一步拓展，被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)、航空航天、石油地質(zhì)鉆探、電子等領(lǐng)域[8-9]。

聚晶金剛石的耐磨性、抗沖擊韌性和自銳性優(yōu)良，可用來制作刀具。在加工工件時，使用PCD刀具可以使被加工工件獲得良好的表面粗糙度和穩(wěn)定的尺寸精度，而且PCD刀具的使用壽命非常高(幾十倍于硬質(zhì)合金的使用壽命)。PCD刀具可對工程陶瓷材料、非金屬材料及有色金屬等材料進行精密和超精密加工[10-11]。精密加工的加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1 μm之間，加工精度為0.1～1 μm；超精密加工的加工表面粗糙度小于Ra0.01 μm，加工精度高于0.1 μm。因此，在刀具領(lǐng)域，PCD的應(yīng)用廣泛。為了研究鐵含量對聚晶金剛石抗沖擊和耐磨性能的影響，在相同粒徑的金剛石微粉中添加不同質(zhì)量分數(shù)的金屬鐵粉，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)后，測試PCD的抗沖擊性能和磨耗比。

1 實驗方法

1.1 試樣制備

本實驗利用國產(chǎn)鉸鏈式CS-Ⅵ型6×20 MN六面頂壓機的高溫高壓合成聚晶金剛石。根據(jù)碳的P-T圖，選擇富晶區(qū)的生長溫度和壓力，PCD的燒結(jié)溫度約為1 600 ℃，壓力為5.6 GPa。對金剛石微粉(如圖1所示)經(jīng)過嚴格的凈化處理后與金屬鐵粉，按照一定的比例混合在一起，然后將混合的粉料置于三維混料機中混合24h，使得粉料能夠均勻混合。再將粉料置于真空干燥箱中待用。其中，鐵粉在混合好的四份粉料中所占的質(zhì)量分數(shù)分別為8%、10%、12%、13%。按圖2所示，將混合好的粉料和其它的輔助件組裝，再根據(jù)圖3的合成工藝曲線在六面頂液壓機中進行燒結(jié)，得到試驗所需的試樣。

圖1 10 μm金剛石微粉

圖2 組裝結(jié)構(gòu)圖

圖3 合成工藝曲線

1.2 試驗原理

金剛石聚晶一般是在高溫高壓下進行燒結(jié)。由于金剛石微粉比表面積大，具有較高的表面能。根據(jù)最小能量原理，系統(tǒng)的表面能的降低將為燒結(jié)的進行提供基本動力。必須同時符合結(jié)構(gòu)對應(yīng)原理(各組分表面原子的分布有一定對應(yīng)關(guān)系)和成鍵原理(各組分表面上原子能夠相互聯(lián)結(jié)成鍵)，才能使金剛石顆粒表面見相互結(jié)合，兩者缺一不可。在HPHT的作用下，固態(tài)粘結(jié)劑熔融成為液態(tài)，增大了金剛石顆粒與粘結(jié)劑的接觸面，以利于浸潤、填充和發(fā)生反應(yīng)。之后金剛石顆粒表面被液相金屬潤濕，將顆粒表面吸附的氧等物質(zhì)去除掉，使金剛石表面處于活化狀態(tài)，粘接劑與C原子反應(yīng)生成過渡相(如β-SiC、TiC等)。碳原子的原子半徑很小，很容易填充于過渡金屬中形成間隙相，間隙相的熔點及硬度比金屬的都要高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于金剛石聚晶存在原有的金屬鍵，除此之外，外加入的過渡族金屬元素與部分非金屬元素之間形成了局部共價鍵，伴隨著原子之間的結(jié)合力增強。同時，隨著顆粒間的空隙利用率的提高，使得金剛石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。金剛石顆粒在觸媒金屬的作用下，發(fā)生溶解和再結(jié)晶，一些較細小的顆粒溶解在液態(tài)觸媒中，然后再一些粗顆粒表面析出，在較大的顆粒之間形成聯(lián)結(jié)橋，形成D-D鍵。

1.3 試驗方法

合成后的試樣進行噴砂處理，去除外層Mo杯，然后對不同鐵含量的聚晶金剛石片磨外圓，使之具有相同的外圓。之后研磨金剛石片的上下表面，使其具有相同的高度。聚晶金剛石的抗沖擊性能在落錘式試驗機上進行，使用JS-71A型磨耗比測定儀測試PCD的磨耗比。具體的方法是將PCD和砂輪在規(guī)定的裝置上對磨，當PCD的磨損量不少于0.2 mg，砂輪的磨損量大于25 g時，PCD失重與砂輪磨損量比值的倒數(shù)即為磨耗比。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鐵含量對聚晶金剛石抗沖擊性能的影響

經(jīng)相同的合成工藝燒結(jié)出具有不同鐵含量的聚晶金剛石，對其抗沖擊性能進行測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鐵含量聚晶金剛石的抗沖擊性能

由圖4中可知，當鐵含量在8%～12%時，鐵含量增加，聚晶金剛石的抗沖擊性能增強，在鐵含量在12%時，聚晶金剛石能夠承受的沖擊錘最大高度為52 cm，當鐵含量超過12%時，抗沖擊性能開始下降。分析金剛石的燒結(jié)過程可知，燒結(jié)前，自由堆積的固體粉體內(nèi)部存在著不少的空隙。隨著燒結(jié)過程的進行，顆粒之間慢慢開始重排然后產(chǎn)生鍵合。此時顆粒之間互相靠攏，氣孔所占的體積迅速降低，此時點接觸是顆粒間的主要接觸方式。隨著時間的延長，顆粒間開始有物質(zhì)傳遞，顆粒間由原先的點接觸慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，系統(tǒng)的總表面積開始減小，但此時的孔隙依然是連通的。隨著顆粒間物質(zhì)傳遞的進一步進行，金剛石顆粒間的接觸面開始擴大，界面移動顆粒長大，且粒界上的氣孔消失，提高了燒結(jié)體的致密度。圖5(a)和(b)分別為鐵含量為12%、13%時聚晶金剛石的微觀形貌。從圖5(a)中可以看出金剛石顆粒之間緊密排列，鐵液分布在晶粒之間的孔隙中，呈三維網(wǎng)狀，提高了金剛石的致密性，聚晶金剛石的抗沖擊性能提高[13]。當鐵含量為13%時，鐵液在聚晶金剛石中偏聚，主要留存在金剛石顆粒之間的孔隙中，在顆粒之間點接觸的部位存在很少，使得在金剛石顆粒間D-D鍵的形成數(shù)量減少。而D-D鍵的強度要比金屬鍵的強度高的多，所以在鐵含量超過12%時，聚晶金剛石的抗沖擊強度降低。

圖5 試樣微區(qū)的SEM

2.2 鐵含量對聚晶金剛石耐磨性的影響

在同一合成工藝條件下，燒結(jié)出具有不同鐵含量的聚晶金剛石，對其進行耐磨性測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鐵含量聚晶金剛石的耐磨性

聚晶金剛石的耐磨性先隨著鐵含量的增加而增強。在鐵含量大于12%時，其耐磨性能隨著鐵含量的升高下降。由于金剛石顆粒間的D-D鍵是通過在金剛石的合成過程中，從鐵液中析出的金剛石C原子沉積在與其接觸的原始金剛石顆粒表面彌合而成。當其中的鐵含量超過12%后，金剛石中的金屬鐵發(fā)生偏聚，使得聚晶金剛石內(nèi)部組分分布不均勻，粘結(jié)劑不能夠很好的在金剛石顆粒之間起到催化的作用，減少了晶粒之間的D-D鍵的數(shù)量，導(dǎo)致聚晶金剛石的強度降低，進而降低了金剛石的耐磨性。

3 結(jié) 論

(1)聚晶金剛石經(jīng)相同的合成工藝，當鐵含量在8%～12%范圍內(nèi)變化時，其抗沖擊性能和耐磨性隨聚晶金剛石中鐵含量的增加而變大。

(2)聚晶金剛石經(jīng)相同的合成工藝，當鐵含量超過12%時，其抗沖擊性能和耐磨性隨聚晶金剛石中鐵含量的增加而變小。

(3)當鐵含量小于12%時，粘結(jié)劑在金剛石顆粒間的孔隙中呈斷續(xù)網(wǎng)格狀分布。

(4)當鐵含量超過12%時，金屬粘結(jié)劑在聚晶金剛石內(nèi)部開始發(fā)生偏聚，降低了金剛石顆粒之間的聯(lián)結(jié)強度。

(5)當鐵含量超過12%時，其抗沖擊性能、耐磨性開始下降。在鐵含量為12%時，抗沖擊性能和耐磨性能最高，其可承受高度為52 cm的沖擊，且其磨耗比達到10萬。