目录结构

The comparative studies of three kinds of artificial diamond bonds Si Ti B, Si Ni B, Si (Ni Ti) B were carried out, and the effects of each element and bond addition amount on properties of artificial polycrystalline diamond were analyzed. The influence of composition, microstructure, and structure on the properties of polycrystalline diamond were discussed.

Keyword：

Polycrystalline diamond; Bonds; Sintering;

Received： 1998-12-15

在金刚石粉末中加入一定量的粘结剂, 通过高温高压烧结可以获得性能优异的聚晶体, 广泛应用于地质、石油、机加工等行业。

选用不同的粘结剂及控制粘结剂的加入量都会获得不同性能的金刚石聚晶。目前我国的生产厂家大多选用硅粉加镍粉或硅粉加钛粉作粘结剂, 其中也加入少量的硼粉, 用这两种粘结剂获得的金刚石聚晶体的耐热性较好, 但与国外同类产品相比还存在较大差距, 例如聚晶的致密性差、磨耗比低、使用过程中会出现“崩块”剥落现象、磨损面粗糙等。造成上述差距的主要原因除金刚石粉末本身的质量外, 与金刚石聚晶体粘结剂的选用不合理有很大关系 ^[1] 。

本文从烧结过程及烧结机理上对Si-Ti-B、SiNi-B、Si- (Ni-Ti) -B这三种聚晶粘结剂进行研究, 并用电子显微镜对上述三种聚晶的断口形貌进行分析, 发现了前两种粘结剂的缺点及其产生的原因。实验证明, 与前两种粘结剂相比用Si- (Ni-Ti) -B粘结剂可获得性能更好的金刚石聚晶。

1实验

按配方要求把金刚石粉末、粘结剂进行称重, 装入玛瑙钵中研磨2 h, 然后将研磨好的混合料装入石墨杯中, 按图1形式进行组装, 在DS-029A型6×600 t压机上进行烧结。

图1 金刚石聚晶组装图

1—导电钢圈;2—铁片;3—钼片;4—石墨杯;5—金刚石混合粉料;6—叶腊石

原料:人造金刚石选用无锡钻探工具厂生产的JR₂型粒度为-280目至-400目的混合料;钛粉选用纯度≥99.5%的超细钛粉;镍粉的粒度为-320目;镍钛包覆粉粒度为-400目, 镍钛的质量分数均为50%;硅粉粒度为-200目, 纯度≥99%;硼粉选用纯度≥99.999%的无定形硼粉。

烧结时的压力、温度必须处在金刚石稳定区, 金刚石与石墨的平衡线遵守下面的方程 ^[2] :

P=1940+2.5t

其中P为烧结时的最低压力 (MPa) , t为温度 (℃) 。

测量试样的磨耗比和抗压强度, 磨耗比Q是衡量超硬材料的一项十分重要的性能指标, Q=ΔW₂/ΔW₁, ΔW₁为试样失重, ΔW₂为砂轮失重。抗压强度σ_bc=p/πr², p为负荷 (N) , r为试样半径 (mm) 。在扫描电镜S290上进行组织结构分析。

2结果与讨论

2.1不同粘结剂聚晶性能的研究

金刚石聚晶的综合性能主要取决于粘结剂的性能, 具体地说也就是粘结剂与金刚石表面的结合能力及粘结剂各元素之间在高温下相互反应的产物的性能。不同粘结剂的聚晶性能见表1。

表1 3种粘结剂的聚晶性能下载原图

表1 3种粘结剂的聚晶性能

从表1可以看出, 与Si-Ti-B和Si-Ni-B相比, 用Si- (Ni-Ti) -B作粘结剂, 聚晶的综合性能最佳。这可能是因为钛的熔点为1675℃, 镍的熔点是1453℃ ^[3] , Ni-Ti包覆粉的熔点是1200℃ ^[4] , 且金属的熔点随压力的升高而升高, 在合成金刚石聚晶条件下 (压力120 MPa, 温度1400℃) , 钛或镍很可能以固态形式存在, 此时虽然硅已经熔化, 硅与钛或镍也可能会相互扩散而形成低熔点的共晶产物, 但这需要有充分的时间来保证, 但由于整个加热时间不到1 min, 因此有理由相信在整个合成过程中有相当一部分钛或镍是以固态颗粒形式存在的, 这就表明钛或镍与硅及金刚石的反应是不充分的。由于Ni-Ti包覆粉的熔点为1200℃, 远低于烧结时的温度1400℃, 所以在整个烧结过程中, 它处于熔融状态, 与液态硅和金刚石颗粒表面能充分反应, 因此, 用Si- (Ni-Ti) -B作粘结剂的金刚石聚晶具有良好的综合性能 ^[5,6] 。

2.2粘结剂加入量对聚晶磨耗比及抗压强度的影响

粘结剂加入量对聚晶性能也有比较大的影响, 较低的加入量虽然可以获得磨耗比较高的聚晶, 但强度较低。聚晶磨耗比及抗压强度与粘结剂加入量间的关系见图2、3。

由图2、3看出, 粘结剂加入量增加, 金刚石聚晶的主要性能磨耗比下降, 这一点很容易理解, 因为金刚石是世界上最硬的物质, 粘结剂的增加必然会降低金刚石的含量。随着粘结剂的增加, 抗压强度先增加后下降, 这是因为粘结剂适量时, 粘结剂中硅会与金刚石表面进行充分反应产生SiC, 钛会与金刚石表面反应产生TiC, 粘结剂中的钛与硼会反应生成TiB₂, SiC、TiC和TiB₂均是共价键化合物, 有较高的强度。但粘结剂加入量超过10%后, 聚晶体中会有游离硅存在, 而游离硅的强度不但较低, 且脆性也较大, 因此强度会下降 ^[7] 。

图2 粘结剂加入量对磨耗比的影响

图3 粘结剂加入量对抗压强度的影响

2.3断口形貌的研究

3种粘结剂聚晶断口扫描电镜照片见图4, 与图4 (a) 相对应的断口上硅元素的面分布见图5。

图4 断口形貌

(a) 粘结剂:7.0Si+1.0 (Ni-Ti) +0.5B; (b) 粘结剂:7.0Si+1.0Ti+0.5B; (c) 粘结剂:8.5Si+1.5Ni+0.5B

由图4 (a) 、5可以看出, 断口中的白色部分是硅合金粘结剂, 这充分证明了金刚石聚晶体的组织特征为金刚石颗粒四周被硅合金粘结剂所包围, 如果粘结剂与金刚石颗粒在烧结时能够充分反应形成SiC、TiC、TiB₂等共价键化合物, 则金刚石聚晶体会具有较高的强度和磨耗比, 这类聚晶在使用过程中, 很少出现金刚石颗粒“崩块”剥落现象 ^[8] 。由图4 (a) 可以看出, 用Si- (Ni-Ti) -B作粘结剂时, 聚晶的断口主要是穿晶断口, 表明聚晶中金刚石颗粒与粘结剂间的界面结合强度高于金刚石颗粒的强度, 因此这种聚晶具有良好的综合性能。从图4 (b) 和 (c) 可以看出, 用Si-Ti-B和Si-Ni-B作粘结剂时, 聚晶断口形貌几乎是沿晶断口, 这表明金刚石颗粒与粘结剂的界面结合强度较低, 可能低于金刚石颗粒的强度, 也就是说在烧结时粘结剂中各元素与金刚石颗粒的反应是不充分的, 这类聚晶的综合性能较低, 在使用过程中必然会导致“崩块”剥落现象 ^[5] 。图4的断口形貌同烧结理论分析的结果是吻合的。