鄧福銘,盧學(xué)軍,,馮利斌,張華,劉代潤(rùn),曾蘇民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所北京100083;2.北京迪蒙特佳工模具技術(shù)有限公司北京100083)

PCD拉絲模坯材料微結(jié)構(gòu)對(duì)比分析研究①

鄧福銘1,盧學(xué)軍1,2,馮利斌1,張華1,劉代潤(rùn)2,曾蘇民1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所北京100083;2.北京迪蒙特佳工模具技術(shù)有限公司北京100083)

文章對(duì)國(guó)內(nèi)外典型PCD拉絲模坯材料進(jìn)行了SEM觀察、EDS能譜分析和XRD物相分析,研究了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品在微觀結(jié)構(gòu)和成分上的差距,結(jié)合拉絲模實(shí)際拉絲效果探討了其微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,并提出為開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)高檔PCD拉絲模坯材料,應(yīng)注意盡量減小其晶粒尺寸、優(yōu)化粘結(jié)劑組分以及提高粘結(jié)劑的分布均勻性。

拉絲模;聚晶金剛石(PCD);微結(jié)構(gòu)

2 測(cè)試分析方案

本實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的具有代表性的拉絲模坯材料生產(chǎn)商提供的同一型號(hào)的PCD拉絲模坯作為研究對(duì)象(見(jiàn)表1)。首先采用BDM T-JP903型聚晶金剛石鏡面拋光機(jī)對(duì)拉絲模坯樣品進(jìn)行機(jī)械研磨拋光處理,使其表面達(dá)到鏡面;然后采用日本日立公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)聚晶金剛石拉絲模坯材料樣品進(jìn)行表面形貌觀察,并采用EDS能譜分析樣品中的粘結(jié)劑組分;最后采用日本R igaku公司生產(chǎn)的D/m ax-rA 12kw型X射線衍射儀對(duì)所選樣品進(jìn)行物相分析。

表1 國(guó)內(nèi)外PCD拉絲模樣品的選取Table 1 The sample selectionof the typical PCD wire drawing die materials

3 結(jié)果與討論

3.1 PCD拉絲模坯微觀形貌SEM觀察分析

圖1是三種PCD拉絲模坯材料樣品的掃描電鏡觀察結(jié)果。圖中黑色部分是金剛石,白色部分是粘結(jié)相。從圖中可以看出,三個(gè)樣品PCD中粘結(jié)相基本上呈線條狀和絮狀較均勻地分布在金剛石周?chē)?不同廠家生產(chǎn)的PCD拉絲模坯材料的晶粒大小明顯不一樣,其粘結(jié)相的分布均勻性也有所不同。其中以1#PCD拉絲模坯樣品中的金剛石晶粒最粗大、2#樣品次之、3#樣品的晶粒最細(xì)小。進(jìn)一步觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1#、2#和3#PCD拉絲模坯樣品中金剛石晶粒大小分別為5～10μm、2～5μm和≤1μm。從圖1中還可以看出,三個(gè)樣品中金剛石晶粒間均形成了D-D直接結(jié)合,并互相連成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。其中以3#樣品中的金剛石晶粒D-D結(jié)合最充分、1#樣品次之,2#樣品雖然也形成了網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu),但其D-D結(jié)合網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)不均勻,局部粘結(jié)相成團(tuán)致區(qū)域網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)被中斷。1#樣品粘結(jié)相以葉脈狀分布在金剛石晶粒間界、粘結(jié)相分布較均勻;3#樣品中粘結(jié)相以星點(diǎn)狀分布在金剛石晶粒三叉晶界處、其分布區(qū)域小且較為均勻;2#樣品中粘結(jié)相以大小不均勻的團(tuán)塊狀分散其金剛石D-D結(jié)合網(wǎng)絡(luò)骨架之外,且粘結(jié)相分布不均勻,從圖中可看出其相對(duì)含量較高(白色區(qū)域相對(duì)面積大)。

圖1 國(guó)內(nèi)外典型PCD拉絲模坯SEM形貌照片:(a)1#;(b)2#;(c)3#樣品Fig.1 SEM morphology of the typical PCD wire drawing diematerials(a)No.1 sample,(b)No.2 sample,(c)No.3 sample

3.2 PCD拉絲模坯中粘結(jié)相成分EDS分析

對(duì)上述三種典型PCD拉絲模坯樣品中粘結(jié)相(即白色部分)進(jìn)行EDS能譜分析,其分析結(jié)果如圖2～圖4所示,相應(yīng)的EDS分析數(shù)據(jù)列于表2。

圖2 1#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結(jié)果(a)EDS分析位置;(b)相應(yīng)的能譜分析圖Fig.2 The EDS analysis results of the sample No.1(a)area,(b)result

圖3 2#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結(jié)果:(a)EDS分析位置;(b)相應(yīng)的能譜分析圖。Fig.3 The EDS analysis results of the sample No.2(a)area,(b)result

圖4 3#PCD拉絲模坯樣品EDS分析結(jié)果:(a)EDS分析位置;(b)相應(yīng)的能譜分析圖。Fig.4 The EDS analysis results of the sample No.3(a)area,(b)result

表2 典型PCD拉絲模坯樣品EDS能譜分析結(jié)果/w t%Table 2 The EDS analysis results of the typical PCD wire drawing diematerials/wt%

由表2可以看出,三種不同PCD拉絲模坯樣品中粘結(jié)劑組分不同,但均含有Co元素。1#樣品Co含量遠(yuǎn)高于2#和3#樣品,為55.46w t%,還含有微量的Fe、M o?？赏茢?#PCD拉絲模坯材料可能主要以Co作粘結(jié)劑,其中微量的Fe可能來(lái)源于金剛石微粉原料中未處理干凈的觸媒金屬包裹體,而M o可能是由其屏蔽材料M o杯高壓高溫?zé)Y(jié)擴(kuò)散所致。2#樣品的Co、M n、Fe含量較高,可能是以Co-Fe-M n作粘結(jié)劑,其中的微量元素Si、A l、C r可能來(lái)源于其高溫高壓合成傳壓密封材料。3#樣品中W含量特別高、其次是Co,表明其粘結(jié)劑中可能添加了硬質(zhì)合金粉末或W粉和Co粉,而其微量元素Si、A l、C r、T i含量均相對(duì)較高,說(shuō)明其高壓高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中使用的屏蔽材料的屏蔽效果欠佳。上述三個(gè)樣品分析結(jié)果中較高的C含量主要是由于能譜分析區(qū)域中周邊金剛石造成的。上述EDS分析結(jié)果表明,各廠家生產(chǎn)的PCD拉絲模坯材料不僅使用的粘結(jié)劑不同、金剛石原料不同,而且其高溫高壓合成腔體結(jié)構(gòu)及使用的材料也不相同,這直接影響了燒結(jié)PCD拉絲模聚晶金剛石結(jié)構(gòu)與性能,從而影響其拉絲模的實(shí)際使用效果。

3.3 PCD拉絲模坯XRD物相分析

三種不同典型PCD拉絲模坯樣品的X射線衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出1#PCD拉絲模坯樣品中的主要物相是金剛石和鈷;2#PCD拉絲模坯樣品中除金剛石和鈷物相之外,還存在少量FeN i合金相;3#PCD拉絲模坯樣品中主要物相有金剛石、W C及鈷,且其W C、Co相含量不低。三種PCD拉絲模坯樣品的X射線衍射分析圖譜中均未出現(xiàn)明顯的(002)石墨峰。說(shuō)明PCD拉絲模坯材料高壓燒結(jié)不存在石墨化殘留。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外PCD拉絲模的實(shí)際拉絲使用壽命統(tǒng)計(jì)得出,在拉拔鋼絲、焊絲等硬絲時(shí),國(guó)內(nèi)PCD拉絲模產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品的平均使用壽命比為1∶2;在拉拔銅絲、鋁絲等軟絲時(shí),國(guó)內(nèi)PCD拉絲模產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品的平均使用壽命比為7∶10。這一使用效果很大程度上可能與上述典型PCD拉絲模的微觀結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。國(guó)外2#和3#PCD拉絲模坯金剛石晶粒相對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍要細(xì),且組織也相對(duì)均勻一些。此外,隨著晶粒細(xì)化,要考慮相應(yīng)改進(jìn)粘結(jié)劑配方問(wèn)題。因?yàn)镻CD拉絲模坯材料性能,除了與其燒結(jié)聚晶晶粒尺寸大小有關(guān)外,主要還與其添加劑的種類(lèi)有關(guān)。由此我們提出開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)高品質(zhì)聚晶金剛石拉絲模坯應(yīng)考慮優(yōu)選金剛石原料,盡量細(xì)化晶粒,優(yōu)化粘結(jié)劑組分,還應(yīng)通過(guò)改善聚晶金剛石高壓燒結(jié)工藝,使合成的聚晶金剛石拉絲模坯中組織均勻。

圖5 國(guó)內(nèi)外典型拉絲模坯XRD分析Fig.5 XRD spectrum of the PCD wire drawing die materials for sample:(a)No.1,(b)No.2,(c)No.3

4 結(jié)論

(1)同一型號(hào)、不同廠家生產(chǎn)的PCD拉絲模坯產(chǎn)品中,其金剛石晶粒大小及粘結(jié)劑種類(lèi)、含量存在差異。國(guó)外PCD拉絲模坯中金剛石晶粒細(xì)小,其平均粒度ㄑ5μm;國(guó)內(nèi)PCD拉絲模坯中晶粒較粗大,其粒度為5～10μm。

(2)國(guó)內(nèi)外PCD拉絲模坯中粘結(jié)劑成分都含有Co,但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中粘結(jié)劑基本為Co;國(guó)外產(chǎn)品中除主要粘結(jié)劑Co之外,還含有W、M n、Si、T i等成分。國(guó)外中細(xì)顆粒PCD拉絲模坯中的主要物相有金剛石、Co,與國(guó)內(nèi)粗顆粒產(chǎn)品基本相同、但細(xì)顆粒PCD拉絲模坯中的物相除金剛石、Co之外,還有W C相。

(3)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的典型PCD拉絲模坯材料不僅使用的粘結(jié)劑不同、金剛石原料不同,而且其高溫高壓合成腔體結(jié)構(gòu)及使用的材料也不相同,這直接影響了燒結(jié)PCD拉絲模的聚晶結(jié)構(gòu)與性能,從而影響拉絲模的實(shí)際使用效果。

(4)國(guó)內(nèi)PCD拉絲模產(chǎn)品在今后的發(fā)展中,應(yīng)通過(guò)使聚晶金剛石中晶粒細(xì)化,改變粘結(jié)劑中成分、含量及分布等來(lái)提高PCD拉絲模坯的品質(zhì)。

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Study on microstructure of the typical polycrystalline diamond(PCD)wire drawing diem a terials

DENG Fu-ming1,LU Xue-jun1,2,FENG Li-bin1,ZHANG Hua1,LIU Dai-run2,ZENG Su-min1
(1.Institute of Super-hard Cutting Tool Materials,China University of mining and Technology(Beijing),Beijing 100083;2.Beijing diamond Best Cutting Too l and Wire Drawing Dies Technology Limited Company,Beijing 100083)

Typical PCD wire drawing die materials made in domestic and ab road were analyzed by SEM,EDS and X-Ray diffraction analysis.The differences both in microstructure and component of the samples were found.Relation between the microstructure and wire drawing property was discussed according to their actual wire drawing life.To improve domestic PCD products,our manufacturers should pay more attention to reducing the g rain size of diamond,improving the type and con tent of the binder and their distribution.

wire drawing dies;polycrystalline diamond(PCD);m icrostructure

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0001-05

1 前言

雖然從上世紀(jì)80年代起我國(guó)開(kāi)始了聚晶金剛石(PCD)拉絲模的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究,而且近年來(lái)隨著我國(guó)拉絲行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,PCD拉絲模在行業(yè)內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。但是國(guó)內(nèi)PCD拉絲模產(chǎn)品的實(shí)際使用性能與國(guó)外產(chǎn)品還存在不小的差距[2-5],這主要是由于國(guó)內(nèi)拉絲模坯材料制備技術(shù)及拉絲模的制造工藝技術(shù)與國(guó)外相比仍存在較大差距。近年來(lái)人們對(duì)PCD拉絲?？仔徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及拉絲過(guò)程的工藝控制方面的研究較多[6-16],而對(duì)PCD拉絲模坯材料本身的研究卻很少[17-18]。隨著拉絲行業(yè)的不斷發(fā)展,目前國(guó)內(nèi)線材工業(yè)生產(chǎn)中拉絲模的孔型結(jié)構(gòu)及加工工藝已經(jīng)基本趨于一致,然而不同廠家拉絲模生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品性能及模具使用壽命方面還存在不小的差距。為此我們把注意力轉(zhuǎn)移到對(duì)拉絲模坯材料本身的微觀結(jié)構(gòu)及性能的比較研究上。眾所周知,材料內(nèi)部的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及表面形貌特征決定了其物理力學(xué)性能鍵[19-20],本文通過(guò)選取國(guó)內(nèi)外三種典型聚晶金剛石(PCD)拉絲模坯材料,對(duì)比研究其微觀形貌和顯微組織結(jié)構(gòu),并結(jié)合其拉絲模實(shí)際使用情況,分析國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品存在的差距,為開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)高檔PCD拉絲模坯材料進(jìn)一步明確具體研究目標(biāo)。

2010-08-10

鄧福銘(1963-),男,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所所長(zhǎng),教授/博士生導(dǎo)師,長(zhǎng)期從事超硬材料及超硬工模具的研究與開(kāi)發(fā)。Em ail:d fm@cum tb.edu.cn。

北京市科技人員服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(2009GJA 00033)