賈洪聲,李彥濤,王琰弟,王連儒,馬紅安,賈曉鵬

(1.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012;2.河南工業(yè)大學(xué),河南鄭州450052)

金剛石初始粒徑對金剛石聚晶層形貌及表面殘余應(yīng)力的影響①

賈洪聲1,李彥濤2,王琰弟1,王連儒1,馬紅安1,賈曉鵬1

(1.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012;2.河南工業(yè)大學(xué),河南鄭州450052)

在高溫高壓條件下(5.2～5.6 GPa,1350℃～1450℃),以鎳基合金為燒結(jié)助劑采用熔滲法制備了金剛石復(fù)合片(PDC)。采用SEM考察了不同金剛石微粉粒徑制備的金剛石復(fù)合片中金剛石聚晶(PCD)的組織形貌。通過Ram an光譜利用靜水壓應(yīng)力模型表征了PCD層表面應(yīng)力。結(jié)果表明,PCD層形成了致密的交錯(cuò)生長結(jié)構(gòu);PCD層表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力并隨著初始金剛石微粉粒徑的增大而增大,其值為0.12-0.22GPa。

鎳基;PCD;金剛石;形貌;應(yīng)力

PDC工具的殘余應(yīng)力大小是評價(jià)其性能品質(zhì)好壞的重要因素之一,在實(shí)際應(yīng)用中由于存在較大的殘余應(yīng)力,致使PDC工具出現(xiàn)崩刃、脫層等失效問題[2-3],嚴(yán)重地影響其性能的發(fā)揮。PDC產(chǎn)生殘余應(yīng)力主要是由于金剛石與粘結(jié)劑之間的熱膨脹系數(shù)差別較大,同時(shí)燒結(jié)的PDC經(jīng)過卸壓和停溫,應(yīng)力會(huì)殘留在PDC中。L in et al.[4]檢測到PDC內(nèi)部有巨大的殘余應(yīng)力(1.4GPa),Catledge et al.[5]測試金剛石層不同區(qū)域的殘余應(yīng)力為0.87～1.3 GPa。另外,制備PDC的過程中金剛石微粉粒徑對樣品應(yīng)力影響的規(guī)律及機(jī)理研究較少。因此,金剛石原料粒徑的選擇對制備優(yōu)質(zhì)低應(yīng)力的PDC工具具有十分重要的意義。目前,各種測試應(yīng)力的方法中,由于Ram an光譜測試應(yīng)力具有無損樣品、制樣容易、聚焦尺寸小(1μm)等優(yōu)勢,得到了人們廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成功地計(jì)算了CVD金剛石薄膜的殘余應(yīng)力[6-12],而對高壓燒結(jié)的體材料應(yīng)用還較少[13]。本文中,采用SEM對不同粒度金剛石原料制備PDC材料中金剛石層的微觀組織形貌進(jìn)行了研究,推斷了其燒結(jié)過程及機(jī)理。采用Ram an光譜,引用應(yīng)力模型表征了PDC體材料的表面殘余應(yīng)力。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)是在國產(chǎn)SPD 6×1200型六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的。鎳基合金作燒結(jié)溶劑(觸媒),選用平均粒徑為3μm、10μm和20μm的金剛石微粉作原料,YG16碳化鎢作基底。高溫高壓制備條件為5.2～5.6 GPa,1350℃～1450℃。燒結(jié)時(shí)間為10min。PDC燒結(jié)樣品直徑為14mm。采用SEM分析了PDC樣品(a、b、c)金剛石層斷面的微觀組織形貌,對制備樣品的表面進(jìn)行打磨凈化處理,采用Ram an光譜表征了金剛石層表面的應(yīng)力大小。

3 分析與討論

3.1 PCD微觀組織形貌的SEM分析

為考察鎳基合金制備PDC各粒徑條件下樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)特征,對其金剛石聚晶層進(jìn)行了SEM(JXA—8200)掃描。如圖1所示,可以清晰地看出金剛石聚晶層燒結(jié)后的微觀形貌。其中,暗黑區(qū)域部分的成分為金剛石,白亮區(qū)域部分的成分為金屬粘結(jié)劑。經(jīng)高溫高壓作用后,金剛石部分已看不出初始的顆粒形貌,黑色區(qū)域內(nèi)金剛石顆粒部分破碎細(xì)化,大部分尺寸比初始晶粒小,在燒結(jié)條件下顆粒表面在助劑中經(jīng)歷了溶解析出生長的過程,最后粘接形成了整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)致密、平整,多屬于穿晶斷裂形式,而燒結(jié)樣品中的金屬相隨著微粉原始顆粒粒徑的增大,由零星點(diǎn)點(diǎn)的形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗饘賵F(tuán)。小粒度的樣品金屬相分布更均勻。金屬溶滲掃越PCD層的過程,金剛石粒徑越大,其溶滲速度越快,經(jīng)過高壓后,較大尺寸的金剛石顆粒間容易形成較大的空隙,隨后被熔融的金屬合金填充。

圖1 金剛石粒徑3-20μm合成的PCD層斷面的SEM圖Fig.1 SEM micro graphs of cross-section of PCD layer sintered with different g rain size(a)3μm,(b)10μm,(c)20μm

3.2 PCD層應(yīng)力的Ram an分析

拉曼散射光譜與固體分子的振動(dòng)有關(guān),并且只有當(dāng)分子的振動(dòng)伴有極化率變化時(shí)才能與激發(fā)光相互作用,產(chǎn)生拉曼散射。當(dāng)物體存在應(yīng)力時(shí),某些對應(yīng)力敏感的譜帶會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)和變形。其中拉曼峰頻率偏移的改變與所受應(yīng)力成正比[14]。因此可以通過Ram an峰的偏移來判斷高壓合成的PDC樣品中存在應(yīng)力的大小。

我們假設(shè)樣品在金屬熔滲后處在流體凈應(yīng)力的狀態(tài)下,采用流體凈應(yīng)力參數(shù)的平均值,通過計(jì)算可以得到合成樣品的應(yīng)力大小。計(jì)算公式如下[5]:

σh是殘余應(yīng)力,γo是沒有應(yīng)力下的金剛石Ram an光譜波數(shù)(取1332cm-1為基點(diǎn)),γ是被測PCD中各點(diǎn)的金剛石Raman光譜波數(shù),計(jì)算值的正負(fù)分別表示拉應(yīng)力和壓應(yīng)力兩種應(yīng)力形式。

因此,分別對不同參數(shù)下的樣品聚晶層表面進(jìn)行了Ram an光譜測試,設(shè)備是RENISHAE invia Ram an Microscope(514nm 1k seriesA r+laser,50倍物鏡,20mW激光能量,20s掃描時(shí)間)。在測試樣品的Ram an掃描中,每個(gè)樣品多個(gè)測試點(diǎn)中選取一個(gè)近似于平均值的Ram an峰進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算表征。圖2是不同金剛石原料粒徑燒結(jié)樣品的Ram an光譜。

圖2 不同粒徑燒結(jié)PDC樣品的Ram an光譜圖Fig.2 Ram an spectra of PDC samples sintered with different diamond grain size

圖2的拉曼光譜可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:在其他參數(shù)一致的情況下,PDC金剛石層應(yīng)力隨著金剛石原料微粉粒徑的增大而增大,筆者認(rèn)為金剛石顆粒在金屬溶劑中的溶解析出再結(jié)晶的難易對合成PDC應(yīng)力的影響有很大的關(guān)系,較小的金剛石微粉粒度在燒結(jié)條件下更有利于金剛石顆粒在金屬溶劑的環(huán)境下表面溶解析出,形成金剛石間的粘結(jié)(D-D成鍵),同時(shí)可以有效的排雜,減少了晶界間的非金剛石相,樣品的殘余應(yīng)力較小;金剛石顆粒較大,顆粒間隙容易殘留多余金屬相,殘余應(yīng)力較高。

表1 不同粒徑金剛石微粉燒結(jié)的PDC的應(yīng)力值Table 1 Stress value of PDC sintered with different diamond grain size

把測試的拉曼光譜波數(shù)數(shù)值代入公式(1)得到對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值如表1所示。PCD層的應(yīng)力負(fù)值代表應(yīng)力形式為壓應(yīng)力,其數(shù)值最高0.22 GPa,低于其他文獻(xiàn)報(bào)道的應(yīng)力數(shù)值。

4 結(jié)論

以鎳基合金為燒結(jié)助劑制備了PDC。SEM結(jié)果表明:金剛石和金剛石以大面積粘結(jié)結(jié)構(gòu)存在,金剛石細(xì)粒度制備的PCD更致密,金屬相分布均勻;通過拉曼光譜的應(yīng)力表征,PCD層應(yīng)力為壓應(yīng)力形式,隨著金剛石原料微粉粒徑的增大而增大,數(shù)值范圍為0.12～0.22 GPa。

[1] R.H.Wen to rf,R.C.DeV ries and F.P.Bundy,Sci.,208(1980)873-880.

[2] D.H.Zijsling,SPE Paper 13260,1984.

[3] D.A.Gloowka and C.M.Stone,SPE D rilling Eng.,1(3)(1986)201-214.

[4] T.P.Lin,M.Hood,G.A.Cooper and R.H.Smith,J.Am.Ceram.Soc.,77(6)(1994)1562-1568.

[5] Shane A.Catledge,Yogesh K.Voh ra,Ram Ladi,Ghanshyam Rai,Diamond Relat.Mater.,5(1996)1159-1165.

[6] K.H.Chen,Y.L.Lai,J.C.L in,K.J.song,L.C.Chen,C.Y.Huang,diamond Relat.Mater.,4(1995)460.

[7] H.Windischmann,K.J.G ray,diamond Relat.Mater.,4(1995)837.

[8] H.Windischmann,G.F.Epps,Y.Cong,R.W.Collins,J.A pp l.Phys.,69(1991)2231.

[9] Y.vonKaenel,J.Stieg ler,J.M ich ler,E.B lank,J.A pp l.Phys.,81(1997)1726.

[10] K.W.Nugent,S.Prawer,diamond Relat.Mater.,7(1998)215.

[11] S.A.Catledge and Y.K.Voh ra,J.A pp l.Phys.,78(12)(1995)7053-7058.

[12] S.S.Mitra,O.Brafman,W.B.Dan iels and RK.Crawford,Phys.Rev.,186(1969)942.

[13] Monika Wieligo r,T.W.Zerda,diamond Relat.Mater.,17(2008)84-89.

[14] 方容川.固體光譜學(xué)[M].合肥:中國科技大學(xué)出版社,2003.

[15] 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.

Effect of original size of diamond on morphology and surface residua l stress in polycrystalline diamond(PCD)

JIA Hong-sheng1,L IYan-tao2,WANG Yan-di1,WANG Lian-ru1,MA Hong-an1,JIA Xiao-peng1
(1.State Key Laboratory of Super hard Materials,Jilin University,Changchun 130012;2.Henan University of Technology,Jiaozuo 450052,China)

Polycrystalline diamond compact(PDC)was prepared by infiltration method with nickel-based alloy as solvent under high temperature and high pressure(5.2～6.0GPa,1350℃～1450℃).Scanning electron microscopy(SEM)was used to observe the micro morphology of polycrystalline diamond(PCD)layer.Ram an spectroscopy was used to characterize the residual stress of PCD layer surface by hydrostatic stress model.It was found that dense and interlaced micro structure has form ed in PCD layer.The residual stress of PCD layer is a compressive in the range from 0.12 GPa to 0.22 GPa,which increases with the diamond crystal size increasing.

infiltration method;polycrystalline diamond(PCD);morpho logy;residual stress

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0021-03

1 引言

聚晶金剛石復(fù)合體(Polycrystalline diamond com pact,PDC),是在高溫高壓條件下將獨(dú)立的金剛石顆粒依靠顆粒之間的再生長,使整個(gè)金剛石微粉層粘結(jié)成為一體,形成高強(qiáng)度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生長型金剛石聚晶(D-D結(jié)合)。這是一種依靠聚晶層與硬質(zhì)合金基體的燒結(jié)復(fù)合、形成一體的復(fù)合材料。這種材料具有金剛石的耐磨性和強(qiáng)度以及硬質(zhì)合金基體材料的韌性和可焊接性,是一種優(yōu)良的切削工具材料與耐磨材料,廣泛地應(yīng)用于機(jī)械加工工具、石油與地質(zhì)鉆頭、砂輪修整工具等[1]。

2010-08-13

賈洪聲(1982-),男,吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士研究生,從事金剛石復(fù)合片的合成研究。