金剛石初始粒徑對金剛石聚晶層形貌及表面殘余應力的影響①

賈洪聲,李彥濤,王琰弟,王連儒,馬紅安,賈曉鵬

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012;2.河南工業大學,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.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012;2.河南工業大學,河南鄭州450052)

在高溫高壓條件下(5.2～5.6 GPa,1350℃～1450℃),以鎳基合金為燒結助劑采用熔滲法制備了金剛石復合片(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光譜利用靜水壓應力模型表征了PCD層表面應力。結果表明,PCD層形成了致密的交錯生長結構;PCD層表面殘余應力表現為壓應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;應力

PDC工具的殘余應力大小是評價其性能品質好壞的重要因素之一,在實際應用中由于存在較大的殘余應力,致使PDC工具出現崩刃、脫層等失效問題[2-3],嚴重地影響其性能的發揮。PDC產生殘余應力主要是由于金剛石與粘結劑之間的熱膨脹系數差別較大,同時燒結的PDC經過卸壓和停溫,應力會殘留在PDC中。L in et al.[4]檢測到PDC內部有巨大的殘余應力(1.4GPa),Catledge et al.[5]測試金剛石層不同區域的殘余應力為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力影響的規律及機理研究較少。因此,金剛石原料粒徑的選擇對制備優質低應力的PDC工具具有十分重要的意義。目前,各種測試應力的方法中,由于Ram an光譜測試應力具有無損樣品、制樣容易、聚焦尺寸小(1μm)等優勢,得到了人們廣泛的應用,已經成功地計算了CVD金剛石薄膜的殘余應力[6-12],而對高壓燒結的體材料應用還較少[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行了研究,推斷了其燒結過程及機理。采用Ram an光譜,引用應力模型表征了PDC體材料的表面殘余應力。

2 實驗方法

實驗是在國產SPD 6×1200型六面頂壓機上進行的。鎳基合金作燒結溶劑(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℃。燒結時間為10min。PDC燒結樣品直徑為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行打磨凈化處理,采用Ram an光譜表征了金剛石層表面的應力大小。

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構特征,對其金剛石聚晶層進行了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后的微觀形貌。其中,暗黑區域部分的成分為金剛石,白亮區域部分的成分為金屬粘結劑。經高溫高壓作用后,金剛石部分已看不出初始的顆粒形貌,黑色區域內金剛石顆粒部分破碎細化,大部分尺寸比初始晶粒小,在燒結條件下顆粒表面在助劑中經歷了溶解析出生長的過程,最后粘接形成了整體網狀結構,結構致密、平整,多屬于穿晶斷裂形式,而燒結樣品中的金屬相隨著微粉原始顆粒粒徑的增大,由零星點點的形態轉變為小金屬團。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層應力的Ram an分析

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

我們假設樣品在金屬熔滲后處在流體凈應力的狀態下,采用流體凈應力參數的平均值,通過計算可以得到合成樣品的應力大小。計算公式如下[5]:

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

因此,分別對不同參數下的樣品聚晶層表面進行了Ram an光譜測試,設備是RENISHAE invia Ram an Microscope(514nm 1k seriesA r+laser,50倍物鏡,20mW激光能量,20s掃描時間)。在測試樣品的Ram an掃描中,每個樣品多個測試點中選取一個近似于平均值的Ram an峰進行應力計算表征。圖2是不同金剛石原料粒徑燒結樣品的Ram an光譜。

圖2 不同粒徑燒結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的拉曼光譜可以發現如下規律:在其他參數一致的情況下,PDC金剛石層應力隨著金剛石原料微粉粒徑的增大而增大,筆者認為金剛石顆粒在金屬溶劑中的溶解析出再結晶的難易對合成PDC應力的影響有很大的關系,較小的金剛石微粉粒度在燒結條件下更有利于金剛石顆粒在金屬溶劑的環境下表面溶解析出,形成金剛石間的粘結(D-D成鍵),同時可以有效的排雜,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,殘余應力較高。

表1 不同粒徑金剛石微粉燒結的PDC的應力值Table 1 Stress value of PDC sintered with different diamond grain size

把測試的拉曼光譜波數數值代入公式(1)得到對應的應力數值如表1所示。PCD層的應力負值代表應力形式為壓應力,其數值最高0.22 GPa,低于其他文獻報道的應力數值。

4 結論

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

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

[14] 方容川.固體光譜學[M].合肥:中國科技大學出版社,2003.

[15] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學[M].北京:中國建材工業出版社,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

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

2010-08-13

賈洪聲(1982-),男,吉林大學超硬材料國家重點實驗室,博士研究生,從事金剛石復合片的合成研究。