關于合成金剛石復合片的幾點思考

白云崗

(山東昌潤鉆石股份有限公司,山東聊城 252000)

關于合成金剛石復合片的幾點思考

白云崗

(山東昌潤鉆石股份有限公司,山東聊城 252000)

針對金剛石復合片制備過程中的組裝模式、金剛石微粉性能和組成、合成工藝等方面存在的問題進行了分析,并提出一些改進意見,以期為國內金剛石復合片的發展提供參考。

內部應力;燒結質量;微粉形狀;合成塊結構

由于宏觀經濟形勢的影響,金剛石行業當前已進入一個低谷,各個企業都在尋找新的利潤增長點,復合片由于其較高的技術門檻和利潤成了大家的關注點,下面對于合成金剛石復合片說一些自己的看法,不對之處請指正。

1 關于內應力

合成腔體結構圖如圖1、圖2。

從以上兩圖的對比可以看出,在合成復合片時,在縱向和橫向頂錘同時施壓,腔內壓力分布在橫向和縱向的差別是比較大的,而在合成金剛石時橫向和縱向的差異相對來說就要小得多了。

圖1 金剛石合成塊結構圖Fig.1 structure of synthetic block

圖2 金剛石復合片結構圖Fig.2 structure of diamond compact

原因:縱向元件的傳壓性能要遠好于橫向,縱向元件主要有堵頭、金屬片、鹽片、復合片套柱,這些元件都是不容易被壓縮的,而在橫向有較厚的葉蠟石層,葉蠟石在高壓下卻是易壓縮的,所以在縱向上壓力的傳遞要比橫向上容易得多,也導致最中間復合層所在的區域橫向方面存在較大的壓力梯度。

對于這一點我想可有以下幾種解決方法:

(1)把雙粒組裝更改為單粒組裝,一粒的容間由易壓縮的物質代替,這樣可以達到目的,但是這樣做使合成的效率大大降低(一次只能合成一粒),成本會顯著升高。

(2)改進結構,把腔體擴大,同時改變堵頭的材質及結構,從而減少縱向組裝結構的密度。

(3)減薄基體,在合成復合片的過程中,幾個GPa的壓力和1000多攝氏度的溫度,會使基體和復合層產生變形,在合成完成之后,壓力沒有了,溫度也改變為室溫,由于基體和復合層的熱膨脹系數和壓縮系數是不同的,壓力和溫度導致的形變就會產生較大的內部應力,減薄基體后會使復合片的體積變小,從而可以使內部應力大大降低,也可以使一塊合成多粒成為可能,進一步提高效率。燒結完成后再用焊接的方法把減去的基體接上。

(4)在工藝上想辦法,由材料熱處理的方法可以想到,采用合適的降溫、降壓模式也可以從一定程度上降低復合片的內部應力。

2 關于金剛石微粉

(1)微粉形狀對合成的影響

金剛石是自然界中最硬的物質,微粉是用破碎金剛石單晶的方法得到的,現在用的微粉形狀以片狀和條狀的居多,如果從微觀上分析,片狀和條狀在合成過程中,顆粒之間的壓力和球狀是有區別的,對合成的影響也可想而知。所以采用球狀微粉是提高復合片性能的有效方法之一。

(2)微粉質量的影響

對于這一點大家應有共識,如果微粉質量不好,以Ⅱ型料破碎得到的微粉與以高檔料破碎得到的微粉,在合成復合片時性能是有較大的差異的,因為組成材料本身強度不高,燒結后復合片本身也不會有高的強度。

基于以上兩點,可以看出它們是有矛盾的。因為,以高檔料破碎得到合適形狀的微粉是十分困難的,因為料的強度越高在破碎過程中得到的片狀、條狀微粉的比例就越高,合格品產出率就低,所以球狀高強度的金剛石微粉在市場上是非常少見的。

(3)粒度組成的影響

選用幾個不同的粒度,然后調整其組成的比例,這樣可以降低微粉之間的空隙,提高復合片的致密性,致密性達到一定程度,采用無鈷燒結就會非常的困難,如果采用添加燒結劑的方法,復合片的燒結質量又難以保證,這個原因在很多資料上都有說明。

從國外的片子上也可以看出,并非是微粉之間的空隙越小越好。

下圖為某進口復合片拋光后400倍照片。

圖3 某進口復合片拋光后400倍照片Fig.3 ×400 photo of an imported diamond compact after polishing

既然是微粉的質量越好對合成復合片越有利,那如何檢測微粉的質量就變得非常重要了。那么如何檢測微粉質量的好壞呢?和金剛石單晶不同,從顏色上去區分微粉質量已經十分的困難,并且粒度越細難度越大。如果采用磁性的方法,由于靜電的作用、及細粒度的吸附作用,也難以實現。兩者之間的差異就是內部雜質的含量,由于雜質的含量是×10-6級的,所以用燒蝕的方法也難以實現。

3 關于合成工藝

對于合成工藝,其中只有三個參數:壓力、溫度和時間,看起來十分的簡單,但是組合起來種類就太多了,所以要通過理論去指導我們研究的方向。

單純的就燒結的質量來說,就是在微粉之間形成D-D鍵,微粉之間以D-D鍵充分結合,連接點越多越大則燒結質量就越好。

首先,把金剛石微粉通過D-D鍵連接,這一點我們大家都可以做到,然后就是提高燒結的質量,無非是使微粉之間D-D鍵連接的點變大、變多,形成D-D鍵也是一個生長的過程,既然前期已經形成,那么在后期讓這個過程繼續進行下去就可以了,影響生長的因素前面已經提到,也就是繼續提供合適的環境就可以了。壓力不夠我們就提壓力,溫度不夠我們就提高功率,時間不夠我們就延長燒結時間,這樣分析似乎十分的簡單。

既然這樣,為什么想把復合片做好就這么難呢?

我們提到了壓力和溫度,但是壓力和溫度我們在合成時難以通過直接進行測量而得到,只能通過間接的手段得到,但是誤差十分的大,這個誤差對于復合片燒結質量的影響是致命的。

合成腔體內的壓力和溫度與我們可以直接測量到的壓力和溫度是有一定關系的,我們在分析時提到的壓力和溫度是合成腔體內的壓力和溫度。

因此我們應該通過一定的手段去分析和總結腔體內的壓力和溫度與我們可以直接測量到的壓力和溫度之間的關系,一旦我們掌握兩者之間的關系,就可以根據燒結生長理論去指導我們如何讓腔體內的壓力和溫度按照我們意愿隨時間變化,那么合成出燒結質量好的復合片就變得不是那么難了。

4 關于結構塊的保溫

在合成過程中,結構塊的保溫越好,那么其升溫越快,合成用時也越短,但是對于合成金剛石復合片我有不同的看法。因為,真正參于合成的熱量非常少,多數的熱量都散失了,保溫越好,那么散失的熱量也越少,但是也有缺點,就是腔體內的溫度波動性會變大(塊與塊之間),加熱管的電阻是有波動的,并且還較大,所以保溫越好,合成使用的功率也越低,也會使加熱管波動產生的熱量占總熱量的比例加大,從而腔體內的溫度差異也越大。從這一點上說,保溫越差越好,但是這也帶來頂錘溫度升高、頂錘壽命降低、合成中電費成本升高的問題。

5 小結

合成金剛石復合片是一個系統工程,包括很多的環節,任何一個環節做得不好,最終都會影響復合片的質量。

原材料的質量:比如微粉質量、微粉的形狀、微粉的粒度組成、基體質量;

合成結構:如何降低塊之間溫度和壓力的差異、如何減少復合片的內部應力;

混料:如何保證不同粒度的金剛石微粉均勻的混合,粒度越細則混合均勻的難度也越大;

合成工藝:使用多長時間、溫度多高、壓力多少才可以使微粉充分D-D結合,但是我們要了解內部壓力和溫度如何才能按照我們的意愿實行變化。

單純的就燒結的質量來說,就是在微粉之間形成D-D鍵,微粉之間充分結合。

在這里沒有說復合片質量。原因是,不同用途的復合片,其對性能指標的要求是不同的。比如,耐磨性能好的復合片和耐沖擊性能好的復合片,其特點是不同的,這兩種復合片所用工藝也是有區別的。

A Few Thoughts on Synthetic Diamond Compact

BAI Yun-gang
(CR GEMS DIAMOND CO.,LTD Liaocheng,Shandong 252000,China)

The existing problems during the process of diamond compact preparation such as the assembly model,diamond powder performance and composition and synthetic technique have been analysed and some suggestions of improvement have been given in order to give reference to the development of domestic diamond compact.

internal stress,sintering quality,powder shape,structure of synthetic block

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0060-03

2015-01-30

白云崗(1975-),畢業于哈爾濱工業大學,本科學歷,副高職稱,2013年被評為“聊城市最有突出貢獻的中青年專家”稱號,現任昌潤鉆石股份有限公司總工程師。

白云崗.關于合成金剛石復合片的幾點思考[J].超硬材料工程,2015,27(1):60-62.