耐高溫與高強金剛石研究

李正時，林秀峰

（山東昌潤鉆石股份有限公司，山東 聊城 252000）

1 概述

金剛石在中國工業化生產以來，技術發展一直呈高速態勢。尤其是在六面頂壓機上，自粉末合成體系全面替代片狀合成體系以來，在高端金剛石生產領域，中國迅速趕超國外先進水平。近幾年中國金剛石生產技術全面迅速發展，寶石級金剛石、高品質超細金剛石均已實現產業化生產。

技術水平的不斷提高，不僅使金剛石品質有大幅提升，同時，隨著生產裝備的大型化，生產效率也大幅提高，生產成本不斷下降，小壓機不斷被淘汰。隨著金剛石品級的不斷提高及成本下降，有的國外大公司在激烈的市場競爭中逐步退出金剛石單晶的生產領域。

超硬材料及超硬材料工具的應用領域也在不斷發展，更高的質量要求，更快的加工效率，更苛刻的應用條件。這一切都對以前普遍同質化的超硬材料及超硬材料工具提出了一些新的需求，個性化的需求，差異化的需求。

理想的金剛石結構，當然是理論模型結構（圖1）。目前，高品級的天然鉆石更接近理想狀態，一些特殊應用還需選擇天然金剛石，以發揮其卓越的品質。

更大的應用領域對超硬材料的性能提出各式各樣的要求［1］，尤其對金剛石的化學惰性、熱穩定性、鋒利度和耐磨性，常見的粒度分布、形貌更是提出了非常嚴格的要求［2］，以適應日益提高的應用條件。面對市場新的要求，超硬材料生產企業通過不斷研究開發新產品，來滿足市場需求。

圖1 金剛石外觀結構 金剛石內部碳原子排列情況Fig.1 Diamond appearance structure and diamond internal atomic arrangement

昌潤鉆石公司提出了以客戶為焦點，實現產品差異化及定制化服務的企業理念。

面對市場新的需求，有的應用領域要求金剛石對鐵族元素具有惰性，以實現良好的加工性能。而在另一些應用領域，材料硬度高，對金剛石的高抗沖指標及耐磨性提出更高要求。更高的電鍍工具生產條件對金剛石的磁性也提出了更高要求。

有的被加工材料具有顯著的特點，比如磁性材料對金剛石的惰性、耐高溫性能有很高要求。同時，對其鋒利度和耐磨性也有綜合性要求［3］，僅有良好鋒利度而大幅縮減壽命或耐磨性較高金剛石鈍化失效嚴重的均不理想，傳統性能特點及分級方式難以適應這些被加工材料。

基于以前各專家學者的理論研究及工程實踐。金剛石晶格中摻入雜質，會對金剛石的性能產生很大影響。基于這些研究，我們開展通過選擇材料和添加劑，采用相應工藝控制，以達到調整金剛石性能的目標。從而適應部分應用領域對金剛石材料的特殊要求。

昌潤鉆石對耐高溫金剛石和高強度金剛石兩個應用方向進行了研究。耐高溫及對鐵族元素具有相當惰性的金剛石系列為CRT，具有高強指標適合于高沖擊強度工作條件的金剛石系列為CRG。

2 實驗

2.1 實驗目標

實驗目標為：控制非碳元素在金剛石晶體內的含量及分布，使金剛石的某些性能得以改善。結合金剛石形貌控制，對其耐磨性及解理特性會產生差異化影響，從而實現對工程應用的適應性，實現對金剛石產品性能差異化，從而適應高端應用對金剛石工具要求的差異化。

CRT和CRG金剛石的實驗以現有金剛石生產體系為基礎，具體結構為通用結構，不再詳述。只針對組裝塊的加熱元件作微調，以適應工藝需要。

2.2 材料準備

材料選擇和工藝實驗分別針對兩個方向特點的金剛石選擇調整［5］。

針對CRT和CRG金剛石的不同實驗目標，分別選擇不同材料、添加劑品種和數量。按科學實驗方法，對材料選擇、添加劑選擇驗證實驗。圖2和圖3為代表材料。

圖2 典型石墨SEM圖片Fig.2 SEM image of typical graphite

圖3 典型觸媒SEM圖片Fig.3 SEM image of typical catalyst

2.3 工藝調整

根據所選材料及添加劑的品種和數量，設計工藝，以適應材料特性［4］。以實現控制添加劑在金剛石晶體內的分布與含量總體目標。

工藝為通用工藝的微調，不再詳述。

2.4 樣品檢測

經一系列試驗，CRT和CRG系列金剛石分別達到設計目標。過程中試驗樣較多，總的調整是在鋒利度、耐磨性、耐熱性這幾個重要質量特性之間平衡選擇［6］。中間樣不再詳述。對穩定后的批量金剛石樣進行簡介。

CRT料經Ti檢測，其篩下料（圖5），與普通金剛石相比細粉較少，形貌與國外高端金剛石（圖4）相近。并且其具有良好的耐高溫性。

圖4 國外高端料破碎形態（篩下物）Fig.4 Foreign high material crushing form （sifting）

CRT金剛石其耐高溫性能與普通金剛石相比，燒蝕變化曲線如圖6。比普通的要高150℃左右。這種金剛石在一定的使用條件下，會有明顯優勢。其對鐵族元素惰性，還需用制造工具驗證。

CRG金剛石高料強度指標與普通料高料指標相比明顯高，磁化率也很低。表1為CRG系列金剛石與昌潤公司CRJ系列金剛石高料的強度指標對比。

圖5 CRT高料破碎形態（篩下物）Fig.5 CRT high material crushing form （sifting）

圖6 70／80CRT與CRJ金剛石耐燒蝕對比Fig.6 CRT and CRJ diamond（70／80）ablation contrast

表1 CRG系列金剛石與昌潤公司CRJ系列金剛石高料的強度指標對比Table 1 Comparison of the strength of CRG high grade diamond and CRJ high grade diamond

CRG金剛石高品極料樣品，送國外有需求的客戶檢測，認為指標與國外高端金剛石相當，可以在孕鑲鉆頭等高端領域考慮試用對比。

3 工具應用

經一系列合成實驗，樣品指標取得預期結果，開始進行一系列工具驗證實驗。

CRT金剛石在用于混凝土的薄壁鉆、用于干切的小鋸片、排鋸、鐵族元素磨輪等方向進行驗證試驗。

在對耐溫和對鐵族元素惰性［7］要求較高的混凝土薄壁鉆試用上，鋒利度與壽命比客戶對比項高30%。排鋸試用也達到國外高端專用產品相當程度。干切小片也表現出耐高溫性好［8］的優良特點。在不能發揮優勢的應用條件下，其表現與普通金剛石料相當。

用于鐵族元素磨輪的應用也取得預期效果，圖7為磨輪局部。

圖8為磨輪局部典型區域放大，從圖中可以看出，磨鈍金剛石未明確呈現，金剛石分布以完整金剛石、微破碎金剛石、再破碎金剛石、完全破碎金剛石為分布特點，符合預期失效模型。說明CRT金剛石對這種應用條件有適用性。

圖9、圖10、圖11、圖12為用后磨輪上的典型形態金剛石放大圖片。

圖7 磨輪用后局部形貌Fig.7 Morphology of the used grinding wheel

圖8 磨輪用后局部形貌Fig.8 Morphology of the used grinding wheel

圖9 完整金剛石SEM圖片Fig.9 SEM image of integrity diamond

圖10 微破碎金剛石SEM圖片Fig.10 SEM image of micro broken diamond

圖11 再破碎金剛石SEM圖片Fig.11 SEM image of recrushing diamond

圖12 完全破碎金剛石SEM圖片Fig.12 SEM image of completely broken diamond

4 結束語

通過以上實驗和工具試驗應用分析，金剛石性能在超硬材料工具應用領域細分條件下還有很大的調整空間。目前表達金剛石質量特性的表征參數還可以進一步完善細化，以滿足不斷發展的高要求和差異化要求，以取得更好的應用效果，擴大應用領域。