金刚石初始粒径对金刚石聚晶层形貌及表面残余应力的影响①

贾洪声,李彦涛,王琰弟,王连儒,马红安,贾晓鹏

(1.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012;2.河南工业大学,河南郑州450052)

金刚石初始粒径对金刚石聚晶层形貌及表面残余应力的影响①

贾洪声1,李彦涛2,王琰弟1,王连儒1,马红安1,贾晓鹏1

(1.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012;2.河南工业大学,河南郑州450052)

在高温高压条件下(5.2～5.6 GPa,1350℃～1450℃),以镍基合金为烧结助剂采用熔渗法制备了金刚石复合片(PDC)。采用SEM考察了不同金刚石微粉粒径制备的金刚石复合片中金刚石聚晶(PCD)的组织形貌。通过Ram an光谱利用静水压应力模型表征了PCD层表面应力。结果表明,PCD层形成了致密的交错生长结构;PCD层表面残余应力表现为压应力并随着初始金刚石微粉粒径的增大而增大,其值为0.12-0.22GPa。

镍基;PCD;金刚石;形貌;应力

PDC工具的残余应力大小是评价其性能品质好坏的重要因素之一,在实际应用中由于存在较大的残余应力,致使PDC工具出现崩刃、脱层等失效问题[2-3],严重地影响其性能的发挥。PDC产生残余应力主要是由于金刚石与粘结剂之间的热膨胀系数差别较大,同时烧结的PDC经过卸压和停温,应力会残留在PDC中。L in et al.[4]检测到PDC内部有巨大的残余应力(1.4GPa),Catledge et al.[5]测试金刚石层不同区域的残余应力为0.87～1.3 GPa。另外,制备PDC的过程中金刚石微粉粒径对样品应力影响的规律及机理研究较少。因此,金刚石原料粒径的选择对制备优质低应力的PDC工具具有十分重要的意义。目前,各种测试应力的方法中,由于Ram an光谱测试应力具有无损样品、制样容易、聚焦尺寸小(1μm)等优势,得到了人们广泛的应用,已经成功地计算了CVD金刚石薄膜的残余应力[6-12],而对高压烧结的体材料应用还较少[13]。本文中,采用SEM对不同粒度金刚石原料制备PDC材料中金刚石层的微观组织形貌进行了研究,推断了其烧结过程及机理。采用Ram an光谱,引用应力模型表征了PDC体材料的表面残余应力。

2 实验方法

实验是在国产SPD 6×1200型六面顶压机上进行的。镍基合金作烧结溶剂(触媒),选用平均粒径为3μm、10μm和20μm的金刚石微粉作原料,YG16碳化钨作基底。高温高压制备条件为5.2～5.6 GPa,1350℃～1450℃。烧结时间为10min。PDC烧结样品直径为14mm。采用SEM分析了PDC样品(a、b、c)金刚石层断面的微观组织形貌,对制备样品的表面进行打磨净化处理,采用Ram an光谱表征了金刚石层表面的应力大小。

3 分析与讨论

3.1 PCD微观组织形貌的SEM分析

为考察镍基合金制备PDC各粒径条件下样品的微观组织结构特征,对其金刚石聚晶层进行了SEM(JXA—8200)扫描。如图1所示,可以清晰地看出金刚石聚晶层烧结后的微观形貌。其中,暗黑区域部分的成分为金刚石,白亮区域部分的成分为金属粘结剂。经高温高压作用后,金刚石部分已看不出初始的颗粒形貌,黑色区域内金刚石颗粒部分破碎细化,大部分尺寸比初始晶粒小,在烧结条件下颗粒表面在助剂中经历了溶解析出生长的过程,最后粘接形成了整体网状结构,结构致密、平整,多属于穿晶断裂形式,而烧结样品中的金属相随着微粉原始颗粒粒径的增大,由零星点点的形态转变为小金属团。小粒度的样品金属相分布更均匀。金属溶渗扫越PCD层的过程,金刚石粒径越大,其溶渗速度越快,经过高压后,较大尺寸的金刚石颗粒间容易形成较大的空隙,随后被熔融的金属合金填充。

图1 金刚石粒径3-20μm合成的PCD层断面的SEM图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层应力的Ram an分析

拉曼散射光谱与固体分子的振动有关,并且只有当分子的振动伴有极化率变化时才能与激发光相互作用,产生拉曼散射。当物体存在应力时,某些对应力敏感的谱带会产生移动和变形。其中拉曼峰频率偏移的改变与所受应力成正比[14]。因此可以通过Ram an峰的偏移来判断高压合成的PDC样品中存在应力的大小。

我们假设样品在金属熔渗后处在流体净应力的状态下,采用流体净应力参数的平均值,通过计算可以得到合成样品的应力大小。计算公式如下[5]:

σh是残余应力,γo是没有应力下的金刚石Ram an光谱波数(取1332cm-1为基点),γ是被测PCD中各点的金刚石Raman光谱波数,计算值的正负分别表示拉应力和压应力两种应力形式。

因此,分别对不同参数下的样品聚晶层表面进行了Ram an光谱测试,设备是RENISHAE invia Ram an Microscope(514nm 1k seriesA r+laser,50倍物镜,20mW激光能量,20s扫描时间)。在测试样品的Ram an扫描中,每个样品多个测试点中选取一个近似于平均值的Ram an峰进行应力计算表征。图2是不同金刚石原料粒径烧结样品的Ram an光谱。

图2 不同粒径烧结PDC样品的Ram an光谱图Fig.2 Ram an spectra of PDC samples sintered with different diamond grain size

图2的拉曼光谱可以发现如下规律:在其他参数一致的情况下,PDC金刚石层应力随着金刚石原料微粉粒径的增大而增大,笔者认为金刚石颗粒在金属溶剂中的溶解析出再结晶的难易对合成PDC应力的影响有很大的关系,较小的金刚石微粉粒度在烧结条件下更有利于金刚石颗粒在金属溶剂的环境下表面溶解析出,形成金刚石间的粘结(D-D成键),同时可以有效的排杂,减少了晶界间的非金刚石相,样品的残余应力较小;金刚石颗粒较大,颗粒间隙容易残留多余金属相,残余应力较高。

表1 不同粒径金刚石微粉烧结的PDC的应力值Table 1 Stress value of PDC sintered with different diamond grain size

把测试的拉曼光谱波数数值代入公式(1)得到对应的应力数值如表1所示。PCD层的应力负值代表应力形式为压应力,其数值最高0.22 GPa,低于其他文献报道的应力数值。

4 结论

以镍基合金为烧结助剂制备了PDC。SEM结果表明:金刚石和金刚石以大面积粘结结构存在,金刚石细粒度制备的PCD更致密,金属相分布均匀;通过拉曼光谱的应力表征,PCD层应力为压应力形式,随着金刚石原料微粉粒径的增大而增大,数值范围为0.12～0.22 GPa。

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

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[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.

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[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.固体光谱学[M].合肥:中国科技大学出版社,2003.

[15] 孙毓超,刘一波,王秦生.金刚石工具与金属学[M].北京:中国建材工业出版社,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

聚晶金刚石复合体(Polycrystalline diamond com pact,PDC),是在高温高压条件下将独立的金刚石颗粒依靠颗粒之间的再生长,使整个金刚石微粉层粘结成为一体,形成高强度网状结构的生长型金刚石聚晶(D-D结合)。这是一种依靠聚晶层与硬质合金基体的烧结复合、形成一体的复合材料。这种材料具有金刚石的耐磨性和强度以及硬质合金基体材料的韧性和可焊接性,是一种优良的切削工具材料与耐磨材料,广泛地应用于机械加工工具、石油与地质钻头、砂轮修整工具等[1]。

2010-08-13

贾洪声(1982-),男,吉林大学超硬材料国家重点实验室,博士研究生,从事金刚石复合片的合成研究。