聚晶金刚石(PCD)的特点、分类、应用及聚结机理

2017-12-23 17:46| 发布者: | 查看: |

自从人造金刚石问世以来,50年代起人们就能在超高压高温条件下合成出其性能及结构与单晶金刚石相似的聚晶金刚石(PCD),70年代初期已有聚晶金刚石产品开始用于工业领域!
 
一、聚晶金刚石(PCD)的特点
 
1)可以直接合成或加工成特定规整形状;
 
2)晶粒呈现无序排列、无解理面、硬度均匀、各向同性
 
3)具有高硬度、高耐磨性及较高的强度,特别是高抗冲击性
 
4)可以设计或预测新产品的性能,赋予产品必要的特点,从而适应特定用途。正因如此PCD超硬材料才显示了强大的生命力。表1列出了PCD超硬材料与其它工具材料性能对比。
 
 
二、聚晶金刚石(PCD)的应用
 
PCD目前主要用于切削工具、石油钻探工具、拉丝模、矿山开采和耐磨元件等。由于聚晶金刚石是多晶结构,磨损无方向性,晶粒间隙可储存润滑油,用于拉丝模,不仅使用寿命比天然单晶拉丝模高,而且拉拔金属丝的表面质量好。PCD被成功地用于制造各种刀具,包括车刀、铣刀和镗刀等,用于加工高硬、耐磨的金属及非金属材料,其性能远远高于硬质合金刀具。
 
 
三、聚晶金刚石的分类
 
根据PCD中晶粒结合情况可把PCD分为自身烧结和中介结合烧结两种。
 
1、自身烧结:
 
在金刚石粉末中加入起触媒作用的金属可以加速烧结的进行,导致金刚石-金刚石的自身结合。从这一观点出发,铁族金属(如铁、钴、镍)及其合金是较好的粘结剂。
 
比较典型的自身烧结产品就是以硬质合金为衬底的复合片。采用此类粘结剂的烧结过程如下:将硬质合金片与金刚石微粉层分层组装,在加热过程中硬质合金中的Co熔融析出,扫越金刚石层,金刚石表面部分发生石墨化,这种由金刚石转变来的石墨促进了金刚石粒子的重排,在碳-钴共晶温度以上,石墨溶解到液相钴中直至饱和。在金刚石稳定区石墨的溶解度大于金刚石的溶解度,所以金刚石由钴液中析出。金刚石析出后,溶解可进一步进行,通过这种溶解析出过程,在金刚石晶粒间的液相钴的迁移,导致金 刚石与金刚石的自身结合,即形成D-D(Diamond-Diamond)键合。
 
D-D键合的PCD具有较高的冲击韧性,是优良的刀具材料。其存在的主要问题是热稳定性较差,原因之一是金刚石与钴的热膨胀系数相差很大,在加热、冷却过程中产生较大的热应力,高温时(750 ℃以上)发生金刚石与硬质合金基体表面上的层状剥落或性能变差;另一方面,聚晶内残存的金属Co熔点较低,而且是石墨-金刚石转变的双向催化剂,作为刀具材料或钻头材料在和金属基体钎焊过程中或工作过程中产生的高温下,金刚石很容易发生石墨化,使PCD强度降低。
 
Co系PCD的热稳定性限制了制品的应用范围。采用在金刚石层与硬质合金层之间加入立方氮化硼(CBN)过渡层的方法,可以成功地降低界面的热应力。而常用的提高热稳定性的方法为采用酸处理使Co析出,可使PCD的热稳定温度由700 ℃升高到1200~1300 ℃,但同时使PCD的强度降低了1/4~1/3,形成多孔结构。
 
在国内由于高压合成设备的限制,制作Co系PCD较困难,这种工艺应用较少。
 
 
2、中介结合烧结:
 
将金刚石微粉与适量的结合剂混合均匀,在高压高温下烧结而成。其中结合剂作为中介将金刚石颗粒聚结在一起,即形成D-M-D (Diamond-Metal-Diamond)键。
 
金属结合的PCD有较高的强度、韧性和不易破碎、断裂等优点,但由于金属结合剂刚性差、硬度低,且易被氧化,使PCD的硬度及耐磨性降低,极大地限制了金属结合剂的使用范围,减少了它在高负荷条件下的使用。
 
后来有专家提出在金属结合剂中加入Al2O3、TiN或TiB、BN等颗粒,形成金属陶瓷结合剂,PCD的韧性与耐磨性将有很大改善。在陶瓷结合的PCD中,最常用的是富硅系列的结合剂,即采用硅粉及其它单质粉末或用富硅的合金作粘结剂。采用热压浸渍法制备了SiC中介结合的PCD.硅的熔点是1415 ℃,而且大多数硅合金的熔点随所受压力的升高而下降,这样在达到烧结温度之前此类粘结剂均会产生液相起到促进烧结致密化并阻碍金刚石向石墨逆转变的作用,在烧结过程中金刚石与硅相反应形成β-SiC及硅的金属化合物。并以此作为结合桥将金刚石颗粒聚结在一起形成PCD。 
 
用这种方法合成的PCD中,金刚石的含量有70%~90%不等,结合剂均匀分布在PCD中,与金刚石接触的部分为SiC,SiC至少应占结合剂体积的50%以上,越高越好。因为SiC和金刚石以共价键结合,结合非常牢固,其本身具有较高的耐热性和硬度,而且热膨胀系数与金刚石相差不多,这样在烧结体中基本没有热膨胀系数差异引起的残余应力,所以SiC结合的PCD的热稳定性能很好,热稳定温度可达1300 ℃。因此这种PCD在机械加工工具、石油地质钻头、流体喷嘴、电气散热片及耐磨器件等领域有广泛的应用前景。国内生产的PCD以此类为主。
 
 
四、聚晶金刚石的聚结机理 
 
聚晶金刚石可分为无添加剂和有添加剂两种
 
无添加剂时靠自身结合为D-D键键合,需较高的压力(13 GPa以上)和较高的温度(3000 K以上);有添加剂时可大大降低烧结压力(约为6 GPa)和温度(1673~2100 K)。 
 
表面间的结合原理:把两种材料通过表面接触相互结合成复合材料。两种材料间的焊接、表面间的润湿性、表面镀膜、非均匀成核、PCD的聚结等,都存在粘合的问题,问题的中心就是要搞清楚两种表面按照什么样的原理才能粘合到一起,而且粘合的好,因此研究表面间的粘合原理具有普遍意义。 
 
可以从表面结构和表面接触时,双方原子间相互作用的规律来研究粘合问题。显然,A与B两种材料相互接触能粘合在一起的条件是,A面上的原子与B面上的原子相互作用成键,A与B两面间的粘合就是A面上的a原子与B面上的b原子之间相互作用成键的集体表现。要使它们粘合得好,在一般情况下,就要求两面接触很好,两面的结构有一定对应关系,使两面上的原子对得准,相互作用成键能力要强,这就是粘合的一般原理。这个原理包含两部分内容,即结构对应原理(即双方表面上原子分布有一定对应关系)和成键原理(即双方表面上的原子要能相互联结成键)。必须同时符合这两条原理,才能粘合,缺一不可。两面接触时,不一定要求所有面上的原子都能对得准,只要有相当多的原子对得准,且相互作用成键能力强就行了。若双方面上的所有原子都能对得准,且成键能力又强。
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