Si-Ti-B掺杂金刚石/硬质合金复合体的性能.pdf_大学文库

KEY WORDS:diamond,Si-Ti-B dopant,cemented carbide,mean free path 金刚石/硬质合金复合体(PDC)是在硬质合金的基片上，于高温高压下烧结上一层金刚石耐磨层。这种复合体综合了金刚石的高硬度和硬质合金的高强度及易焊性的优点，已应用于刀具和地质、石油钻头。 Si-Ti-B是国内广泛使用的金刚石烧结添加荆。Si-Ti-B掺杂的烧结金刚石多晶体或金刚石/硬质合金复合体可以在孩低的压力和温度下烧结。这种掺杂烧结金刚石的耐热性好。目前，一些文献1,2比较注意掺杂量或者金刚石粒度单因素对金刚石烧结体机械性能的影响。本文讨论上述两因素对S-Ti-B掺杂金刚石/硬质合金机械性能的综合影响，还讨论了它的耐热性等。 1实验方法实验采用4种粒度的金刚石，即：20、24、28、324m；掺杂量为：8%、10%、12%、 15%、20%共5种。掺杂物的组成为：84.5%Si、15%Ti、0.5%B。硬质合金基片为WC- 10%C0。金刚石粉经净化和真空处理后，与添加剂混合，然后同硬质合金片组装，在6× 1000t六面顶压机上烧结，烧结温度1650℃，压力5.6GPa,时间60s。磨耗比（耐磨性）按标淮JB3235-83进行测量。抗弯强度样品是将金刚石层切割下来，两端面经研磨、抛光而制成。3点抗弯试验的支点距离为7mm。耐热性一般是指其磨耗比无明显下降时所能承受的最高热处理温度。热处理温度分3组：750~1000℃、700~950℃ 和650~850℃，时涧为1、5、10min。试样在预定温度保温一定时间后水冷，然后测量热处理前后的磨耗比值W,和W,。W,/W。≈1时的热处理温度即为其耐热温度。金刚石的平均自由路程按Gurlard的公式计算t3)。没有观察到金刚石烧结时的品粒长大现象，因此，晶粒大小采用金刚石粉的原始粒度值。 2 试验结果和讨论 2,1金刚石层抗弯强度同掺杂量、金列石粒度的关系 1.2 1U% 128 15% 20% 1.0 0.8 0.6 6uTpuag 0.4 0.21 3020 30203020 3020 30 Grain size of diamond /um 图1不同棒杂量时金刚石粒度对抗夸强度的影响 Fig.1 Effect of diamond grain size on bending strength of PDC with different dopant content 443

它，一一，立，五金刚石硬质合金复合体少是在硬质合金的基片上，于高温高压下烧结上一层金刚石耐磨层。这种复合体综合了金刚石的高硬度和硬质合金的高强度及易焊性的优点，已应用于刀具和地质、石油钻头。一一是国内广泛使用的金刚石烧结添加剂。一一掺杂的烧结金刚石多晶体或金刚石硬质合金复合体可以在较低的压力和温度下烧结。这种掺杂烧结金刚石的耐热性好。目前，一些文献 “ ’ 〕比较注意掺杂量或者金刚石粒度单因素对金刚石烧结体机械性能的影响。本文讨论上述两因素对一一掺杂金刚石硬质合金机械性能的综合影响，还讨论了它的耐热性等。实验方法实验采用种粒度的金刚石，即。、、、协，掺杂量为、、编、、共种。掺杂物的组成为、、。硬质合金基片为。金刚石粉经净化和真空处理后，与添加剂混合，然后同硬质合金片组装，在六面顶压机上烧结，烧结温度一 ℃ ，压力。，时间。磨耗比耐磨性按标淮一进行侧量。抗弯强度样品是将金刚石层切割下来，两端面经研磨、抛光而制成。点抗弯试验的支点距离为。耐热性一般是指其磨耗比无明显下降时所能承受的最高热处理温度。热处理温度分组 ℃ 、。 ℃ 和一 ℃ 时间为、、。试样在预定温度保温一定时间后水冷，然后测量热处理前后的磨耗比值牙。和班，。研，甲。、时的热处理温度即为其耐热温度。金刚石的平均自由路程按盯的公式计算 ‘ ’ 。没有观察到金刚石烧结时的晶粒长大现象，因此，晶粒大小采用金刚石粉的原始粒度值。试验结果和讨论金刚石层抗奄强度同推杂量、金现石粒度的关系，。一一一一一一一一一一—一一一， ‘司一门﹄、， ‘、一夕一，伙概 ’ ‘ 。 ‘ 。 ’ “ 。 ’ 一才匕里一一全。口口。自。口之多一惋汁贫一一烤习龙『一一方多乏加不同掺杂量时金刚石粒度对抗弯强度的影响

图1表示金刚石粒度和掺杂量对抗弯强度的综合影响。在低掺杂量时(8%~10%)，抗弯强度随金刚石粒度的增加而提高，而在高掺杂量(15%~20%)时，抗弯强度随金刚石粒度的增大而下降。抗弯强度同掺杂量、金刚石粒度的关系可以归结为抗弯强度和平均自由程的关系 1.0 (图2)。图中示出抗弯强度的最大值，在平 12璃均自由程为0.85~0.95μm之间出现。当平均中月孩自由程即粘结相层厚度小于或大于此值时，抗 0.75 弯强度均下降。 15% 0.50 20蓝 WC-C0合金中抗弯强度与平均自由程的关系相，站面，这两种特料形意这种关系置的原因是不相同的。在WC-Co合金中，粘结相品层是塑性金属钴，而在Si-Ti-B掺杂的PDC 0.25 10% 中，粘结相则为脆性化合物SiC、TiC和TSi2 0 0.75 1.50 2.25 等。这类PDC是依靠掺杂物Si、Ti等在烧结 Meam free pathμm 时与金刚石的表面碳发生反应生成SiC、TiC 等，并通过这些碳化物把金刚石结合起来的。图2抗弯强度同平均自由程的关系因此，，PDC的力学性能同这些物相与金刚石 Fig.2 Bending Strength of PDC as a 的结合状况、粘结相自身的力学性质有关。 function of mean free path 当粘结相层过薄时，易形成不连续层，使金刚石晶粒间存在直接接触。而在实验祖度压力条件下，不可能发生金刚石的“自体结合”。要实现这种“固相烧结”，需要大于8.5GPa 压力和2440K以上的高温4？。因此，金刚石的直接接触区便成为PDC中的结合弱区和潜在裂纹源。平均自由程越小，粘结相层越薄，这类结合弱区就越多，表现出抗弯强度随平均自由程减小而降低的趋势。图3a是平均自由程为0.35μm时PDC的沿晶断口形貌。当粘结相层过厚时，粘结相自身的力学性质对PDC性能的影响增大，SiC、TiC、TSi: 的强度比金刚石低几倍到几十倍（表1），过厚的粘结相层必然会降低PDC的整体强度。当SC呈连续网状分布于金刚石晶粒界上时，削弱了晶界的断裂抗力，导致沿晶粒界的断裂。粘结相厚度越大，沿金刚石品粒界断裂的倾向就越大。因此，当粘结相层厚度超过一定范围时，抗弯强度随粘结相层厚度的增大而降低。图3b是平均自由程为1,14μm时PDC的沿晶断口照片。只有当粘结相层厚度适中时，才能发挥金刚石固有的良好强度，在抗弯强度与平均自由程的关系曲线中出现强度最大值。此时，断口表现为穿晶解理断裂。图3℃是平均自由程为表1金刚石和摻杂化合物的物理性质5’8) Table 1 Physical properties of diamond and dopant compound 材料弹性模，量抗粒强度热脑胀系数 ×105,N/mm2 N/mm2 ×10-6/℃ 金别石 9,50 4000 0,8 B-Sic 3.93 270 5.68 Tic 4.60 560、1050 7.74 TiSiz 2.64 150 444

图表示金刚石粒度和掺杂量对抗弯强度的综合影响。在低渗杂量时一。卜抗弯强度随金刚石粒度的增加而提高，而在高掺杂量写一时，抗弯强度随金刚石粒度的增。︺。尸功。自州宫叮大而下降。抗弯强度同掺杂量、金刚石粒度的关系可以归结为抗弯强度和平均自由程的关系图。图中示出抗弯强度的最大值，在平均自由程为。。卜之间出现。当平均自由程即粘笋相层厚度小于或大于此值时，抗弯强度均下降。「金刚石层抗弯强度与平均自由程的关系同一。合金中抗弯强度与平均自由程的关系很相似 ‘ “ 〕。然而，这两种材料，形成这种关系的原因是不相同的。在一。合金中，粘结相层是塑性金属钻，而在一一掺杂的中，粘结相则为脆性化合物、和等。选凑是依靠掺杂物、等在烧结时与金刚石的表面碳发生反应生成、等，并通过这些碳化物把金刚石结合起来的。因此，的力学性能同这些物相与金刚石的结合状况、粘结相自身的力学性质有关。，净图抗弯强度同平均自由程的关系。当粘结相层过薄时，易形成不连续层，使金刚石晶粒间存在直接接触。而在实验温度压力条件下，不可能发生金刚石的 “ 自体结合 ” 。要实现这种 “ 固相烧结 ” ，需要大于 · 界压力和以上的高温〔 ’ 。因此，金刚石的直接接触区便成为中的结合弱区和潜在裂纹凉。平均自由程越小，粘结相层越薄，这类结合弱区就越多，表现出抗弯强度随平均自由程减小而降低的趋势。图是平均自由程为。卜时的沿晶断口形貌。当粘结相层过厚时，粘结相自身的力学性质对性能的影响增大。、、，的强度比金刚石低几倍到几十倍表，过厚的粘结相层必然会降低的整体强度。当呈连续网状分布于金刚石晶粒界上时，削弱了晶界的断裂抗力，导致沿晶粒界的断裂。粘结相厚度越大，沿金刚石晶粒界断裂的倾向就越大。因此，当粘结相层厚度超过一定范围时，抗弯强度随粘结相层厚度的增大而降低。图是平均自由程为卜时的沿晶断口照片。只有当粘结相层厚度适中时，才能发挥金刚石固有的良好强度，在抗弯强度与平均自由程的关系曲线中出现强度最大值。此时，断口表现为穿晶解理断裂。图是平均自由程为表金附石和堆杂化合物的物理性质〔 ’ “ ’ 二，弹拌性模量坑粒强度热膨胀系数。，系金刚石夕一，。。一、。一一

石粒度的关系相似。在掺杂量较低时，磨耗比随金刚石粒度的增加而提高；而在高掺杂量时，磨耗比随金刚石粒度的增加而下降。磨耗比同掺杂量、金刚石粒度的关系也可以表示为同平均自由程的关系（图5)。图5同图2很相似。在磨耗比同平均自由程的关系曲线中，最大值出现在平均自由程0.75~0.954m之间，同抗弯强度最大值相应的平均自由程值相近。在做磨耗比试验时，金刚石层除发生正常磨粒磨损外，还受到冲击载荷和点载荷的作用。磨耗比值不仅与材料的硬度有关，还与材料的强度有关。因此，磨耗比同平均自由程的关系和抗弯强度与平均自由程的关系很相似是很自然的。 2.3耐热性图6是热处理前后的磨耗比值与热处理温度的关系。在900℃加热1mi和.磨耗比不降低，在750℃可安全工作10min。Si-Ti-B掺杂烧结金刚石/硬质合金复合体的耐热性比钻粘结金刚石/硬质合金复合体高100℃以上。其良好的耐热性同粘结相SiC、TiC具有好的耐热性有关。翻富集于金刚石表面，同其表面的悬挂键结合，也提高金刚石的热稳定性8)。如果在硬质合金层与金刚石层之间置一钽片，烧结时钽：阻挡硬质合金中钻液渗人金刚石层，可以进一步提高复合体的热稳定性。样品在950℃加热10mi后水谇，没有发现裂纹，而不加钽片的样品，在SEM下观察到金刚石晶粒间产生的裂纹。 3结论 (1)掺杂物加入量和金刚石粒度对PDC金刚石层的抗弯强度和磨耗比有明显影响。两者的综合影响可以归结为平均自由程即粘结相层厚度对性能的影响。 (2)在抗弯强度与平均自由程的关系曲线中，当平均自由程为0.85~0.954m时，抗弯强度出现最大值。对于低掺杂量材料，强度随平均自由程的增大而提高，而高掺杂量材料，强度随平均自由程的增大而降低。耐磨性与平均自由程的关系类似于抗弯强度与平均自由程的关系。 (3)Si-Ti-B掺杂烧结金刚石是依靠烧结时反应形成的粘结相SiC、TiC等结合起来的。当粘结相层（平均自由程）过薄时，存在金刚石-金刚石直接接触的结合弱区；而当粘结相层过厚时，强度和硬度都低于金刚石的粘结相降低PDC金刚石层的强度和耐磨性。只有当粘结相层厚度适中时才能发挥金刚石固有的良好强度和耐磨性。 (4)Si-Ti-B掺杂烧结金刚石的耐热性高于钴粘结金刚石。参考文献 1吕智，戴玉芝.超硬材料，1989，(4)：1 2刘勇。北京科技大学材料系硕士论文，1988,9 3 Gurland J,et al.J.of Metals,1955,(2):311 4 Horton M D,Poqe B J,Hall H T.Diamond Partner in Productivity, In Proceedings,(9)4;19 5萨姆索洛夫了B。难熔化合物手册。北京：中国工业出版社，1965：157 6 Field J E.Science of Hard Materials,1972:181 7苏文辉等。吉林大学学报，1988，(1)：28 446

石粒度的关系相似。在掺杂量较低时，磨耗比随金刚石粒度的增加而提高而在高渗杂量时，磨耗比随金刚石粒度的增加而下降。磨耗比同掺杂量、金刚石粒度的关系也可以表示为同平均自由程的关系图导。图同图很相似。在磨耗比同平均自由程的关系曲线中，最大值出现在平均自由程。终之间，同抗弯强度最大值相应的平均自由程值相近。在做磨耗比试验时，金刚石层除发生正常磨粒磨损外，还受到冲击载荷和点载荷的作用。磨耗比值不仅与材料的硬度有关，还与材料的强度有关。因此，磨耗比同平均自由程的关系和抗弯强度与平均自由程的关系很相似是很自然的。。耐热性图是热处理前后的磨耗比值与热处理温度的关系。在。 ℃ 加热。磨耗比不降低，在 ℃ 可安全工作。一一掺杂烧结金刚石硬质合金复合体的耐热性比钻粘结金刚石硬质合金复合体高 ℃ 以上。其良好的耐热性同粘结相、具有好的耐热性有关。硼富集于金刚石表面，同其表面的悬挂键结合，也提高金刚石的热稳定性 ‘ ’ 。如果在硬质合金层与金刚石层之间置一担片，烧结时担月阻挡硬质合金中钻液渗人金刚石层，可以进一步提高复合体的热稳定性。样品在 ℃ 加热后水淬，没有发现裂纹，而不加担片的样品，在下观察到金刚石晶粒间产生的裂纹。结论掺杂物加入量和金刚石粒度对金刚石层的抗弯强度和磨耗比有明显影响。两者的综合影响可以归结为平均自由程即粘结相层厚度对性能的影响。在抗弯强度与平均自由程的关系曲线中，当平均自由程为。一。产时，抗弯强度出现最大值。对于低掺杂量材料，强度随平均自由程的增大而提高，而高掺杂量材料，强度随平均自由程的增大而降低。耐磨性与平均自由程的关系类似于抗弯强度与平均自由程的关系。一一掺杂烧结金刚石是依靠烧结时反应形成的粘结相、等结合起来的。当粘结相层平均自由程过薄时，存在金刚石一金刚石直接接触的结合弱区而当粘结相层过厚时，强度和硬度都低于金刚石的粘结相降低金刚石层的强度和耐磨性。只有当粘结相层厚度适中时才能发挥金刚石固有的良好强度和耐磨性。一一掺杂烧结金刚石的耐热性高于钻粘结金刚石。参考文献吕智，戴玉芝超硬材料，，刘勇。北京科技大学材料系硕士论文，，，。，，，，。，年萨姆索洛夫难熔化合物手册。北京中国工业出版社，。，苏文辉等吉林大学学报，，吕，力