单晶金刚石在铁基合金中的性态与行为

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.05.007 第18卷第5期 北京科技大学学报 Vo1.18No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 单晶金刚石在铁基合金中的 性态与行为 王岚山 郭西缅2) 1)北京科技大学材料系，北京1000832)北京科技大学物理系，北京100083 摘要将金刚石单晶孕镶在F基合金中，在一定条件下烧结，发现金刚石受到明显刻蚀，但晶体结构 和强度未变.刻蚀在金刚石与结合剂的界面发生，它是金刚石晶格中的C原子溶人F,并在其中扩散 的过程.适当控制这一扩散过程，将使Fε基结合剂的金刚石工具获得优良性能. 关键词刻蚀，扩散，金刚石 中图分类号TQ164 Fe,Co,Ni等元素均可不同程度地刻蚀金刚石，例如，Fe的刻蚀速率为8lm/min,Ni 和Pt相应为2.7×10-和5×10·'m/min,其中以Fe的刻蚀速度最大，它约为Ni的30 倍四，因此，长期以来，采用F基合金做金刚石工具的结合剂受到限制.本文对单晶金刚石 在F基结合剂中的性态与行为进行了检测与追踪，探讨刻蚀的机制. 1实验方案 将单晶金刚石孕镶在F基合金的结合剂中，用热压法获得烧结体，烧结温度分别为 980和930℃，保温时间为4mi.将烧结体断开，把一半样品中的金刚石单晶颗粒萃取提 出，用于性能、结构检测；另一半样品留作断口观察与分析. 将样品中萃取的金刚石单晶与同批原料金刚石单晶，在单粒抗压强度仪上进行强度检 测与比较，对萃取提出的金湖石单晶进行拉曼光谱考察，以鉴定金刚石晶体结构是否有石 墨化.对烧结体的断口作俄歇微区成分分析，用以寻找C原子踪迹.因为烧结体是一种无C 的Fe基合金，若发现C原子，则必定与金刚石单晶的某种行为有关. 2实验结果 2.1单晶金刚石形貌 从烧结体中萃取提出的单晶金刚石颗粒可观察到表面颜色变黑.在扫描电镜下观察， 金刚石表面已被中度刻蚀.从图1可见到，金刚石单晶的(100)晶面、(111)晶面有被刻蚀的 花纹，但品体的棱角保持清晰， 1995-12-10收稿第一作者女54岁副教投

第1 8 卷 第5 期 1 9 9 6 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s ity o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij in g V 0 1 . 1 8 N 0 . 5 o e t . 1 9 9 6 单晶金 刚石在 铁基合金 中的 性态 与行为 王 岚 `) 郭西 缅 “ ) l ) 北京科技大学材料系 , 北 京 10 0 0 8 3 2 ) 北京科技大学物理系 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 将金刚石单晶 孕镶在 F e 基 合金 中 , 在一定 条件 下烧 结 , 发现金 刚石受到明显刻蚀 , 但晶体结构 和强 度未变 . 刻蚀在金 刚石 与结合 剂的界 面 发生 , 它是金 刚石 晶格 中的 C 原子溶入 eF , 并在 其中扩散 的过 程 . 适 当控制这一 扩散过程 , 将使 eF 基结合 剂的金 刚石工具获得优 良睦能 关键词 刻蚀 , 扩散 , 金刚石 中图分类号 T Q 1 6 4 eF , co , iN 等元 素均 可 不 同程 度地 刻蚀金 刚石 , 例如 , eF 的刻蚀 速率 为 8 } L m / m in , N i 和 P t 相应 为 2 . 7 x 10 一 ’ 和 5 x 10 一 飞 冬: ,二 / m i n , 其 中以 F e 的刻 蚀速 度 最大 , 它 约为 N i 的 3 0 倍 ! ’ ] . 因 此 , 长期 以 来 , 采用 F e 基合 金 做金 刚石工具 的 结合 剂受 到 限制 . 本 文 对单 晶金 刚石 在 F e 基 结 合剂 中 的性态 与行 为进 行 了 检测 与追 踪 , 探 讨刻蚀 的机 制 . 1 实验方 案 将单 晶金 刚石 孕 镶 在 F e 基 合 金 的 结 合 剂 中 , 用 热压 法 获 得 烧 结 体 . 烧 结 温 度 分 别 为 98 0 和 93 0 ℃ , 保 温 时间 为 4 m in . 将 烧结 体 断 开 , 把 一半 样 品 中 的金 刚石 单晶颗 粒 萃取提 出 , 用于 性 能 、 结构 检测 ; 另 一半 样 品 留作 断 口 观察 与分 析 . 将样 品中萃 取 的金 刚 石单 晶 与 同批 原料 金 刚石 单 晶 , 在单 粒 抗 压强 度 仪上 进 行 强度 检 测 与 比 较 . 对 萃 取提 出的 金 刚石 单 晶 进行 拉 曼光 谱 考 察 , 以 鉴定 金 刚 石 晶体 结 构是 否 有 石 墨化 . 对烧 结体 的 断 口 作 俄 歇微 区 成 分分 析 , 用 以 寻找 C 原子 踪迹 . 因 为烧 结体是 一种 无 C 的 F e 基合 金 , 若 发现 C 原 子 , 则 必定 与金 刚石 单 晶的某 种行 为有 关 . 2 实 验结 果 .2 1 单 晶金 刚石 形貌 从烧 结体 中萃取 提 出 的单晶 金 刚石 颗 粒 可观 察到 表 面颜 色变 黑 . 在 扫描 电镜 下 观 察 , 金 刚石 表 面 已 被 中度 刻蚀 . 从 图 1 可 见到 , 金 刚石单 晶 的 (l 0 0) 晶 面 、 (l 1 1) 晶 面有 被 刻蚀 的 花纹 , 但 晶体 的棱 角保 持清 晰 . 19 9 -5 1-2 10 收 稿 第 一 作 者 女 54 岁 副 教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 05. 007

8 1 第 卷 第 期 5 0 1 1 年 月 9 9 6 北 京 科 技 大 学 学 报 o a J u n r l o i n r f v U e s t i y o S f e i a n n e e e T d o n h e e l o y e g B i i n j g 0 1 V . N 8 0 1 . 5 o e t . 1 9 9 6 单晶金 刚石在 铁基合金 中的 性态 与行为 王 岚 ` ) 郭西 缅 “ ) l ) 北京科技大学材料系 , 北 京 10 0 0 8 3 2 ) 北京科技大学物理系 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 将金刚石单晶 孕镶在 F e 基 合金 中 , 在一定 条件 下烧 结 , 发现金 刚石受到明显刻蚀 , 但晶体结构 和强 度未变 . 刻蚀在金 刚石 与结合 剂的界 面 发生 , 它是金 刚石 晶格 中的 C 原子溶入 eF , 并在 其中扩散 的过 程 . 适 当控制这一 扩散过程 , 将使 eF 基结合 剂的金 刚石工具获得优 良睦能 关键词 刻蚀 , 扩散 , 金刚石 中图分类号 T Q 1 6 4 eF , co , iN 等元 素均 可 不 同程 度地 刻蚀金 刚石 , 例如 , eF 的刻蚀 速率 为 8 } L m / m in , N i 和 P t 相应 为 2 . 7 x 10 一 ’ 和 5 x 10 一 飞 冬: ,二 / m i n , 其 中以 F e 的刻 蚀速 度 最大 , 它 约为 N i 的 3 0 倍 ! ’ ] . 因 此 , 长期 以 来 , 采用 F e 基合 金 做金 刚石工具 的 结合 剂受 到 限制 . 本 文 对单 晶金 刚石 在 F e 基 结 合剂 中 的性态 与行 为进 行 了 检测 与追 踪 , 探 讨刻蚀 的机 制 . 1 实验方 案 将单 晶金 刚石 孕 镶 在 F e 基 合 金 的 结 合 剂 中 , 用 热压 法 获 得 烧 结 体 . 烧 结 温 度 分 别 为 98 0 和 93 0 ℃ , 保 温 时间 为 4 m in . 将 烧结 体 断 开 , 把 一半 样 品 中 的金 刚石 单晶颗 粒 萃取提 出 , 用于 性 能 、 结构 检测 ; 另 一半 样 品 留作 断 口 观察 与分 析 . 将样 品中萃 取 的金 刚 石单 晶 与 同批 原料 金 刚石 单 晶 , 在单 粒 抗 压强 度 仪上 进 行 强度 检 测 与 比 较 . 对 萃 取提 出的 金 刚石 单 晶 进行 拉 曼光 谱 考 察 , 以 鉴定 金 刚 石 晶体 结 构是 否 有 石 墨化 . 对烧 结体 的 断 口 作 俄 歇微 区 成 分分 析 , 用 以 寻找 C 原子 踪迹 . 因 为烧 结体是 一种 无 C 的 F e 基合 金 , 若 发现 C 原 子 , 则 必定 与金 刚石 单 晶的某 种行 为有 关 . 2 实 验结 果 .2 1 单 晶金 刚石 形貌 从烧 结体 中萃取 提 出 的单晶 金 刚石 颗 粒 可观 察到 表 面颜 色变 黑 . 在 扫描 电镜 下 观 察 , 金 刚石 表 面 已 被 中度 刻蚀 . 从 图 1 可 见到 , 金 刚石单 晶 的 (l 0 0) 晶 面 、 (l 1 1) 晶 面有 被 刻蚀 的 花纹 , 但 晶体 的棱 角保 持清 晰 . 19 9 -5 1-2 10 收 稿 第 一 作 者 女 54 岁 副 教授

·430· 北京科技大学学报 1996年No.5 5.00 无定形碳 常 石毁 0.00L 金刚石 1200.00 1500.00 1800.00 700150013001100 拉曼谱线/cm 拉曼谱线/cm· 图2萃取金刚石单晶的拉曼谱 图3碳的同素异构体的拉曼谱 3讨论 以上实验表明，一定烧结条件下，单晶金刚石在F基合金中被刻蚀，刻蚀行为是金刚 石晶格中的C原子溶入Fe并向其中扩散的过程.这一结果与文献[I]利用F刻蚀加工金刚 石所给出的结果相似.不同之处在于文献[1山的实验是在金刚石上沉积一层F膜，于H,气 中850℃保温测得Fe膜中C的分布曲线（见图5）.在Fe膜中接近与金刚石界面处C原子分数 约5%，而表面层约30%，大大超过了850℃时C在e中的溶解度，这阻碍C的进一步扩 散，致使扩散失活. 100 AES PROFILE 100 80 eLE人Fel Fel 足s0 Fe 60 60 90 40 20 U (O) 20 0 1020 30 40 012345678910 离子刻蚀时间/min 溅射时间/min 图4金刚石表面包裹体中，AES进深方向 图5 在Fe膜中AES进深方向Fe, Fe,C含量的分布（烧结温度980℃） C,0含量的分布 合金能溶解C有利于它对金刚石的结合.合金适度刻蚀金刚石可加强结合剂与金刚石 之间的结合力.断口处未见金刚石裸露，而是被一层包裹体覆盖正是结合力加强的表征 本实验条件下，刻蚀过程单晶金刚石表面未发生石墨化，金刚石的静压斑度未变、即 仍然保留单晶金刚石原有的性态.因此，金刚石在F基结合剂中的适度刻蚀不防碍制造出 优良的金刚石工具.这一观点与其他学者的看法是有区别的.一般认为：金刚石与F的反 应在金刚石工具中是令人讨厌的 由C原子在F基合金中的扩散行为，可以看出，凡强化扩散的条件都将导致金刚石性

. 4 3 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 6年 N o . 5 侧 恩 ,侧嫩一、O义 0 . 0 0 } 1 2 0 0 . 0 0 1 5 0 0 . 0 0 拉曼谱线c/ m 1 8 0 0 . 0 0 一 奈 刚 { 7 0 0 1 5 0 0 1 3 0 0 1 1 0 0 拉曼谱线 c/ m 一 , 图2 萃取金刚石单晶的拉曼谱 图3 碳 的同素异构体的拉曼谱 3 讨论 以 上 实 验表 明 , 一定 烧结 条件 下 , 单 晶金 刚石 在 eF 基合 金 中被刻 蚀 , 刻蚀行 为是 金 刚 石 晶格 中的 c 原子 溶人 F e 并 向其 中扩 散的 过程 . 这 一结果 与 文献 【l] 利用 F e 刻 蚀加 工金 刚 石 所 给 出 的结果 相 似 . 不 同之 处 在于 文 献 l[ ] 的实验 是 在金 刚 石上 沉 积一层 eF 膜 , 于 H : 气 中 8 5 0 ℃ 保 温 测得 F e 膜 中 C 的分布 曲线 (见 图 5) . 在 F e 膜 中接 近与金 刚石 界 面处 C 原 子分 数 约 5% , 而表 面层 约 3 0% , 大 大超 过 了 85 0 ℃ 时 C 在 F e 中的溶 解度 , 这 阻碍 C 的进 一步 扩 散 , 致使 扩 散失 活 . A E S P R O F I L E F 。 . 一一尽戈 贝 严一~ - 飞嗽一 1 0 0 1 l _ . 一 . 8 0 } _ 卜 _ _ 跳/ / 6 0 卜f 4 0 2O ǎ罗à口未 卜 ǎ巴。 ǎ Oà忿 ǎ罗à口公 二 巴。未 o占 溅射时 bI] / m in 图4 金刚石表面包裹体 中 , A E S进深 方向 eF , c 含量的分布(烧结温度9 80 ℃ ) 10 2 0 30 4 0 离子刻蚀时间 / m in 图 5 在 F e膜 中A E S 进深 方向F e , C , 0 含最的分布 合金 能 溶解 C 有 利 于 它对金 刚石 的 结 合 . 合金 适 度 刻蚀 金 刚 石可 加 强结 合 剂 与金 刚石 之 间的结 合力 . 断 口 处未 见金 刚 石裸露 , 而 是被 一层 包 裹体 覆盖 正是 结合 力加 强 的 表征 . 本实 验条 件下 , 刻蚀 过程 单晶金 刚石表 面未 发生 石墨 化 , 金 刚石 的静压 强 度 未 变 ` 即 仍然 保 留单 晶金 刚石 原有 的性 态 . 因 此 , 金 刚石 在 F e 基结 合 剂 中 的适度 刻 蚀 不 防 碍制 造 出 优 良的金 刚石 工具 . 这 一观 点 与其 他 学者 的 看法 是 有 区 别 的 . 一 般 认 为 : 金 刚石 与 F e 的 反 应 在金 刚 石工 具 中是 令 人讨 厌 的 2[] . 由 C 原子 在 F e 基合 金 中的 扩散 行为 , 可 以 看 出 , 凡 强化 扩 散 的条 件都 将 导致 金 刚石性

Vol.18 No.5 王岚等：单晶金刚石在铁基合金中的性态与行为 ·431· 能的损失或失效.因此，适当控制C原子的扩散和扩散失活，才能够保证F基金刚石工具 的优良性能. 4结论 (I)F基合金对单晶金刚石的中度刻蚀，不导致金刚石晶体的结构转变及强度变化. (2)F基合金（结合剂）对金刚石的刻蚀在金刚石与结合剂的界面发生，是金刚石晶格中 的C原子溶入Fe并在其中扩散的过程. (3)适当控制C原子扩散和C原子的扩散失活，有可能获得性能优良的F基金刚石工 具 参考文献 1 Ralchenko V G.Kononenko T V.Catalytic Interaction of Fe,Ni and Pt with Diamond Films: Patterning Application.Diamond and Related Materials,1993(2):904~909 2 Jin S,Graebner J E.Massive Thinning of Diamond Films by A Diffusion Process.Appl Phys Lett, 1992,60(16):20 Properties and Behavior of Single Crystal Diamond in Fe Substrate Binder Wang Lan）Guo Ximian2) 1)Department of Material Science and Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Department of Physics,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT When Single crystal diamond was set in Fe alloys and sintered on certain condition,it was found that the diamond was etched obviouly,but the crystal structure and strength was not changed;etching was occured on the interface between diamond and binder by the dissolving and diffusing of carbon atom in diamond crystal lattice into iron.Well controlled,Fe substrate binder diamond tool could obtain good properties. KEY WORDS etching,diffusion,diamond

V O 1 . 1 8 N o . 5 王 岚等: 单 晶金 刚石在铁基合金 中的性态 与行 为 . 4 3 1 . 能的 损失 或 失效 . 因此 , 适 当控制 C 原子 的 扩散 和扩 散失 活 · , 才 能够 保证 F e 基 金 刚石工 具 的优 良性 能 . 4 结论 ( l ) eF 基 合金 对单晶金 刚石 的 中度刻 蚀 , 不 导致金 刚石 晶体的结 构转 变及 强度 变 化 . (2 ) eF 基 合金 (结 合剂 )对金 刚石 的刻蚀 在金 刚石 与结 合剂的界 面发 生 , 是金 刚石 晶格 中 的 C 原子 溶人 eF 并 在其 中扩 散 的过程 . ( 3) 适 当控 制 C 原子 扩 散和 C 原 子 的扩 散失 活 , 有 可 能获 得性 能 优 良的 eF 基 金 刚石 工 具 . 参 考 文 献 R a l e h e n k o P a t e m i n g V G , K o n o n e nk o T V . C a at lyt i e I n t e acr ti o n o f F e , N i a n d P t w i th D i a m o n d F i ln s : A PP li c a t i o n · 2 Jin S , G ar e b n e r J E . D i am o n d a n d R e lat e d M a t e ir a l s , 1 9 9 3 ( 2 ) : 9 0 4 ~ 9 0 9 M a s s i v e T h in i n g o f D i a m o n d F i ln s b y A D i fu s i o n Por e e s s . A PP I P h y s L e t , 1 9 9 2 , 6 0 ( 16 ) : 2 0 P r o P e rt i e s a n d B e h a v i o r o f S i n g l e C yr s t a l D i am o n d i n F e S u b s t r a t e B i n d e r l ) D e P a rt m e n t 2 ) 肠 n g 乙a n l ) G u o ix m ia n o f M a t e r i a l S e i e n e e a n d E n g i n e e r i n g , U S T B B e ij in g 10 0 0 8 3 , P R C D e P a rt m e n t o f P h y s i e s , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T e o n d i t i o n . I t W h e n S i n g l e e ry s t a l d i a m o n d w a s fo u n d t h a t t h e d i a 们n o n d w a s s e t i n F e a ll o y s a n d w a s e t e h e d o b v i o u ly , b u t s i n t e r e d o n e e rt a i n th e c yr s ta l a fl d a n d l f o n . s t r e n g th w a s n o t c h a n g e d ; e t e h i n g w a s O C C u r e d e a r b o n o n ht C b e t w e e n S t f l C l l f e d i a m o n d b i n d e r b y t h e d i s s o l v i n g a n d d i肋 s i n g o f a t0 1】1 11 i l t e r af e e d i a m o n d c yr s t a l l a t i e e i n t o W e ll e o n t r o ll e d , F e s u b s tr a t e b i n d e r d i a m o n d t o o l e o u l d o b t a i n g o o d P r o P e rt i e s . K E Y W O R D S e t c h i n g , d i fu s i o n , d i a m o n d