单晶金刚石在铁基合金中的性态与行为.pdf_大学文库

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

. 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

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