金刚石表面织构化处理技术（下）①

谈耀麟 编译

（中国有色桂林矿产地质研究院，广西桂林 541004）

金刚石表面织构化处理技术（下）①

谈耀麟 编译

（中国有色桂林矿产地质研究院，广西桂林 541004）

6 关于力学强度与破裂特性

金刚石在900℃以上高温中其力学强度降低，主要是由于金刚石合成时在高温高压下的晶体生长过程中，内部混入了金属杂质。但是，通过内部缺陷的低温退火处理（使内应力与金属杂质重新分布）可提高金刚石在高温下的力学强度。因此，根据金刚石的粒度以及残余晶体生长缺陷（RCGD）的多少，在水蒸汽侵蚀过程中选择适宜的温度范围，有可能使金刚石经过高温水蒸汽侵蚀后不降低其力学强度。

为了对比未侵蚀处理与表面侵蚀后的金刚石颗粒的力学强度，I.C.Benea等人采用了专门的装置进行检测，检测装置如图5所示。

图5 微米级金刚石压碎强度检测设备

检测时金刚石颗粒同时受到的压力和剪切力如图6所示。

上述检测技术引用了压碎强度指数（CSI），压碎强度指数（CSI）是由粒度分布（PSD）来计算的。考虑了未压碎和压碎后金刚石中的“符合尺寸要求”的颗粒数在内。所谓“符合尺寸要求”的颗粒直径范围在粒度分布的50%与90%之间。压碎强度指数（CSI）的计算公式如下：

式中，IOS为未压碎金刚石中的符合尺寸要求的颗粒数

ROS为压碎金刚石中的符合尺寸的颗粒数

未压碎与压碎后的金刚石粒度分布用贝克曼库尔特分析仪来测量。

用未侵蚀和侵蚀后的平均粒度为17微米、20微米和35微米的MB型金刚石进行压碎强度检测。根据粒度以大致相同的表面面积各取一定数量的金刚石与润滑剂混合置于聚晶金刚石（PCD）缸中，将聚晶金刚石活塞与缸以预定的转数和预定的时间相对反向旋转，对金刚石同时施加压力和剪切力。压碎强度检测的参数如表3所列。

图6 金刚石颗粒受力示意图

表3 压碎强度检测参数

每次检测各做三次，计算出CSI平均值和标准偏差。

压碎强度检测结果表明，只要严格控制高温水蒸汽侵蚀过程就不会导致金刚石力学强度（压碎强度）的降低。反之，还会稍微提高，主要是由于减少了破裂发生率以及由于随着内部缺陷（残余晶体生长缺陷）的低温退火处理，使金刚石粒表面上的尖角与尖棱被剥落掉。

当施加压力和剪切力时，侵蚀处理后的金刚石颗粒产生的细屑少于未侵蚀处理金刚石的。显然，前者的破裂发生率和表面的尖角尖棱剥落较少。

7 关于粘结保持力

关于经过表面织构化处理的金刚石的粘结保持力与未经处理的金刚石的对比，采用4204型英斯特朗强力测试机（Instrontest machine Model 4204）进行评估。该测试机主要由圆筒与圆棒组成，用于测试金刚石颗粒与电镀镍粘结材料之间的剪切强度。其工作原理如图7。

图7 测试金刚石粘结保持力的圆棒－圆筒装置示意图

电镀了金刚石的圆棒与圆筒的实物照片见图8。

图8 电镀了金刚石的圆棒与圆筒实物照片

图9 电镀金刚石的圆棒结构示意图

电镀金刚石圆棒的详细结构如图9所示。无镀层棒端的直径为14.20mm，电镀镍底层圆棒直径为14.38mm，最终电镀镍层直径为14.85mm。镍粘结层厚度为235μm，用锯片级金刚石进行测试，其粒度为25／30目（平均粒度为685μm，95%的粒度在600～770μm之间），金刚石在圆棒表面的覆盖面积为31%～39%。

测试时圆筒从对准端插入圆棒，以0.125inch／min的速度向下施加静态压力，使圆筒缓慢下行对金刚石逐颗施加剪切作用，此时有碎屑下落。整个测试工作须用六组圆筒与圆棒，其中三组用未经表面处理的金刚石，另三组用经过表面处理的金刚石。

测试后用光学显微镜与扫描电子显微镜检查观察每一颗金刚石与电镀镍之间的界面以确定其破坏模式。破坏模式的评鉴采用下列准则：

脱落出来——在剪切力的作用下，金刚石颗粒与镍粘结材料之间失去粘结性，金刚石颗粒从粘结材料中脱离。

被剪切掉——在剪切力足以使金刚石颗粒从镍粘结材料中脱离之前，金刚石粒裂断。

混合破损——金刚石颗粒的某些部分残留在凹坑处，而金刚石粒的大部分受剪切后掉落。

上述测试中脱落出来的金刚石颗粒和被剪切掉的金刚石颗粒的扫描电子显微镜（SEM）照片分别见图10和图11。

图10 脱落出来的金刚石颗粒的SEM照片

图11 被剪切掉的金刚石颗粒的SEM照片

经过表面处理的金刚石颗粒脱出后留下的凹坑的SEM照片与未经表面处理的金刚石颗粒脱出后留下的凹坑的SEM照片分别见图12与图13。

图12 经过表面处理的金刚石颗粒脱出后的凹坑的SEM照片

图13 未经表面处理的金刚石颗粒脱出后的凹坑的SEM照片

从图12与图13的对比分析可看出，未经表面处理的金刚石颗粒脱出后留下的凹坑表面平滑而且整洁，而经过表面处理的金刚石颗粒脱出后留下的凹坑表面则是粗糙的（反映出脱出的金刚石粒表面的粗糙度），而且还有一些碎屑。

根据上述破坏模式的评鉴准则，经表面处理的金刚石颗粒的粘结保持力与未经表面处理的金刚石颗粒的对比如图14所示。

图14 破坏模式对比

从图14可明显看出，在同样剪切力作用下，经过表面处理的金刚石颗粒更有可能受到剪切破坏而不是从镍粘结材料中脱出，而未经表面处理的金刚石颗粒则相反，其脱落出来的数量明显较多，说明经过表面处理的金刚石颗粒的粘结保持力比未经表面处理的金刚石颗粒的粘结保持力提高了。

8 其它侵蚀方法

I.C.Benea等人指出，有多种已知方法用于侵蚀金刚石的表面。在高温下金刚石会失去化学稳定性并能被氧、含氧化合物、熔态金属（如熔镉的Mn，NI，Fe，Co，Pt，Ti，Zr，Ta，W等）以及氢所侵蚀。金刚石的热化侵蚀须将金刚石置于氧或KNO3中加热［1，2］。将金刚石置于非氧化性气氛或真空中加热也能受到侵蚀［3］。其它的侵蚀方法还包括在氢或含氢的的气体中加热镶嵌在金属粉末中的金刚石［4］，或者在有金属或金属氧化物的空气中把金刚石加热［5］。

这些方法多数不能很好地控制整个侵蚀过程，从而导致金刚石表面化学性质的改变，同时还玷污了金刚石表面。尤其是在硝酸钾中加热金刚石或在氢气或含氢气体中加热镶嵌在金刚石粉末中的金刚石时，化学反应难于控制，需要另外的处理步骤来去除金刚石表面上的一些化学物质或化合物而使金刚石保持洁净。

9 结论

表面织构化处理的金刚石颗粒的主要特征如下：

·形状与表面

较少棱角。

表面有侵蚀凹坑；提高了表面粗糙度；增大了表面面积。

·表面化学性质

无改变：H；OH；O；CH与CH4。有些表面生成物减少（取决于过程个性）。

表面无石墨化现象。氢原子优先侵蚀掉石墨并能终止表面碳原子以维持sp3杂化而阻止石墨形成。

·压碎强度与破裂特性

压碎强度提高主要是由于减少破裂。减少棱角剥落以及由于残留晶体生长缺陷的低温退火结果。

·粘结保持力

粘结保持力提高主要是由于增加了粘结的有效表面面积。

10 关于表面织构化金刚石的应用

表面织构化金刚石被认为是烧结和电镀金刚石工具中提高粘结性能的很有前景的替代品，也是金刚石研磨液和研磨混合物的首选材料，在高温高压条件下烧结聚晶金刚石（PCD）用以制造地质钻头、拉丝模等也是很理想的原材料。

采用表面织构化的金刚石以机械的或化学的粘结方式制造金刚石工具，与采用表面未经织构化处理的普通单晶金刚石相比，可期望提高粘结保持力。在研磨和抛光用的悬浮液或混合物中加入表面织构化金刚石可提高表面光洁度并减少划痕。此外，在聚晶金刚石制品的高温高压烧结过程中在高压力压实条件下由于采用了表面织构化金刚石不能使粉料更好地充填而减少了破裂和发生棱角剥落。

［1］ “Properties，Growth and Applications of Diamoud”—MH Nazare ＆Neves，Eds，INSPEC，pp115.

［2］ US Pat.No.5，344，526.

［3］ US Pat.No.6，565，618.

［4］ US Pat.No.5，035，771.

［5］ US Patent Application Publication No.2010／0213175A1.

［6］ US Patent 7，275，446B2

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0046－04

2012－01－10

谈耀麟（1936－），男，高级工程师，长期从事超硬材料科研和情报方面的工作。