不同铁基合金助剂熔渗法制备PDC及其烧结形貌①

贾洪声,鲁铭,马根龙,鄂元龙,徐仕翀,李海波贾晓鹏,马红安,郑友进

(1.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室,吉林四平136000; 2.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012; 3.牡丹江师范学院新型炭基功能与超硬材料省重点实验室,黑龙江牡丹江157011)

不同铁基合金助剂熔渗法制备PDC及其烧结形貌①

贾洪声1,3,鲁铭1,马根龙1,鄂元龙1,徐仕翀1,李海波1贾晓鹏2,马红安2,郑友进3

(1.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室,吉林四平136000; 2.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012; 3.牡丹江师范学院新型炭基功能与超硬材料省重点实验室,黑龙江牡丹江157011)

在高温高压条件下(5.6 GPa,1400℃),以不同铁基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)为烧结助剂(熔渗质),采用高压熔渗技术制备了金刚石复合片(PDC)。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了PDC的烧结组织形貌,对铁基合金的熔渗机制进行了探讨。实验结果表明,三种合金能够均匀渗透金刚石层,与金刚石颗粒形成了致密交错的网状结构,PDC结合界面复合牢固。腔体的压力差(δP)和温度梯度即为合金熔渗的驱动力。

金刚石复合片;高温高压;铁基合金;熔渗

1 引言

金刚石复合片(PDC),作为一种环保型高性能结构材料,具有金刚石的耐磨性和强度以及硬质合金的韧性和可焊接性,是一种优良的切削工具与耐磨材料,广泛地应用于机械加工工具、石油与地质钻头等领域[1]。由于PDC材料具有一系列优异的性能和巨大的应用市场,国内外学者对其进行了广泛深入地研究[2-5]。从实际金刚石工具应用上来看,提高金刚石聚晶层(PCD)跟基体的把持力即界面结合强度是目前优质金刚石工具主要关注的问题。熔渗法制备微米级PDC的方法具有很大的发展优势和应用潜力[6,7]。其中,“熔渗质”的黏滞性且与基体和金刚石的浸润性对PDC的烧结质量有重要的影响,因此对熔渗质(触媒)的优选至关重要。铁基合金作为烧结助剂具有以下优点:1)较高的力学性能,如抗弯强度、硬度;2)与钴相比,对金刚石有较好的润湿性;3)泊松比比钴大,可成型性,可烧结性均好;4)成本低;5)对骨架材料(碳化物)的润湿性好[8]。基于以上分析,本实验采用三种铁基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)作为烧结助剂,通过高温高压下的合金熔渗技术制备PDC,并考察其烧结形貌,最后讨论铁基合金的熔渗机制。

2 试验及测试

实验是在国产SPD 6×1200型六面顶压机上进行的。选用厚0.4 mm的Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、Fe Ni36合金作烧结助剂,0.5 g/块的金刚石微粉作原料(河南,飞孟金刚石工业有限公司,粒径为5～10μm),Φ15×3.0 mm的YG 16碳化钨作基体(济南市冶金科学研究所)。烧结条件为5.6 GPa, 1400℃,保温时间为5 min。采用一次到压、快速到温、后期再慢降温的烧结工艺。实验组装示意如图1所示,超高压合成流程及工艺如图2、图3所示。对其制备的PDC样品断面的微观组织形貌进行SEM (EMPA,JEOLJXA-8200)观察分析。

图1 PDC组装示意图Fig.1 Assembly schematic of PDC

图2 高温高压合成实验的流程图Fig.2 The flow chart of high temperature and high pressure synthesis experiment

图3 PDC烧结工艺示意图Fig.3 Schematic diagram of sintering process of PDC

3 结果与讨论

3.1 不同铁基合金触媒制备PDC的烧结形貌

实验采用不同类型的铁基合金作熔渗质,制备了Φ15 mm尺寸的PDC样品,其微观形貌如图4所示。

实验结果表明,控制合适的金属粘结剂含量是合成优质PDC的重要条件之一,多余的金属势必会导致金刚石的逆转化和晶粒及界间应力的增大,影响PDC材料的性能。而采用本实验的方法,当金刚石和WC-Co层得到了所需的金属含量后会趋于饱和,使得金属趋于动态平衡,多余的金属及杂质可以扫越排出,最后,铁基烧结PDC样品聚晶层中金属粘结剂分布均匀,呈现致密粘结生长的形貌,界面通过过渡层交错粘接,该过渡层区域存在富金属及化合物的粘结相。同时,由于铁基熔渗浸润能力强,PDC样品烧结时间短,能够有效抑制晶体异常长大,样品的完整率高,耐磨性也较好(104数量级以上),表面没有针眼等宏观缺陷。

图4 不同铁基合金制备的PDC的SEM图Fig.4 SEM photos of PDC prepared by different iron-base alloy

3.2 金属溶媒的熔渗机制

本研究采用的高压熔渗技术区别于传统的混合粉末法,为了讨论PDC的烧结机制,笔者提供了简单的熔渗模型,如图5所示。从上至下依次为触媒金属源,密堆积的金刚石微粉及WC-Co基体。金刚石微粉之间由于是刚性接触,晶体颗粒之间存在一些孔隙。该孔隙的大小取决于初始微粉的粒度。微粉粒度越大,孔径越大。另外,高压作用下,部分初始微粉的粒度还要进一步细化(高压破碎),使得部分孔隙有一定程度的减小。

图5 合金高压熔渗模型图Fig.5 The model of high pressure infiltration of the alloy

高温高压下金属与金刚石碳达到共熔状态,熔融的金属被高压挤入金刚石的孔隙中并不断填充周围的孔隙,金属熔渗起始,熔融的金属区为高压区(PT),晶体颗粒之间的孔隙处为低压力区(P0),与金刚石接触的金属层首先发生熔融。熔融的金属与金刚石颗粒的孔隙之间存在着巨大的压力差,即δP。该压力差即为熔融金属向金刚石微粉及基体内部熔渗的驱动力。在合成压力的作用下,金属溶剂向金刚石微粉孔隙处熔渗,将在极短的时间内渗透整个金刚石层和部分WC-Co基体层。在熔渗的动态过程中,正是由于金刚石的孔隙作为低压区的存在,金属溶液会一直向孔隙处熔渗下去。而基体在高温高压条件下也处于液相烧结状态,WC颗粒间也会存在熔渗的金属粘结剂成分。此时整个烧结体处在一种静水压环境。相比混合粉末的烧结方法,熔渗法提供的环境将有利于PDC的均匀烧结,同时金属的熔渗过程也是扫越式排除金刚石表面杂质的过程,有利于金刚石颗粒间的粘结生长。

具体针对铁基合金的熔渗行为,也可以用晶体生长的输运原理来解释,在熔体生长体系中,必须建立合理的温度梯度分布,本实验采用的腔体设计能够提供适合的温度梯度,能够有利于金属的扩散。另外,因为它的热量输运中的热传输机制相联系,应具有尽可能小的黏滞性,以利于溶质和能量的输运,从而有利于溶质的扩散和结晶潜热的释放。它直接影响着物质在溶液中的扩散系数和固液边界层的厚度,对溶质的输运和结晶时杂质的排除都有很大的影响。本实验选用的铁基合金具有较低的黏滞性,能够发挥其自身熔渗质的作用本质。

4 结论

铁基合金作为熔渗质(触媒),具有较好的浸润扩散作用,实验成功制备了生长型PDC材料;SEM结果表明,粘结相均匀地分布在PDC样品中,结合界面有交错粘结的过渡层结构;PDC烧结组织致密。在烧结过程中,腔体的压力差(δP)和温度梯度即为合金熔渗的驱动力。

[1] R.H.Wentorf,R.C.DeVries and F.P.Bundy,Sintered superhard materials[J].Science,1980,208:873-880.

[2] Dan Belnap,Anhony Griffo.Homogeneous and structured PCD/WC-Co materials for drilling[J].Diamond&Related Materials,2004,13:1914-1922.

[3] Minoru Akaishi,Shinobu Yamaoka,Fumihiro Ueda,et al. Synthesis of polycrystalline diamond compact with magnesium carbonate and its physical properties[J].Diamond&Related Materials,1996,5:2-7.

[4] LI Shang-Jie,Akaishi,Minoru,et al.Sintering behaviour of the diamond-super invar alloy system at high temperature and pressure[J].Journal of materials science,1990,25:4150-4156.

[5] 陈石林,陈启武,陈梨.聚晶金刚石复合体界面组织及界面反应的研究[J].矿冶工程,2003,23(6):84.

[6] JIA Hong-sheng,JIA Xiao-peng,MA Hong-an,LI Hai-bo, Synthesis of growth-type polycrystalline diamond compact (PDC)using the solvent Fe55Ni29Co16alloy under HPHT, SCIENCE CHINA Physics Mechanics&Astronomy,2012,55 (8),1394-1398.

[7] JIA Hong-sheng,MA Hong-an,JIA Xiao-peng.Research on polycrystalline diamond compact(PDC)with low residual stress prepared using nickel-based additive.International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,2011,29(1):64-67.

[8] 孙毓超,刘一波,王秦生.金刚石工具与金属学[M].北京:中国建材工业出版社,1999.

The Preparation of PDC by Melt infiltration Method with Different Iron-base Alloy Additives and Its Sintering Morphology

JIA Hong-sheng1,3,LU Ming1,MA Gen-long1,E Yuan-long1,XU Shi-chong1, LI Hai-bo1,JIA Xiao-peng2,MA Hong-an2,ZHENG You-jin3
(1.Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry Education Department, Jilin Normal University,Siping,Jilin,China 136000; 2.National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Changchun,Jilin,China 130012; 3.Key provincial laboratory of New Carbon-base Functional and Superhard Materia,Mudanjiang Normal College, Mudanjiang,Heilongjiang,China,157011)

Polycrystalline diamond compact(PDC)is prepared through high-pressure infiltration technology by using different iron-base alloy(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、Fe-Ni36)as sintering additives(melt infiltration material)under high temperature and high pressure conditions(5.6 GPa,1400℃).The melt infiltration mechanism has been discussed based on the observation of the sintering morphology of PDC under scanning electron microscope.The result of the experiment shows that the three kinds of alloys have an uniform infiltration on diamond layer and forms dense staggered mesh structure withdiamond particles and the binding interface is firm.The pressure difference(δP)and temperature gradient in cavity are the driving force of the alloy melt infiltration.

Polycrystalline diamond compac(PDC);high temperature and high pressure (HPHT);iron-base alloy;melt infiltration

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0001-04

2014-09-10

贾洪声(1982-),男,博士,讲师,主要从事超硬材料制品的研究,E-mail:iop84041@163.com。

国家自然基金项目(No.51301075);吉林大学开放课题(201201);牡丹江师范学院开放课题(201301)

李海波(1962-),男,教授,博士生导师,研究方向:功能材料,email:lihaibo@jlnu.edu.cn。