耐高温与高强金刚石研究

李正时，林秀峰

（山东昌润钻石股份有限公司，山东 聊城 252000）

1 概述

金刚石在中国工业化生产以来，技术发展一直呈高速态势。尤其是在六面顶压机上，自粉末合成体系全面替代片状合成体系以来，在高端金刚石生产领域，中国迅速赶超国外先进水平。近几年中国金刚石生产技术全面迅速发展，宝石级金刚石、高品质超细金刚石均已实现产业化生产。

技术水平的不断提高，不仅使金刚石品质有大幅提升，同时，随着生产装备的大型化，生产效率也大幅提高，生产成本不断下降，小压机不断被淘汰。随着金刚石品级的不断提高及成本下降，有的国外大公司在激烈的市场竞争中逐步退出金刚石单晶的生产领域。

超硬材料及超硬材料工具的应用领域也在不断发展，更高的质量要求，更快的加工效率，更苛刻的应用条件。这一切都对以前普遍同质化的超硬材料及超硬材料工具提出了一些新的需求，个性化的需求，差异化的需求。

理想的金刚石结构，当然是理论模型结构（图1）。目前，高品级的天然钻石更接近理想状态，一些特殊应用还需选择天然金刚石，以发挥其卓越的品质。

更大的应用领域对超硬材料的性能提出各式各样的要求［1］，尤其对金刚石的化学惰性、热稳定性、锋利度和耐磨性，常见的粒度分布、形貌更是提出了非常严格的要求［2］，以适应日益提高的应用条件。面对市场新的要求，超硬材料生产企业通过不断研究开发新产品，来满足市场需求。

图1 金刚石外观结构 金刚石内部碳原子排列情况Fig.1 Diamond appearance structure and diamond internal atomic arrangement

昌润钻石公司提出了以客户为焦点，实现产品差异化及定制化服务的企业理念。

面对市场新的需求，有的应用领域要求金刚石对铁族元素具有惰性，以实现良好的加工性能。而在另一些应用领域，材料硬度高，对金刚石的高抗冲指标及耐磨性提出更高要求。更高的电镀工具生产条件对金刚石的磁性也提出了更高要求。

有的被加工材料具有显著的特点，比如磁性材料对金刚石的惰性、耐高温性能有很高要求。同时，对其锋利度和耐磨性也有综合性要求［3］，仅有良好锋利度而大幅缩减寿命或耐磨性较高金刚石钝化失效严重的均不理想，传统性能特点及分级方式难以适应这些被加工材料。

基于以前各专家学者的理论研究及工程实践。金刚石晶格中掺入杂质，会对金刚石的性能产生很大影响。基于这些研究，我们开展通过选择材料和添加剂，采用相应工艺控制，以达到调整金刚石性能的目标。从而适应部分应用领域对金刚石材料的特殊要求。

昌润钻石对耐高温金刚石和高强度金刚石两个应用方向进行了研究。耐高温及对铁族元素具有相当惰性的金刚石系列为CRT，具有高强指标适合于高冲击强度工作条件的金刚石系列为CRG。

2 实验

2.1 实验目标

实验目标为：控制非碳元素在金刚石晶体内的含量及分布，使金刚石的某些性能得以改善。结合金刚石形貌控制，对其耐磨性及解理特性会产生差异化影响，从而实现对工程应用的适应性，实现对金刚石产品性能差异化，从而适应高端应用对金刚石工具要求的差异化。

CRT和CRG金刚石的实验以现有金刚石生产体系为基础，具体结构为通用结构，不再详述。只针对组装块的加热元件作微调，以适应工艺需要。

2.2 材料准备

材料选择和工艺实验分别针对两个方向特点的金刚石选择调整［5］。

针对CRT和CRG金刚石的不同实验目标，分别选择不同材料、添加剂品种和数量。按科学实验方法，对材料选择、添加剂选择验证实验。图2和图3为代表材料。

图2 典型石墨SEM图片Fig.2 SEM image of typical graphite

图3 典型触媒SEM图片Fig.3 SEM image of typical catalyst

2.3 工艺调整

根据所选材料及添加剂的品种和数量，设计工艺，以适应材料特性［4］。以实现控制添加剂在金刚石晶体内的分布与含量总体目标。

工艺为通用工艺的微调，不再详述。

2.4 样品检测

经一系列试验，CRT和CRG系列金刚石分别达到设计目标。过程中试验样较多，总的调整是在锋利度、耐磨性、耐热性这几个重要质量特性之间平衡选择［6］。中间样不再详述。对稳定后的批量金刚石样进行简介。

CRT料经Ti检测，其筛下料（图5），与普通金刚石相比细粉较少，形貌与国外高端金刚石（图4）相近。并且其具有良好的耐高温性。

图4 国外高端料破碎形态（筛下物）Fig.4 Foreign high material crushing form （sifting）

CRT金刚石其耐高温性能与普通金刚石相比，烧蚀变化曲线如图6。比普通的要高150℃左右。这种金刚石在一定的使用条件下，会有明显优势。其对铁族元素惰性，还需用制造工具验证。

CRG金刚石高料强度指标与普通料高料指标相比明显高，磁化率也很低。表1为CRG系列金刚石与昌润公司CRJ系列金刚石高料的强度指标对比。

图5 CRT高料破碎形态（筛下物）Fig.5 CRT high material crushing form （sifting）

图6 70／80CRT与CRJ金刚石耐烧蚀对比Fig.6 CRT and CRJ diamond（70／80）ablation contrast

表1 CRG系列金刚石与昌润公司CRJ系列金刚石高料的强度指标对比Table 1 Comparison of the strength of CRG high grade diamond and CRJ high grade diamond

CRG金刚石高品极料样品，送国外有需求的客户检测，认为指标与国外高端金刚石相当，可以在孕镶钻头等高端领域考虑试用对比。

3 工具应用

经一系列合成实验，样品指标取得预期结果，开始进行一系列工具验证实验。

CRT金刚石在用于混凝土的薄壁钻、用于干切的小锯片、排锯、铁族元素磨轮等方向进行验证试验。

在对耐温和对铁族元素惰性［7］要求较高的混凝土薄壁钻试用上，锋利度与寿命比客户对比项高30%。排锯试用也达到国外高端专用产品相当程度。干切小片也表现出耐高温性好［8］的优良特点。在不能发挥优势的应用条件下，其表现与普通金刚石料相当。

用于铁族元素磨轮的应用也取得预期效果，图7为磨轮局部。

图8为磨轮局部典型区域放大，从图中可以看出，磨钝金刚石未明确呈现，金刚石分布以完整金刚石、微破碎金刚石、再破碎金刚石、完全破碎金刚石为分布特点，符合预期失效模型。说明CRT金刚石对这种应用条件有适用性。

图9、图10、图11、图12为用后磨轮上的典型形态金刚石放大图片。

图7 磨轮用后局部形貌Fig.7 Morphology of the used grinding wheel

图8 磨轮用后局部形貌Fig.8 Morphology of the used grinding wheel

图9 完整金刚石SEM图片Fig.9 SEM image of integrity diamond

图10 微破碎金刚石SEM图片Fig.10 SEM image of micro broken diamond

图11 再破碎金刚石SEM图片Fig.11 SEM image of recrushing diamond

图12 完全破碎金刚石SEM图片Fig.12 SEM image of completely broken diamond

4 结束语

通过以上实验和工具试验应用分析，金刚石性能在超硬材料工具应用领域细分条件下还有很大的调整空间。目前表达金刚石质量特性的表征参数还可以进一步完善细化，以满足不断发展的高要求和差异化要求，以取得更好的应用效果，扩大应用领域。