不同厂家金刚石热冲击韧性随测定条件的变化

崔雪伟, 李盟, 姜 豪, 魏德双, 苏 崇, 张建华

(郑州华晶金刚石股份有限公司，郑州 450001)

1 引言

金刚石是精密加工的利器，是当之无愧的工业牙齿，其在石材、机械加工、电子电器加工、钻探与开采、宝石加工等方面已经得到广泛的应用。金刚石制品在实际使用中，其颗粒同时受到冲击和磨损两种作用，而金刚石冲击韧性的测定模拟了金刚石颗粒在使用过程中的受力情况。金刚石冲击韧性值有两种表征方法：一种是半破碎即考察金刚石破碎50%时所经受的冲击次数；另一种是未破碎率即固定冲击次数考察筛上物质量与原始质量之比[1]。目前国内厂家大多采用未破碎率来表征金刚石的冲击韧性，该操作减少了操作次数，比较简单。

金刚石冲击韧性测定过程中会有多种因素对测定值造成影响，包括设备本身、测试环境、筛网尺寸、冲击罐使用次数、冲击罐硬度、冲击行程、钢球质量、冲击次数及频率、加热温度、人为操作等[2]。因此，金刚石的检测是一项专业的、系统的工作，需控制好各个细节因素。本文采用某公司研制的XX-03型冲击韧性测定仪，在恒定环境下，通过实验，对四个厂家某批次的不同品级金刚石的冲击韧性随测定条件的变化进行了测定并探讨，这对实际生产应用具有一定的指导意义。

2 实验及分析

2.1 冲击次数对四厂家不同品级金刚石热冲击韧性的影响

本实验在相同的测试环境、钢球质量相同且其他条件相同的情况下，选用四厂家金刚石的粒度均为30/35、品级分别为D80、D40、D20的某批次样品，研究冲击次数对四厂家不同品级金刚石的热冲击韧性的影响，其结果见表1所示。

表1 冲击次数对四厂家不同品级金刚石热冲击韧性的影响

观察图1～图3我们发现，当冲击次数增加时，四厂家各品级金刚石的TTI均在减少，且金刚石的品级越高，TTI随次数的变化越小。这是因为金刚石在冲击时，会产生一些微破碎和未破碎颗粒，冲击次数增加时，随着冲击过程的继续，微破碎和未破碎颗粒发生了越来越多的表面破碎，所以TTI的值在不断地变小[3]。而金刚石的品级越高，其晶型完整度越高，晶型一致性越好，金刚石内部结构也越好，发生的表面破碎也越少，所以品级越高其TTI随冲击次数增加的变化越小。

图1 四厂家D80品级金刚石的TTI随冲击次数的变化图Fig.1 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with impact times

图2 四厂家D40品级金刚石的TTI随冲击次数的变化图Fig.2 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with impact times

图3 四厂家D20品级金刚石的TTI随冲击次数的变化图Fig.3 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with impact times

观察图1～图3我们还发现，四厂家相同品级的金刚石随着冲击次数的增加变化不同。在冲击次数小于GB/T33144-2016标准的规定时，四厂家各品级金刚石的TTI相差不大。在冲击次数大于GB/T33144-2016标准的规定时，四厂家各品级金刚石的TTI相差逐渐变大。整体来看，我们发现四厂家的金刚石的TTI随冲击次数的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。这可能跟金刚石整体的一致性相关，某些金刚石颗粒虽然在低冲击次数下能达到相应的TTI，但是冲击次数一旦增加，该部分物料则会破碎，导致TTI值下降较大。因此，各厂家为了保证金刚石的稳定性，在对金刚石冲击时，一定要选择合适的冲击次数。我们建议企业在制定内部冲击标准时，对冲击次数的选择不应低于国标规定。

2.2 四厂家金刚石热冲击前后钢球质量的变化

本实验在相同的测试环境、其他因素相同时，将打毛后的钢球用酒精清洗后自然风干，选取质量为2.086g的钢球分别编号，对四厂家某批次30/35粒度的D80、D40、D20品级金刚石进行冲击，取出钢球，再次用酒精清洗表面，自然风干后称量，分别和冲击前的质量进行对比，每组实验重复10次，其平均值变化见表2所示。

表2 四厂家各品级金刚石冲击不同次数冲击前后钢球的质量变化均值

观察表2我们发现，对四厂家金刚石颗粒，当冲击相同品级时，钢球的质量变化值随着冲击次数的增加而呈增加趋势；当冲击次数相同时，钢球的质量变化随着金刚石品级的提高而增加。结合表1我们还发现，对四厂家相同品级的金刚石，冲击次数相同时，金刚石TTI值越高则钢球质量的变化相对越大。

在冲击过程中，金刚石颗粒与钢球随着试样管一起做周期性的往复运动，冲击次数增加时，在反复冲击作用下，钢球表面产生金属疲劳形成裂纹或缺陷[4]，从而使得钢球的质量变小。

冲击过程中，根据能量守恒定律，E=Ea+Eb+Ec(E为冲击动能，Ea为冲击后钢球和金刚石的动能，Eb为金刚石破碎消耗的能量，Ec摩擦消耗的能量)，金刚石的TTI值越高，破碎所需要消耗的能量越大，该部分能同时对钢球造成疲劳磨损，所以钢球质量的变化随着金刚石TTI值的提高而增加。

2.3 冲击频率对四厂家各品级金刚石热冲击韧性的影响

本实验在相同的测试环境、冲击次数与钢球质量相同、且其他条件相同的情况下，选用四厂家的粒度均为30/35、品级分别为D80、D40、D20的某批次样品，分别在2200r/min、2300r/min、2400r/min、2500r/min、2600r/min的条件下进行冲击，研究冲击频率对四厂家不同品级金刚石热冲击韧性的影响，其结果见表3所示。

表3 冲击频率对四厂家不同品级金刚石热冲击韧性的影响

观察图4～图6我们发现，当冲击频率增加时，四厂家各品级金刚石的热冲击韧性值均在变小，且金刚石的品级越低，热冲击韧性值随频率的变化越大。这是因为根据动量定理P=mv=ft，随着冲击频率的增加，试样管、钢球和金刚石颗粒的运动速度加快，钢球对金刚石的冲击力增加，钢球与金刚石碰撞前的动量增加，碰撞时动能增加。由于金刚石合成时晶型有一定的缺陷及内部有裂纹，随着冲击频率的增加，金刚石的破碎方式由表面破碎为主转化为体积破碎为主，随着冲击过程的继续，金刚石未破碎和微破碎颗粒发生了越来越多的体积破碎，所以金刚石的冲击韧性值在逐渐变小。观察上图4～图6我们还发现，整体来看，TTI随频率的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。这跟金刚石缺陷的大小及分布相关，同时也跟金刚石的一致性相关。一致性相对较差使得冲击力一旦增加，某些缺陷相对大的金刚石“一冲即碎”，导致TTI值下降幅度较大。

图4 四厂家D80品级金刚石的TTI随冲击频率的变化图Fig.4 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

图5 四厂家D40品级金刚石的TTI随冲击频率的变化图Fig.5 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

图6 四厂家D20品级金刚石的TTI随冲击频率的变化图Fig.6 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

金刚石颗粒的一致性不仅会影响金刚石工具的制作，且金刚石工具在使用时，将受到一定的冲击力，若金刚石的热冲击韧性随冲击力的波动较大，将会影响工具的锋利度及其使用寿命，同时影响工具加工面的平整性，还会对设备的负载造成一定的影响。所以，金刚石颗粒的一致性对下游客户来说至关重要。

2.4 加热温度对四厂家各品级金刚石热冲击韧性的影响

本实验在相同的测试环境、钢球质量相同且其他条件相同的情况下，选用四厂家的粒度均为30/35、品级分别为D80，D40，D20的某批次样品，分别在900℃、1000℃、1100℃、1200℃下加热10min，研究加热温度对四厂家不同品级金刚石的热冲击韧性的影响，其结果见表4所示。

表4 加热温度对四厂家不同品级金刚石热冲击韧性的影响

观察图7～图9我们发现，金刚石的TTI随着温度的升高而降低，且品级越低随温度的变化越大。这是因为人造金刚石在合成时触媒金属不可避免的包裹在金刚石内部，造成金刚石的内部缺陷。升高温度使其内部性能发生变化，升高温度，金刚石的热膨胀系数增加，包裹体触媒的热膨胀系数大大高于金刚石的膨胀系数，必然会产生内应力，从而产生新的裂纹和促使裂纹扩展[5]。且品级较低时，金刚石内部的杂质含量较高，磁化率较高，所以其TTI受温度变化的影响较大。

观察图7～图9我们还发现，整体来看，TTI随温度的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。这可能跟各厂家金刚石内部包裹体成分、大小及分布不同相关，导致金刚石内部的品质不同，热稳定性不同。

图7 四厂家D80品级金刚石的TTI随温度的变化图Fig.7 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with temperature

图8 四厂家D40品级金刚石的TTI随温度的变化图Fig.8 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with temperature

图9 四厂家D20品级金刚石的TTI随温度的变化图Fig.9 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with temperature

金刚石刀具在制作及使用过程中都会受热，如果金刚石产品的热稳定性低，会对金刚石组织结构产生不利影响，从而影响刀具的加工质量，降低刀具的使用寿命，使生产效率下降，增加生产成本，所以金刚石的热稳定性对下游客户来说同样重要。我们建议企业在制定标准时，应严格控制金刚石的磁化率。

3 结论

(1)金刚石的TTI随冲击次数的增加而降低，且品级越低，TTI变化越大；整体来看，四厂家金刚石TTI随冲击次数的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。

(2)金刚石冲击过程中，钢球质量变化随着冲击次数的增加而增加，随着冲击金刚石品级的提高而增加；不同厂家相同品级的金刚石TTI越高，钢球质量变化相对越大。

(3)金刚石的TTI随冲击频率的增加而降低，且品级越低，TTI变化越大；整体来看，四厂家金刚石TTI随冲击频率的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。

(4)金刚石的TTI随着加热温度的升高而降低，且品级越低，其TTI随温度变化越大；整体来看，四厂家金刚石TTI随加热温度的变化为厂家一<厂家二<厂家三<厂家四。

(5)通过对比四厂家，我们发现金刚石的整体品质依次为厂家一>厂家二>厂家三>厂家四。各厂家为了保证产品的一致性，需制定合理的企业标准，为了保证批次稳定性，金刚石检测的各个指标均需严格控制。