【正文】 飽和度過大，這將導(dǎo)致 Co 的含量相對減少，DD 結(jié)合鍵形成過快，PCD中的位錯、包裹體等缺陷增多，反而使 PCD 的結(jié)合強度降低，使顯微硬度和耐磨性反而降低。 燒結(jié)溫度對顯微形貌的影響 (a) (b) (a) (d) 圖 PCD 微觀形貌 (a)8 (b)10 (c)12 (d)14圖 16 為不同燒結(jié)溫度下的 PCD 拉絲模芯的 SEM 照片，8試樣由于溫度過低，Co 未完全熔化滲入金剛石顆粒中，圖片中晶界明顯，顆粒棱角中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）33分明；10試樣中經(jīng)理棱角已經(jīng)圓滑，晶界不明顯，但是白色區(qū)域過多，粘結(jié)劑分布不均勻；12試樣組織較為致密，大量的黑色金剛石顆粒連成一片，白色粘結(jié)劑呈點絮狀零星地分布在金剛石晶粒之間，且分布均勻；14試樣晶界不明顯，部分晶粒微大，有晶體異常生長傾向。當(dāng)合成壓力和合成時間一定時，在一定的燒結(jié)溫度下，Co 會在高溫超高壓的作用下滲入金剛石顆粒間充當(dāng)傳壓介質(zhì)和助溶劑，促使金剛石晶粒表面碳原子經(jīng)溶解、擴散再結(jié)晶而在金剛石顆粒間形成 DD 結(jié)合也越多，試樣的顯微硬度和磨耗比也會越高，燒結(jié)溫度過低，無法達(dá)到 Co 的熔點1336℃，Co 無法完全液化滲入金剛石顆粒中，溫度過高，金剛石向石墨轉(zhuǎn)化的傾向變大，試樣的硬度和耐磨性也降低。 PCD 拉絲模坯的能譜分析如圖 17，圖 a 為高壓未加熱壓制的試樣，其中金剛石顆粒棱角分明，顆粒間隙較大，從 EDS 分析可以看出粘結(jié)劑 Co 含量較低，其原因應(yīng)為Co 未熔化（Co 熔點 1336℃） ，無法滲入金剛石顆粒間。圖 b 為高溫高壓燒結(jié)而成的試樣，圖中大量黑色部分連結(jié)在一起，白色粘結(jié)劑呈點絮狀零星地分布在金剛石晶粒之間，組織致密，從 EDS 分析上看， Co 含量較高，其原因為 Co 經(jīng)過高溫加熱，熔化滲入金剛石顆粒之間，金剛石顆粒表面在 Co 中發(fā)生石墨化，溶解析出，使其棱角圓潤，組織之間更為緊密。 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）34（a） (b)圖17 高壓未加熱(a)和高溫高壓加熱(b)試樣的能譜分析4 PCD 拉絲模坯高壓燒結(jié)過程及機理 拉絲模坯燒結(jié)機理過去生產(chǎn)的人造金剛石聚晶，究其結(jié)構(gòu)來看，金剛石晶粒主要是通過中間粘結(jié)劑機器碳化物間接的連接在一起，這種結(jié)構(gòu)被稱為 DMD 型。在耐磨性方面，DMD 型金剛石聚晶樣品比 DD 結(jié)合型結(jié)構(gòu)的金剛石燒結(jié)體低，所以我們此次實驗就是要研究高純度 DD 結(jié)合型聚晶金剛石的高壓合成。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）35我們此次實驗所用的金屬觸媒為 Co，金屬觸媒在高溫高壓下熔化后，首先起到傳壓介質(zhì)的作用，使金剛石晶粒各部分表面所受壓力比較均勻，這種情況下，金剛石晶粒間未直接互相接觸的部分便不容易發(fā)生因壓力過低而引起的石墨化現(xiàn)象。同時，觸媒金屬又可使少數(shù)接觸部分的金剛石碳原子溶解到周圍觸媒金屬中形成分散的金剛石碳原子，經(jīng)過擴散，填補到未接觸部分的金剛石表面上，從而擴大了接觸面，增加 DD 結(jié)合的形成[26]。本論文高溫高壓燒結(jié) PCD 拉絲模芯是在 CoC 共晶溫度（ 下為1336℃）以上進(jìn)行燒結(jié)的，是一種典型的液相燒結(jié)。成功的液相燒結(jié)首先取決于固—液兩相是否相互潤濕。也就是說，固體顆粒表面應(yīng)當(dāng)具有好的(被液體 ) 潤濕性。因為好的潤濕性，將保證液相在顆粒表面的鋪展，保證顆粒間原子獲得更強的吸引力，將有利于液相在孔洞中流動，而差的潤濕性會造成顆粒間排斥，使液相從燒結(jié)體流出，從而影響燒結(jié)體性能。一般用浸潤角表征浸潤性的好壞，如圖 18，為浸潤角示意圖。圖 18 浸潤性示意圖 圖 19 相變區(qū)域動力學(xué)特征純金屬鈷在 1425℃時對金剛石的浸潤角為 82176。，當(dāng)燒結(jié)溫度為 1495℃時鈷對金剛石的浸潤角則更是達(dá)到了 35176。，鈷對金剛石表面良好的浸潤性為成功的液相燒結(jié)提供了前提。在此基礎(chǔ)上，鈷金剛石燒結(jié)系統(tǒng)的化學(xué)位中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）36則決定了燒結(jié)過程的速度，即燒結(jié)壓力 P 與燒結(jié)時間 T 共同決定了燒結(jié)時的相變幾率、相變程度以及相變速度。如圖 19，在距相平衡線的 D1D2線上具有最大的相變驅(qū)動力，相變速度最快，燒結(jié)時間最短，C1C2 線上各點次之，而 A1A2 線上各點相變驅(qū)動力最小，相變速度最慢，燒結(jié)時間也最長。在相同壓力（P1）下，D2 點燒結(jié)速度最快，A2 點燒結(jié)最慢。 拉絲模坯燒結(jié)過程由于超高壓的作用，PCD 拉絲模芯的超高壓高溫?zé)Y(jié)經(jīng)歷了以下四個階段：第一階段：金剛石顆粒的擠壓破碎、重排階段。由于本實驗采用的是先升壓在加溫的燒結(jié)工藝，在腔體溫度場未達(dá)到燒結(jié)溫度之前，腔體內(nèi)金剛石顆粒已在超高壓力下發(fā)生了擠壓破碎、扭曲變形，顆粒發(fā)生了一定程度的細(xì)化，顆粒短距離滑動和填充間隙使試樣孔隙減少，致密度大大提高。如圖 20，為高壓前后顆粒對比圖，圖（a）為加壓前的金剛石顆粒，圖（b）為超高壓力后的顯微圖片。 (a) (b) 金剛石微粉高壓前后對比圖 （a）加壓前；（b）加壓后從圖中可以看出，原料為 5um 左右的金剛石微粉經(jīng)過高壓擠壓破碎后微粉粒徑有了一定程度的減小，破碎后的粒徑大致在 24um。高壓后的顆粒相互擠壓破碎后試樣已較為致密，但仍存在一定孔隙。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）37第二階段：Co 溶解、擴散階段。腔體內(nèi)溫度的升高加劇 Co 原子的熱運動，當(dāng)溫度升高到達(dá)到一定值（800℃）足以使 Co 擴散時，由于濃度差及超高壓的存在，Co 將向金剛石層開始擴散，隨著時間的延長和溫度的不斷升高，Co 片融化并開始掃越整個金剛石層。在此過程中，由于 Co 液的流動，促進(jìn)了金剛石微粒的二次重排，燒結(jié)體孔洞進(jìn)一步減小，試樣致密度進(jìn)一步提高。由于壓力與溫度的短時間不匹配及孔隙處的壓力極低，會發(fā)生一定程度的金剛石顆粒表面石墨化，從而使金剛石顆粒尖角、棱角鈍化，促進(jìn)顆粒的滑動、重排。第三階段：溶解析出 生長階段。相關(guān)資料表明，當(dāng) Co 液開始掃越但還未到達(dá)金剛石顆粒表面時，金剛石顆粒短時間處在石墨相穩(wěn)定區(qū)而發(fā)生少量的石墨化 [72]，當(dāng)燒結(jié)溫度上升到 CoC 共晶溫度（1336℃）時，共晶液開始形成，在極高壓力和毛細(xì)管力的共同作用下，Co 液開始大量擴散。當(dāng) Co 液到達(dá)其表面時，金剛石表面將以石墨化碳的方式溶解于 Co 液中，由于高壓下 Co 對金剛石表面具有良好的浸潤性，Co 液將快速的得以擴散并與金剛石表面產(chǎn)生強烈的相互作用，Co 液的浸潤一方面使試樣整體壓力更趨于均勻，另一方面降低了金剛石表面石墨化的速率，石墨化過程被抑制。第四階段：DD 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)骨架形成階段。在溶解析出階段發(fā)生之后，隨著時間的延長，Co 液擴散至整個金剛石層，各處的孔隙進(jìn)一步被填充，試樣各處的壓力更趨于均勻。由于存在金剛石與石墨溶解度之差及整個外部環(huán)境處于金剛石穩(wěn)定區(qū)，溶解在 Co 液中的石墨化碳將以金剛石 C 原子的方式在金剛石表面重新析出，當(dāng)界面附近晶粒間聚晶金剛石形成之后，相鄰層的金剛石原子重復(fù)發(fā)生上述的溶解→擴撒→析出→生長過程，以此不斷的向前推進(jìn)，使金剛石顆粒得以生長而形成 DD 結(jié)合，同時將多余的中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）38Co 液排擠出金剛石表面，完成燒結(jié)。5 結(jié)論本論文以 PCD 拉絲模坯為研究對象，以 Co 作為金屬觸媒，對粒度為5μm 的金剛石微粉進(jìn)行液相燒結(jié)，在壓力恒定為 條件下，以燒結(jié)時間和燒結(jié)溫度作為變量進(jìn)行對比實驗，通過對試樣進(jìn)行硬度分析、磨耗比測定、掃描透鏡微觀分析以及能譜分析，得出以下結(jié)論：（1）在壓力和燒結(jié)溫度恒定的條件下，隨著燒結(jié)時間的增加，試樣的磨耗比、硬度都先增高再降低，在 180 秒達(dá)到最高，燒結(jié)時間過短，Co無法完全滲入金剛石顆粒之間；時間過長，金剛石顆粒會發(fā)生石墨化，影中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）39響組織結(jié)構(gòu)。（2）在壓力和燒結(jié)時間恒定的條件下，隨著燒結(jié)溫度的增加，試樣的磨耗比、硬度都先增高在減低，在 1550℃達(dá)到最高，燒結(jié)溫度過低，Co無法完全熔化，滲入金剛石顆粒之間；溫度過高，會造成晶體的異常生長，影響組織結(jié)構(gòu)。（3）PCD 拉絲模坯 SEM 微觀形貌觀察表明：在燒結(jié)溫為 1550℃，燒結(jié)時間為 180 秒時，其組織微觀形貌中金剛石顆粒間大都以 DD 結(jié)合為主，殘留觸媒金屬 Co 分布均勻，組織致密，孔隙較少，所以試樣的性能最好。參考文獻(xiàn)[1] 謝鐵橋等. 我國拉絲模的現(xiàn)狀與發(fā)展方向. 金屬制品， 1989，15(3) :5～9[2] 孫金茂，張建家. 拉絲?，F(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及國外修模設(shè)備綜述 . 上海金屬, 1991，13(3) : 23～26[3] 甘曉明，馮克明，王曉玲. 拉絲模材質(zhì)的選擇 . 金剛石與磨料磨具工程, 1999，109(1) :35 ～36[4] 鄧福銘, 陳啟武. 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