金刚石复合片显微硬度分析

金刚石复合片显微硬度分析 2008年8月 总第166期第4期 金刚石与磨料磨具工程 Diamond&AbrasivesEngineering August2008 Seria1.166No.4 文章编号:1006—852X(2008)04—0022—06 金刚石复合片显微硬度分析 林峰姜伟冯吉富吕海波 (1.中南大学粉末冶金研究院,410083长沙) (2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,541004桂林) 摘要本文采用维氏压头和努普压头施加4.9N,19.6N,29.4N负荷,对HV5维氏显 微硬度计的标 准块进行了硬度检测.通过对比发现:采用努普压头,4.9N负荷能较精确的测量 出硬度值.因此采用 此法对金刚石复合片进行了努普硬度检测,及磨耗比检测.分析结果发现:沿径向 从边缘到中心硬度逐 渐减少,与磨耗比有相似的变化规律,在穿晶断裂为主的区域,显微硬度和磨耗比 明显高于以沿晶断裂 为主的区域.所以要合理的控制合成工艺,从根本上提高金刚石颗粒间的结合能, 形成更多的强D—D 结合.以提高金刚石复合片的质量. 关键词显微硬度;穿晶断裂;努普压头 中图分类号TG74;TQ164文献标识码A Analysisonmicro—hardnessofpolycrystallinediamondcompacts LinFeng-JiangWeiFengJifuLvHaibo (1.PowderMetallurgyResearchInstitute,CentralSouthUniversity,410083Changsha,Ch ina) (2.ChinaNationalSpecialMineralMaterialEngineeringResearchCenter,541(I)4Guilin, China) AbstractTheauthorstestedthemicro?.hardnessvalueofastandardsampleinHV5micro?.h ardnessapparatus usingVickers?SindenterandKnoop?Sindenterwithlodeof4.9N,19.6N,29.4Nrespectivel y.Itisfound thattheexactmicro—hardnessvalueofpolycrystallinediamondcompact(PDC)isgotwith 4.9NbyKnoop indenter.Sobywhich,PDCmicro—hardnesswasresearchedinfourspotsfromedgetocent eralongits diameter.Anditswearresistancewasresearchedbythesameway.Accordingtotheresult,th emicro— hardnessvaluewasdecreasinggraduallyalongitsdiameter,assameasitswearratio.Howev er,thevalueof micro--hardnessandwearratioinintra--granularfractureareawerehigherthanthatininter- -granularfracture areaaccordingtoPCDfracturesurfacebySEM.Thereforebyusingthebondingenergybet weendiamondgrains canbeenhenced,andmassD—DbondscanbegotsuitablesynthetictechniqueSOastoimpr ovePDCquality. Keywordsmicro—hardness;intra—granularfracture;Knoopindenter 基金项目:1.广西科学基金项目(合同号:桂科青0236070);2.广西科技攻关项目 ”新世纪十百千人才工程” (合同号:桂科攻0228095);3.广西 专项资金;4.广西科学基金项目(合同号:桂科青0728100) 第4期林峰等:金刚石复合片显微硬度分析 0引言 自1973年美国G.E公司成功研制金刚石聚晶复 合片Compax以来,引起了世界各国的广泛关注?. 以金刚石微粒与硬质合金基体在高温超高压下烧结而 成的金刚石复合片(简称PDC),兼备了金刚石单晶和 硬质合金的优点,被广泛的应用于地质勘探,切削加 特别在难加工材料 工,拉丝模加工等许多工业领域, (钛合金,陶瓷,复合材料)加工领域,能够适应高速切 削,以车代磨,展示了无限的发展空间J.现在PDC 刀具材料的50%用在汽车制造业,近40%用在木材加 工业,其余大部分用在航空航天方面. 显微硬度是衡量PDC质量好坏的重要标准之一. 金刚石是自然界最硬的物质,测定它的硬度极为困难. PDC作为一种复合材料,其硬度仅次于金刚石单晶,测 定其硬度也比较困难,易损害设备.目前国外PDC产 品销售时都进行显微硬度检测,而国内厂家很少见其 检测 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,或有硬度检测但与实际硬度差别太大,制约 了国内PDC进一步发展.关于PDC显微硬度测定,目 前国内外没有统一标准,使用压头形状不一,且所加负 荷大小不一.由于测试者操作不恰当,很难精确测量 PDC显微硬度值.本文结合试验经验介绍了显微硬度 检测时应注意的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,通过显微硬度和磨耗比检测,分 析了大直径PDC性能的均匀性,并通过改进组装方式 提高了PDC的均匀性.这对 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 其硬度试验和准确 测定具有积极的意义,并对企业进一步发展大尺寸的 PDC有借鉴意义. 1金刚石复合片的烧结 以平均粒度为2I,zm的金刚石微粉和WC一15%Co 硬质合金作为原材料,以Co为粘结剂,采用两个耐热 金属杯倒扣的方式包裹原材料及Co片.在真空高温 处理后按图1a和1b所示分别组装合成块,并在6× 1800t铰链式六面顶压机上,在1300?,1500?和 5.5GPa下进行高温超高压合成试验,烧结时间为10 , 30rain.实验中高压腔内的压力采用Bi,Tl,Ba标 定,然后采用外推法推出本实验所使用的压力.温度 采用双铂铑B型热电偶(Pt6%Rh-Pt30%Rh)标定.烧 结后的样品分别标记为样品A和样品B,对其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面加 工后,借助SEM观测表面形貌以及聚晶层端口的形 貌,并依据JB/T3235—1999标准在JS71.A型磨耗比 在HV5显微硬度计 测定仪上对PDC进行磨耗比检测, 上进行了维氏显微硬度检测. , ////////A一.??..;.,,t~//////7/ 兰.. , , —?,——.,——?} / l一一 „()(((一?, „„„ .?1 „一, //////A..?...?.一,/// >, f/_—_\\ (b) 图1样品组装图 Fig.1Sampleassembly (a)l,2,3一叶蜡石,4一白云石,5,6一石磨,7一金属杯,8一硬质合 金,9一金刚石,lO一导电钢碗,ll一钼片; (b)l,3,13一叶蜡石,2一导电钢碗,4一钼片,5一白云石,6,7一石 磨,8一导热体,9一金属杯,lO一金刚石,ll一硬质合金,l2一氯化 钠,l4一陶瓷片 (a)l,2,3一pyrophyllue,4一dolomite,5,6一graphiteheater,7一matel cup,8一WC一15%Co,9一diamond,10一steelbowl,ll—Moplate; (b)l,3,13一pyrophyllue,2一steelbowl,4一Moplate,5一dolomite, 6,7一graphiteheater,8一heatconductor,9一matelcup,10一diamond. 11一WC一15%Co.12一NaC1.14一cermet 2显微硬度压头及负荷的选用 “硬度”是材料重要的力学性能参数,是材料抵抗 局部压力而产生变形能力的表征,最常见的有维氏 (Vickers)硬度和努普(Knoop)硬度两种. 金刚石与磨料磨具工程第166期 为了比较那种更适合金刚石复合片硬度试验,分 别采用了Vickers和Knoop两种压头,对经上海国防区 域计量站2001校准实验室校准的标准硬度块(HV..= 446.9)进行硬度试验,施加负荷分别为4.9N,19.6N, 29.4N,然后按从目镜中读到对角线的长度从硬度表 中找到对应的硬度值,并根据公式 压痕的实际长度=丝 (1) 计算压痕对角线的实际长度,结果如表1所示,压 . 痕如图2,3所示 表1采用维氏压头和努普压头所测硬度值 Tab.1ThehardnessvaluewithVickers?S indenterandKnoop?Sindenter 从表1中看到:采用同一形状的压头,不同的负荷 ,不同形状的压 所测硬度值均不相同;在施加相同负荷 头(维氏压头是正方形的,努普压头是拉伸的菱形的, 其压痕如图2,图3所示)所测得结果也不相同;而且 这两者与标准块的标准值(HVm=446.9)有一定的差 别.从表1中看到采用较小负荷所测硬度值最接近标 .使用同一压头,不同负荷时,随着负荷增大压头 准值 压人的深度增加,引起压痕周围不同程度的形变,影响 了测量值的精确性.Getting..认为材料的硬度值与 所使用压头形状有密切的关系.采用不同形状的压 头,压人被测材料时产生了不同的施力方式和不同的 作用效果,必然引起压痕周围不同程度的破碎,这就需 要不同的能量,也必然影响了测量值的精确性.从图 2,图3中看到压痕周围都有不同程度的形变,并且维 氏压头引起的形变远远的大于努普压头.但表1中采 用维氏压头所测硬度值最接近标准值,这可能是因标 准块相对较软,形变的影响不太明显. 一 般用硬度研究超硬材料的可塑性和断裂现 象H].由于硬度仪的压头是金刚石单晶,而复合片中 是金刚石聚晶,二者硬度接近,所以采用压痕法很难精 (a)采用维氏压头4.9N的压痕 (a)IndentationofVickers?Sindenterwith4.9N (b)采用维氏压头19.6N的压痕 (b)IndentationofVickers?Sindenterwith19.6N (e)采用维氏压头29.4N的压痕 (e)IndentationofVickers?Sindenterwith29.4N 图2采用维氏压力的压痕 Fig.2IndentationofVieke~?Sindenter 确测量PDC的硬度J,操作不当易损害设备引起金刚 石压头的破裂.待测材料越硬,在压痕周围产生的形 变就越明显,因此检测PDC的显微硬度时所用的力不 易过大(文献[9]施加负荷为4.9N,文献[11]施加负 荷为9.8N),否则压痕周围会发生较大的形变(如图4 所示),给测试带来较大的误差.通常这种破碎形变也 第4期林峰等:金刚石复合片显微硬度分析 (a)采用努普压头4.9N的压痕 (a)IndentationofKnoop?Sindenterwith4.9N (b)采用努普压头19.6N的压痕 (b)IndentationofKnoop?Sindenterwith19.6N (c)采用努普压头29.4N的压痕 (c)IndentationofKnoop?Sindenterwith29.4N 图3采用努普压头的压痕 Fig.3IndentationofKnoop?Sindenter 与压头的形状有关:努普压头是拉伸的四边形,在施加 相同的力对超硬材料产生的形变相对较小_4j,可较为 精确的测量硬度值.在对PDC硬度测量时,压头的尺 否则就有可能将压痕打 寸必须超过超硬材料的粒度, 在颗粒上,引起误导或毁坏压头.从表1,表2中可以 大负荷压痕周围的形变 图4 Fig.4Deformationaroundindentationwithgreaterforce 看出在施加相同的负荷下,努普压头压痕的对角线是 维氏的2.7倍左右.经验表明努普压头比维氏压头更 为经久耐用.为了较为精确的测量金刚石复合片的显 微硬度值,最好选用努普压头,采用较小的负荷(一般 ?9.8N). 表2两个样品的硬度值和磨耗比 Table.2Micro.hardnessvalueandwearratio ofsampleoneandsampletwo 3PDC显维硬度,磨耗比试验及相互关系 显微硬度仪采用的是光学放大原理测出压痕对角 线的长度,所以金刚石聚晶层粗糙度必须在R0.8m 以上.因此先要对PDC表面进行平磨加工成平面,然 后进行抛光达到镜面,以便压头与复合片开始接触时 各部分受力均匀并能清晰的反光,准确的读出压痕的 长度,而且要求待测面非常平整,这在硬度试验中是极 为重要的.如果测试面不平,从目镜中看到一个不完 整的压痕,如图5所示.如果测试面的光洁度不够,在 目镜中就不能看到一个清晰的压痕,如图6所示.而 图7就是金刚石复合片表面加工极好的压痕. 对样品A和样品B进行表面加工处理后,通过 SEM观测两样品无异常颗粒长大,表面颗粒分布较为 均匀,基本上形成D-D结合,金属co被排挤在颗粒交 界处,成叶脉状分布,如图8所示.分别对两样品沿径 向方向取4个点(如图9所示)进行了硬度试验和磨耗 金刚石与磨料磨具工程总第166期 图5不对称的压痕 Fig.5Dissymmetricindentation 图6不清晰的压痕 Fig.6Illegibleindentation 图7完好的压痕 Fig.7Perfectindentaion .从表2中可以看出采用两 比试验,结果如表2所示 种组装方式烧结出的复合片在显微硬度和磨耗比方面 差别不大,但在沿径向分布方面却存在较大的差别,显 微硬度和磨耗比沿径向具有相似的分布规律.样品B 沿径向方向显微硬度的最大差值为19%,磨耗比的最 大差值约为11.4%;样品A径向方向显微硬度的最大 差值为33%,磨耗比的最大差值约为22%.这些差异 说明了烧结的不均匀性.通过三点弯曲法对样品B 图8两样品的SEM图 Fig.8SEMimagesofsampleAandsampleB 图9沿径向的4个测试点 Fig.9Fourtestingplacealongdiameter 金刚石聚晶层横向断裂后,借助扫描电镜发现聚晶层 以穿晶和沿晶两种方式断裂,在边缘以穿晶断裂为主, 在中心以沿晶断裂为主,如图10所示.这说明在腔体 内沿PDC径向边缘温度高,使金刚石颗粒之间的结合 强度增大,形成牢固的D—D结合,导致金刚石颗粒问 的结合能大于单晶的解理能而出现了穿晶断裂的现 象,反之就出现沿晶断裂.当金刚石单晶间的结合能 足够强,断裂方式以穿晶断裂为主时,PDC的显微硬 度和磨耗比就高.要提高PDC的硬度和磨耗比,实际 上就是要提高颗粒间的结合能,尽量避免沿晶断裂的 出现. 由于腔体内的温度梯度和压力梯度是不可避免 的,相对而言样品B沿径向的性能分布较为均匀.这 第4期林峰等:金刚石复合片显微硬度分析27 图10样品B金刚石聚晶层断面的SEM图 Fig.10SEMimageofPCDfracturesuYfaceof sampleB 说明采用该组装方式(图lb)能有效的减少腔体内轴 向压力梯度和径向温度梯度,使熔融的co在高温高压 下,能够在金刚石颗粒间的毛细管张力作用下,均匀渗 透扩散,穿越整个金刚石层,把两个接触的金刚石颗粒 桥接在一起形成D.D结合.因此co的均匀分布决定 烧结的金刚石复合片性能的均匀性.采用组装(图 la)虽合成时间短,效率高,但是均匀性却不好,这也是 国内PDC目前主要存在的问题.组装(图1b)在腔体 最外层采用白云石管和白云石保温片形成封闭结构, 能够有效的减少热量的散失.采用NaC1作为内传压 介质,能有效的传递压力,减少大腔体内的压力梯度. 在腔体中心采用传热介质,既能减少复合片沿径向的 温度梯度,又能对整个腔体起支撑作用,它与腔体两端 的陶瓷片能有效的防止复合片的形变.采用两个耐热 能很好的起到屏 金属杯封闭金刚石和硬质合金基体, 蔽的作用,防止腔体内的其他杂质原子的进入,影响金 刚石复合片的质量,而且还能支持较长的烧结时间. 因此采用该组装方式能够烧结出尺寸更大的复合片, 适应日益激烈的市场竞争. 4结论 通过上述分析可得出如下结论: (1)显微硬度测试时,样品表面加工平整且要抛 可采用努普压头,施加小负载. 光成镜面,精确测量时, (2)金刚石复合片尺寸扩大后在径向方向的硬度 分布和磨耗比分布的差异增大,而且二者的分布具有 相似的规律,通过改进组装,提高了其性能的均一性. 通过观察PCD断面发现:要提高PDC的显微硬度和磨 耗比,就要从根本上提高金刚石颗粒间的结合能,使断 裂以穿晶断裂为主. 参考文献 [1]SinghalSK,ParkJK.SynthesisofCBNfromamorphousboron nitridecontainingoxideimpurityusingMg?-A1alloycatalystsolvent [J].JournalofCrystalGrowth,2004,260:217—222 [2]klagesCP,FrydaM,MattheeT.DiamondcoatingsandCBNcoating fortools[J].JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials, 1998,16:171—176 『3]CasanovaCAM.,BalzavettNM,VoroninG.Experimentalstudyof plasticdefonnaticyduringsinteringofcubicboronniridedcompacts [J].DiamondandRelatedMaterials,1999,8:1451—1454 [4]SumiyaH,UesakaS,SatohS.Mechanicalpropertiesofhighpurity polycrystallineCBNsynthesizedmethod[J].JournalofMaterials Science,2000,35:1181—1186 [5jBenkoE,WyczesawyA,Ban”TL.CBN—metal/metalnitride composites[J].GeramicsInternational,2004,26:639—644 [6]WangXC,JiaXP,ZhangTC.CBNsynthesisinthesystemof hBN—Mgandbonderwater[J],DiamondandRelatedMaterials, 2003,12:57—60 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