两面顶金刚石性能及高性能PcBN复合片的研究

摘要

本文简述了金刚石和立方氮化硼(cBN)的发展和应用，对二者的合成及性能作了对比。作为超硬材料，它们由于优良的性能而在工业的各个领域得到了广泛的应用，而且各个工业发达的国家把它们作为提高经济效益，达到节能、高效、精密、自动化等目的的重要材料加以发展，并将其视为衡量一个国家技术进步的重要标志。 因此本文对国内生产的两面顶金刚石的杂质和耐热性能作了如下的分析： 采用高灵敏度的中子活化法分析了该类金刚石，发现其内部杂质含量非常低，主要含有触媒杂质，此外还包括十几种微量杂质元素，如La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Yb、Lu、As等；另外将该类金刚石在高温下热腐蚀后浓缩了碳的含量，借助于带有能谱(EDS)的扫描电镜(SEM)分析金刚石内的杂质主要是Fe、Ni，同时含有Ca、A1、Si、S、Cl、K、Na、Ti、Mg九种杂质元素；通过两种测试方法对比，认为金刚石内主要以金属包裹体为主，特别是触媒包裹体，而其他的杂质主要来源于传压介质或碳源。采用热失重(TG)和示差扫描量热(DSC)分析该类金刚石的起始氧化温度在720℃左右，并且在加热过程出现了两个放热峰，认为第一个主要是金刚石被氧化生成CO<,2>造成的，而温度超过1200℃出现的第二个放热峰主要是由于金刚石内部的触媒反催化导致石墨化而后被氧化成CO<,2>的结果。通过热腐蚀后的形貌观察，认为该类金刚石在1000℃以前主要是直接氧化，该温度之后便是金刚石的石墨化，即金刚石的石墨化温度高于其氧化温度。并将杂质含量和耐热性与原GE公司的产品进行了对比。 cBN具有比金刚石更优异的特性，而在机械加工上被更为广泛的应用。为了能合成出高性能的PcBN复合片，本文进行了以下研究： 在高温高压下，将cBN粉末放在WC-10％Co的基体上进行烧结。不同温度下烧结的样品通过SEM、EDS、XRD、显微硬度、抗弯强度(TRS)等的分析发现： (1)在该实验条件下，Co、W、B、N出现了沿轴向的扩散，存在其他原子进入CBN的晶胞的情况；(2)XRD中cBN峰的宽化及晶格常数的变小、微晶的存在都说明了cBN颗粒在高温高压下的破碎及晶格奇变；(3)C0在该烧结中主要起了“净化”cBN表面、利于cBN颗粒的重排、填充在晶界内的作用，烧结主要是靠CBN颗粒间直接键合而成的；(4)烧结后的样品内存在较大的残余应力，约为4GPa，并随降温时间的延长应力得到了松弛；(5)显微硬度随温度的升高而变大，在T4温度下，努普硬度值约为4000，而且沿径向出现了硬度分布不均的情况；(6)TRS值也随着温度的增高而变大(7)TRS测试中PcBN层断裂的方式是穿晶断裂和沿晶断裂的共存，随着温度的升高穿晶断裂逐渐增多，而且在PcBN层的边缘穿晶断裂明显增多。 通过实验观察认为，国内生产的两面顶金刚石和原GE公司生产的同等价位的产品在性能上极为接近，说明了我国的优质金刚石已达到了可替代进口的水平；而对PCBN复合片来说，温度对其性能的影响比压力更为明显。由于腔体内温度梯度和压力梯度的存在，出现了沿径向烧结不均匀的现象，主要表现在硬度和断裂方式上。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章金刚石和立方氮化硼的结构与性能

第三章实验方法及过程

第四章两面顶金刚石杂质和耐热性的分析

第五章PcBN+WC-CO复合片的研究

第六章总结

参考文献

攻读硕士期间发表得论文

致谢