聚晶金刚石的超高压反应烧结

人造金刚石

聚晶金刚石

金刚石是碳的同素异构体，可以选用碳化物形成元素（如钛、硅）作添加剂进行反应烧结，烧结过程中，碳化物形成元素与金刚石表面的碳反应生成碳化物从而将金刚石粘结起来。这类添加剂中研究较多的是富硅系，硅含量50%~90%（摩尔分数）其余金属壳选择铁、钴、镍、铬、锰、钼、钛等。国内最早采用Ni-Si系，而Ti-Si系是效果较好、应用广泛的添加剂。添加Ni-Si的金刚石烧结时，Ni-Si反应形成的Ni-Si熔体与金刚石表面碳反应形成β-SiC,通过β-SiC和Ni-Si化合物将金刚石结合起来，但Ni-Si系金刚石聚晶的强度较差，逐渐被Ti-Si系添加剂取代。

以Ti-Si添加剂的金刚石为例，反应烧结过程为：在700~1300℃，硅、钛和金刚石的表面碳通过固相扩散反应形成SiC、TiC和TiSi2；在约1330℃，Ti-Si液相同金刚石表面碳反应，生产TiC和SiC；在1500℃，TiSi2分解，并同金刚石表面碳反应，形成TiC和SiC；在1600℃保温保压烧结阶段，SiC、TiC发生烧结并将金刚石晶粒结合起来，形成致密金刚石烧结体。Ti-Si系作粘结剂，金刚石聚晶的成品率较高（＞90%）。Ti-Si配比对成品率有影响，钛含量高成品率高；硅含量高，则成品率低。粘结相中TiSi2与SiC、TiC共存时，比单一SiC、TiC具有高的耐热性，但耐磨性降低。

加入硼形成Ti-Si-B三元粘结剂时，在1650℃、5~6Gpa、60s条件下得到的金刚石烧结体其性能随金刚石的力度和粘结剂加入量的不同而变化。两个因素的综合影响可归结为平均自由程与性能的关系。图8-16是抗弯强度与平均自由程的关系曲线。平均自由程在0.85~0.95um之间，抗弯强度出现最大值。当粘结相层过薄时，粘结相不连续，出现金刚石晶粒的直接接触区域，成为结合弱点。因此，曲线的左支表现出抗弯强度随平均自由程减小而降低的趋势。而当粘结相层过厚时，因粘结相自身的力学性能比金刚石低，过厚的粘结相层降低金刚石烧结体的整体强度。在曲线的右支，强度随平均自由程的增大而下降。耐磨性的情况与抗弯强度相似。当平均自由程为0.85~0.95um时，耐磨性出现最大值。Ti-Si-B粘结金刚石的耐热性比钴粘结的高100℃。其耐热性与TiC、SiC具有良好的耐热性有关，微量硼的加入，也提高金刚石的热稳定性。

反应烧结金刚石聚晶已广泛用于地质及石油钻头、拉丝模等；反应烧结金刚石/硬质合金复合片已用作刀具、石油钻头和拉丝模等。金刚石烧结体主要用作切削工件和耐磨工件。用来作切削工具时，因在高温下金刚石与铁发生反应，因此只能用于切削铝合金、铜合金之类的非铁金属以及塑料、碳素、橡胶、陶瓷等非金属。