金刚石热稳定性

1、金刚石热稳定性1 前言1954 人造金刚石已经经历了三个发展阶段1：(1)50 年代人造金刚石的合成，使金刚石生产工业化成为现实;(2)70 年代聚晶金刚石(PCD)的出现，使人造金刚石进入;(3)80 年代成熟的低压气相生长金刚石薄膜(CVD)的成功开始了金刚石作为功能性新材料应用的新时代。人造金刚石的质量与使用性能提出了更高的要求与期望。作为金刚石工具重要性能指标之一，热稳定性(Thermal Stability)的研究越来DeBeers GE 公1，进行了诸多方面的研究2。从生产到(1)将其制作成刀具时，所经历的;(2)等，而是加入热稳定性指标的综合评价。单晶金刚石的热稳定性研究9001

2、100加热，30min3。目前国内对于单析，测出样品失重与加热温度的关系;也有在对样品加热后，测试试件机械性能的下降程度，并以此来;或者综合差热、热重、热腐蚀分4。这些方法的共同特点是：金刚石性。应用以上方法，已经得到了单晶金刚石热稳定性与诸多因素的关系。单晶金刚石热稳定性与环境的关系依据。在不同的气氛中加热，金刚石的热稳定性差别很大1，5。金刚石在空气1500以下不会转变成石墨6。在00以上才开始氧化， 20003000才变成石墨;660左右开始石墨化;在氮、氢混1800K(1527);430左右就会900K(627)。可见，不同的环境造成金刚石墨化的机理不同。单晶金刚石热稳定性与强度的关系

3、680左右强度开始降低。在空气中，加热到900，高品级缺陷少，金刚石比较稳定6，7。当环境温度超过金刚石的热稳定性温度时，金刚石的强度明显下降。单晶金刚石热稳定性与粒度的关系7，8：一是，常温强度相同的金刚石，粒度越细，金刚石内在和外在的缺陷就;与下述的氮元素提高热稳定性的机理相同。单晶金刚石热稳定性与磁性的关系Fe、Ni、Co、Mn 等引起的。这些元素都是顺磁质，故人造金刚石属于铁磁性物质。磁性对金刚石的热稳定性影响比较显著。磁性越强，高温强度越弱，其热稳定性就越差8的产品比无磁性的产品加热，强度下降多50%左右。单晶金刚石热稳定性与触媒、杂质、颜色及一些元素的关系由于人造金刚石在制作过程中

4、会加入触媒，如 Fe、Ni、Co、Mn 等元素。合成后在其晶体中形成夹杂物这些杂质将对性能产生很大的影响研究结果表明3-粉末触媒合成的金刚石要比片状触媒合成的金刚石的热稳定性 金刚石的热稳定性最差;(4)人造金刚石合成时，形成的杂质是去不掉的，而有意添加“杂质”如元氮(N)、硼(B)却能够增加其热稳定性，并随着元素含量的增加，原因是与金刚石相近的晶格常数使氮原子能够进入其晶格，起到取代、机理则不同，其主要集中在表层，受热时生成 B2O3。B2O3 的熔点低，易成为熔融态且与金属氧化物起活性反应生成稳定的硼酸盐，这样减缓了碳(C)的氧化速度因而提高了金刚石的热稳定性可见不同的条件引起热腐蚀的机理

5、不同，但应有最根本性的东西，有待于进一步的探索。单晶金刚石受热后表面形貌的变化金刚石受热后的表面形貌多利用扫描电镜(SEM)进行观察，在空气中和真空900后的金刚石的表面形貌有明显不同10。空气中加热的金刚石热腐蚀严重，主要是由于金刚石碳(Cd)转变为石墨(Cg)以及碳和空气中的氧生CO CO2 造成的。(1)金刚石本身的物性;(2)金刚石所处的环境。二者是相互联系、密不可分的。同时各因素之10，11。所有的研究工作，为在具体的应用条件下，如何选用金刚石工具，给出了许多有益的指导。聚晶金刚石的热稳定性研究聚晶金刚石的热稳定性确定了其应用范围12，对其研究越来越受到人们的热前后聚晶金刚石性能的改

6、变来研究其热稳定性。并有定义13为：聚晶金刚石复合片的耐热性是指它在空气中或保护气氛中加热而耐磨性基本保持不变所能承受的温1：(1)DeBeers 公司是将其置于(95%H2+5%N2)中用还原炉加热，Beers 公司还有用热量差热分析仪，并配以高温显微镜，来测定其初始氧化温度，以此来确定氧化度、耐热性;(3)美国 GE 公司是将加热过的0.13mmPR。国内的研究手段大多类似于方法二，采用差热热重法。并用等。研究表明，聚晶金刚石的热稳定性与许多因素有关。聚晶金刚石热稳定性与环境的关系PCD 表面显微分析中得出：氢气中，PCD 表面从;600粘结相就开始从晶界渗出，750PCD 表面有碎裂的迹

7、象，达到 面出现损伤，并伴随着 Co PCD 表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。而且发现在细微晶粒间有微小裂纹的存在。可见，不同的环境对热腐蚀的进程，分别有促进和抑制的作用。聚晶金刚石热稳定性与粘结剂的关系 WC-Co 起到润湿金刚石颗粒作用的同时，也会出现在最终形成的产品中。这些残余的金属相对其性能产生很大的影响。例如， )Co 作为粘结剂的。一般认为其受热不宜700。钴在高温低压下与碳具有较强的亲和力，促使金刚石转化为石墨，从而降低它的强度;再者，金刚石和钴之间的热膨胀系数不同，在高温下将导致PCD 2Be Deers 是以陶瓷材料-SiC 作为粘结剂的

8、，此粘结剂化学性稳定，且其热膨胀系数与金刚石接近。因些，在惰性气氛中，其热稳定性可以允许加热到 1200。而以 Ni 基合SDB1000 Co 作为粘结剂的SDA 产品具有高的热稳定 Si-Ti-B 系粘结剂的聚晶金刚石，热稳定性可达 11001300。粘结剂添加量的多少亦会产生较大的影响。实践证明，以添加10%15%粘结剂的聚晶金刚石的热稳定性为好。达到20%时，聚晶金刚石的热稳定性明显变差。若是干脆没有粘结剂，则热稳定性会更好。CVD 薄膜或厚膜由于没有粘结剂对热稳定性的负面影响，其PCDCVD CVDITE 和化学惰性，特别适用于高速干切削15。聚晶金刚石热稳定性与粒度的关系PCD 层具

9、有较PCD PCD PCD700 层中的金刚石颗粒失去其完整性 刀具的切削性能下降。提高聚晶金刚石热稳定性的一些方法(B)，使之生成带有硼化物的120014501。但当硼含量过高时，聚作工艺上，采用特殊的酸处理将金属相去掉，可使其耐热性达到 1200130017。类似于单晶金刚石的热稳定性影响因素，聚晶金刚石的热稳定性影响因素也可以归纳为两类：(1)聚晶金刚石所处的环境;(2)聚晶金刚石自身的结构特征。复杂。特别是粘结剂的影响，几乎 起着决定性的作用。问题讨论(PCD 复合片于硬质合金刀体上，需要确定最佳钎焊温度)和实际应用(不同的刀具热稳定性适应于不同的加工环境)同的厂家各自用不同的标准来度

10、量产品的热稳定性。现有单晶金刚石热稳定性研究所使用的方法和概念比较模糊。强度与晶粒粒度、形状，磁性与强度，杂质与颜色等，都具有很强的相关性应采用一种能够体现各影响因素之间有关联性的方法进行金刚石热稳定性的评价这同时也有利于机理方面的分析聚晶金刚石热稳定性的研究有类似的情况测试某一性能的改变量不足以说明问题受热后性能的改变应是各因素综合作用的结果亦应考虑各因素之间的相关性采用能够体现各因素之间有关联度的方法。的亚稳态，一定条件下可以由金刚石碳(Cd)转化为石墨碳(Cg)或不定形碳。即发Cd g C(1)从而改变了原(1)，用“抗可逆转实际应用中明确其适用范围。结语据报导：2005 年，全世界的切削刀具将卖到25