金刚石-TiC复合超硬材料的制备及性能研究

论文摘要

金刚石聚晶（Polycrystalline Diamond,简称PCD）作为一种替代产品,解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题,使金刚石刀具的应用范围扩展到多个领域,受到了人们越来越多的关注。它除了具备金刚石单晶的一系列优点外,在实际应用中,耐热性、抗氧化性、化学惰性上还存在不足。若在金刚石表面镀上一层金属,在高温高压烧结过程中,金刚石能够被金属或合金很好地浸润,甚至金刚石能与镀层中金属或合金元素发生化学反应生成碳化物,形成化学结合,使得合成的样品耐热性、抗氧化性等性能得到很大的改观,弥补了普通金刚石聚晶在这些方面的不足,从而达到提高工具使用寿命及性能的目的。金刚石镀膜在工具中已有应用,但是关于金刚石镀膜的研究大多在于界面间,对于合成金刚石体材料方面的研究鲜有报道。因此,镀膜金刚石制备金刚石体材料的研究有着非常重要的现实意义。本论文以溶剂理论为指导,在4.9～5.8GPa,1200～1500℃条件下,以镍基合金作为烧结助剂,通过金刚石微粉颗粒间的再生长,成功的实现了金刚石-TiC复合超硬材料的烧结。通过密度、耐磨性测试及扫描电镜（SEM）研究了各个因素对金刚石-TiC复合超硬材料生长的影响,考察了合成压力、温度、时间、微粉粒度以及触媒溶剂在合成中的作用,主要结论如下:①金刚石-TiC复合超硬材料的密度随着压力的提高而变大,致密性越好;400目金刚石-TiC复合超硬材料的平均密度为3.731g/cm3,略高于普通金刚石聚晶;在合成实验压力范围内,金刚石-TiC复合超硬材料的磨耗比随压力的升高而变大。②烧结温度过低时,微粉表面的钛层未能熔化,微粉之间靠金属粘结在一起;温度过高时,又容易造成金刚石石墨化现象,这两者都影响了金刚石-TiC复合超硬材料的耐磨性,因此要严格控制合成温度。③镀钛金刚石制备金刚石-TiC复合超硬材料的时间长于普通金刚石,时间过短钛层熔化不充分;时间过长,容易导致石墨化现象的产生,两者都使得聚晶的磨耗比降低。④通过对400目和1600目的镀钛金刚石微粉烧结进行对比发现,微粉粒度越小,烧结聚晶的耐磨性越高;1600目的金刚石-TiC复合超硬材料的平均密度为3.805g/cm3,略大于400目微粉合成的样品;微粉粒度越小,熔渗速度越慢。⑤在无金属触媒助剂的情况下,在现有实验环境中,镀钛金刚石微粉不能完成D-D烧结。在以上基础上通过X射线衍射图谱（XRD）和拉曼光谱（Raman）对合成的金刚石聚晶进行了进一步研究。研究表明在金刚石-TiC复合超硬材料样品中有NiMnCo、TixCy和TiMnC化合物衍射峰,金刚石-TiC复合超硬材料残余应力略大于普通金刚石聚晶。通过XRD衍射图谱分析,金刚石-TiC复合超硬材料在高温高压烧结过程中发生了两个过程。金刚石-TiC复合超硬材料的表面存在残余应力,且中心的应力值高于边缘。在30min时,样品的边缘位置出现了石墨的特征峰。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金刚石的结构和性质
• 1.1.1 金刚石的结构
• 1.1.2 金刚石的性质
• 1.2 镀钛金刚石的特性
• 1.3 金刚石聚晶的进展
• 1.4 金刚石聚晶的特点和类型
• 1.5 本论文的研究背景和研究内容
• 第二章 高温高压设备及实验组装工艺
• 2.1 六面顶设备简介
• 2.2 压力和温度的定标
• 2.2.1 压力定标
• 2.2.2 温度定标
• 2.3 腔体介质材料的选择
• 2.4 加热组装的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 溶剂理论
• 3.1 引言
• 3.2 金刚石聚晶的烧结理论
• 3.2.1 金刚石聚晶烧结的相平衡
• 3.2.2 金刚石聚晶烧结的“V”形区
• 3.2.3 溶液中碳素—金刚石转变的驱动力
• 3.3 本章小结
• 第四章 金刚石-TiC 复合超硬材料的原材料处理及合成设计
• 4.1 实验原料处理
• 4.2 实验方法及组装
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验组装
• 4.2.3 金刚石-TiC 复合超硬材料合成流程及实验工艺
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢