張旺璽，李啟泉，王艷芝

（中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 前言

自銳性金剛石（SSD）的特點(diǎn)是金剛石磨粒為多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)金剛石微晶聚結(jié)而成無(wú)規(guī)則粒狀顆粒，形狀不如金剛石完整單晶規(guī)則，呈各種凸凹粗糙表面，磨削時(shí)在應(yīng)力作用下，在外部微晶顆粒逐層脫落的同時(shí)，露出新的鋒利切削刃，而且磨削力小，被加工工件表面粗糙度低，應(yīng)用自銳性金剛石樹脂砂輪的磨削比要比普通金剛石樹脂砂輪高。

用于制造樹脂砂輪時(shí)，樹脂與金剛石之間的結(jié)合力不是化學(xué)鍵結(jié)合，而主要靠機(jī)械嵌合，因此在磨削過程中，部分金剛石磨粒沒有發(fā)揮最佳效用之前就會(huì)整體脫落。為了提高樹脂與金剛石之間的機(jī)械結(jié)合力，有人采用鍍銅、鎳改善樹脂與金剛石磨粒之間的浸潤(rùn)性。葉小川［1，2］等采用氫氧化鈉溶液預(yù)處理及硅烷偶聯(lián)劑處理改性金剛石磨粒的表面活性基團(tuán)，改善了金剛石與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度。近年來(lái)，人們加大了對(duì)自銳性金剛石的研究與開發(fā)［3］，王秦生［4］等以粉末石墨為原料，在六面頂壓機(jī)上研究了合成自銳性金剛石的工藝條件，如原料選擇及配比、合成塊組裝方式、合成溫度及壓力等，合成的金剛石表面粗糙、凹凸不平，多數(shù)是呈等積形團(tuán)粒狀的金剛石顆粒。

觸媒選擇是自銳性金剛石合成的重要工藝技術(shù)［5］，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)基本上都使用粉末觸媒合成壓塊，直接合成自銳性金剛石產(chǎn)品，這樣就更新、替代了過去片狀觸媒合成金剛石，再通過分選得到低品級(jí)金剛石的傳統(tǒng)工藝。傳統(tǒng)合成工藝中，使用片狀Ni70Mn25Co5觸媒，合成得到的是混合磨料金剛石，經(jīng)過分選得到晶形差、強(qiáng)度低的金剛石用作“自銳性金剛石”。為了直接制備自銳性金剛石，劉錫光［6］等研制了適合于六面頂壓機(jī)合成自銳性金剛石的專用觸媒，該觸媒是銅含量較高的鎳銅基固溶體合金，通過批量合成和制品磨削試驗(yàn)，合成得到的自銳性金剛石多為呈表觀粗糙塊狀無(wú)定形的聚晶，強(qiáng)度適中，與樹脂的結(jié)合好，磨削效果優(yōu)良。為了降低觸媒的成本，趙文東［7］等以Fe和Mn為主要成分，加入少量Ni元素，利用氣霧化方法研究了制備FeMnNi系列復(fù)合粉末觸媒，合成自銳性金剛石時(shí)石墨轉(zhuǎn)化率高達(dá)70%以上，合成的金剛石靜壓強(qiáng)度、沖擊韌性及形貌與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，而用于制備的樹脂砂輪磨削效率比常規(guī)金剛石磨料砂輪提高了80%。

本文采用水霧化Fe70Ni30合金粉或Fe70Mn25Ni5合金粉觸媒和石墨為原料，經(jīng)還原和凈化處理、造粒、壓制成塊等工序用于自銳性金剛石的合成，主要研究了觸媒的選擇以及金剛石的合成工藝技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）觸媒制備：粉末觸媒采用水霧化Fe70Ni30合金粉和Fe70Mn25Ni5合金粉；石墨采用98%鱗片狀天然石墨粉和2%人造石墨粉的混合物，粒度均為200目左右。粉末觸媒經(jīng)還原處理與凈化處理的石墨混合造粒、壓制成Ф38.4mm的合成柱，干燥保存、備料用于自銳性金剛石的合成。

（2）金剛石合成與測(cè)試：采用6×18MN六面頂壓機(jī)用于自銳性金剛石合成，合成時(shí)間260s。壓力的測(cè)定用壓力傳感器；電流用6000／5互感器和安培表測(cè)量計(jì)算；金剛石沖擊韌性采用CYCJ-91A型人造金剛石沖擊韌性測(cè)定儀測(cè)量。

（3）磨削試驗(yàn)采用M7120A平面磨床，砂輪采用Ф400mm的平行金剛石樹脂砂輪，金剛石濃度為100%，粒度為120／140目；磨削參數(shù)：砂輪轉(zhuǎn)速為1500r／min，工作臺(tái)縱向進(jìn)給速度為1.31m／min，橫向進(jìn)給速度為0.67m／min。用YCL型表面輪廓儀測(cè)量工件的粗糙度；磨削力的測(cè)量采用Kistler動(dòng)態(tài)測(cè)力儀，配有電荷放大器。

2 結(jié)果與討論

2.1 自銳性金剛石的合成試驗(yàn)

金剛石在合成過程中有送溫壓力、中停壓力、合成壓力以及最終壓力四個(gè)壓力參數(shù)。送溫壓力是合成塊超壓到一定階段后給合成棒通以適當(dāng)?shù)碾娏鏖_始的壓力。如果該壓力偏低，合成棒中觸媒“單元”顆粒產(chǎn)生“偏聚”的幾率增大，會(huì)導(dǎo)致金剛石數(shù)量稀少，顆粒容易長(zhǎng)粗。粉末觸媒送溫壓力一般為合成壓力的50%左右，粗顆粒合成工藝可以適量將送溫壓力調(diào)低一些，試驗(yàn)中自銳性金剛石的送溫壓力調(diào)定在合成壓力的65%，如圖1。中停壓力是合成塊在送溫以后超壓到另一階段開始暫停的壓力，該壓力的大小是與中停時(shí)間相匹配的，中停壓力高，中停時(shí)間長(zhǎng)；中停壓力低，中停時(shí)間短。實(shí)踐證明中停壓力低和中停時(shí)間長(zhǎng)，比較容易合成出粗大的金剛石顆粒。合成壓力是石墨在觸媒參與條件下轉(zhuǎn)化為金剛石的一個(gè)壓力必要條件。合成壓力高，金剛石生長(zhǎng)過快，而且金剛石可能在腔體內(nèi)再次形核，影響附近晶體的生長(zhǎng)。合成壓力加上壓力遞增的幅度即是最終合成壓力，在最終合成壓力下，合成棒停熱冷卻至卸壓。

圖1 自銳性金剛石合成壓力與功率工藝曲線示意圖Fig.1 Schematic pressure and power curves of synthesizing self-sharpening diamonds

由于自銳性金剛石采用直接加熱方式，合成電流高，加熱時(shí)間短，無(wú)需“非恒壓變功率”合成。

表1是分別采用Fe70Ni30合金粉和Fe70Mn25Ni5合金粉為觸媒材料合成自銳性金剛石的工藝參數(shù)與金剛石情況。從表1可以看出，在相同的壓力下，采用Fe70Mn25Ni5觸媒合成自銳性金剛石的產(chǎn)量比Fe70Ni30觸媒高出23.4%，合成電流低5.7%。分析原因可能是兩種觸媒的熔點(diǎn)不同所致。根據(jù)復(fù)合材料混則定理可計(jì)算出Fe70Ni30合金粉的熔點(diǎn)為1510.4℃，F(xiàn)e70Mn25Ni5合金粉的熔點(diǎn)為1458.2℃。Mn（熔點(diǎn)1224oC）的加入，能降低觸媒合金的熔點(diǎn)，對(duì)合成溫度的減低有一定的作用。合成的金剛石在形貌上也有不同，圖2為樣品照片。

表1 Fe70Ni30和Fe70Mn25Ni5觸媒合成自銳性金剛石的工藝參數(shù)Table 1 The technological parameters of synthesizing self-sharpening diamonds using catalysts of Fe70Ni30and Fe70Mn25Ni5

圖2 自銳性金剛石照片F(xiàn)ig.2 The photos of synthesized self-sharpening diamonds

從圖2可以發(fā)現(xiàn)兩種金剛石的顏色都為黑色，但在形貌上有一定的不同。其中圖2a金剛石為近球形的多，形狀更一致，表面粗糙不平。圖2b金剛石近球形的少，一致性差，表面有的像樹枝狀。采用CYCJ-91A型人造金剛石沖擊韌性測(cè)定儀對(duì)樣品進(jìn)行TI值檢測(cè)，沖擊頻率2400r／min，沖擊次數(shù)4600次，結(jié)果如表2。從表2可以看出，試驗(yàn)中金剛石的沖擊強(qiáng)度都比較低，其自銳性能遠(yuǎn)好于市場(chǎng)上的RVD（TI值一般大于30%），樣品b沖擊韌性比樣品a高，分析原因與觸媒氧含量有關(guān)。

表2 金剛石TI值測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 The TI value of synthesized self-sharpening diamonds

金剛石的粒度、顏色、晶形、雜質(zhì)的含量和金剛石單次產(chǎn)量等與觸媒的使用有著密切的聯(lián)系。例如，用Ni70Fe30觸媒合成的金剛石產(chǎn)量較高，金剛石雜質(zhì)含量低，雜質(zhì)主要以Fe3C形式存在；用Ni40Fe30Mn30觸媒合成的金剛石雜質(zhì)含量高；而用純鈷觸媒合成的金剛石晶形較完整，抗壓強(qiáng)度也較高，合成壓力高等。因此，研究和選擇適當(dāng)?shù)挠|媒，對(duì)提高人造金剛石的質(zhì)量和產(chǎn)量，能起到很重要的作用。根據(jù)SSD金剛石的特性以及觸媒的選用原則，發(fā)現(xiàn)選用Mn系觸媒合成效果比較好。Mn的加入，一是能降低觸媒合金的熔點(diǎn)，對(duì)合成溫度的減低有一定的作用；二是因?yàn)镸n能與氧等形成多價(jià)化合物，作為包裹體固溶進(jìn)入金剛石晶體內(nèi)，從而使金剛石產(chǎn)生不連續(xù)性的生長(zhǎng)，使金剛石的脆性增加，提高金剛石的自銳性。但自銳性的提高，肯定會(huì)影響金剛石的耐用度，從表2還可以看出，只要對(duì)觸媒材料的成分進(jìn)行控制，生產(chǎn)的金剛石就能夠在自銳性和耐用度上找到平衡。

2.2 自銳性金剛石磨削應(yīng)用

SSD金剛石主要應(yīng)用于橡膠制品和樹脂砂輪等，市場(chǎng)前景廣闊。以前國(guó)內(nèi)一般從國(guó)外進(jìn)口，或者用國(guó)產(chǎn)的RVD1和RVD2代替，但是RVD系列金剛石自銳性遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上SSD金剛石。史冬麗［8］等研究發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)條件相同的情況下，自銳性金剛石樹脂砂輪對(duì)硬質(zhì)合金的磨削比值比普通金剛石樹脂砂輪高60%以上。

一般加工硬質(zhì)合金與陶瓷等工件是用合成的高強(qiáng)度金剛石選型后留下的低強(qiáng)度的料即RVD，用RVD制造砂輪時(shí)，有以下一些缺陷：（1）表面光滑，粗糙度不夠，與結(jié)合劑之間機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度不高；（2）在磨削過程中，金剛石常常過早脫落，脫落形式以整體形式較多，大大縮短工具的使用壽命；同時(shí)，加工對(duì)象的光潔度不夠；（3）金剛石單晶出刃小，因而切削面積大，所需磨削力大。用SSD金剛石制成樹脂結(jié)合劑砂輪，就可以克服這些不足之處。圖3為Fe70Mn25Ni5觸媒合成的SSD金剛石和RVD金剛石制備的砂輪在磨削氧化鋁陶瓷時(shí)的磨削力對(duì)比。從圖3可以看出，SSD金剛石砂輪在磨削過程中的磨削力要低于RVD金剛石砂輪，其原因是SSD金剛石的自銳性能要好于RVD金剛石。

圖3 兩種磨粒砂輪在磨削氧化鋁陶瓷時(shí)的磨削力比較

圖4是兩種金剛石砂輪磨削氧化鋁陶瓷時(shí)的粗糙度比較。從圖4可以看出SSD金剛石砂輪磨削工件的粗糙度低于RVD金剛石砂輪；隨著磨削深度的加大，粗糙度增加，但RVD砂輪加工件的粗糙度急劇增加，而SSD金剛石砂輪的粗糙度曲線增加平緩。

圖4 兩種不同磨粒的金剛石砂輪在磨削氧化鋁陶瓷時(shí)的粗糙度比較

3 結(jié)論

（1）自銳性金剛石采用直接加熱方式，合成電流高，加熱時(shí)間短，送溫壓力一般為合成壓力的65%。

（2）不同觸媒組分對(duì)合成后金剛石的形貌有明顯影響；采用Fe70Mn25Ni5觸媒合成自銳性金剛石的產(chǎn)量比Fe70Ni30觸媒高出23.4%，合成電流低5.7%；根據(jù)優(yōu)化的合成SSD的工藝參數(shù)，兩種觸媒合成SSD金剛石都可以穩(wěn)定單次產(chǎn)量在90ct以上。

（3）用SSD金剛石制成樹脂結(jié)合劑砂輪應(yīng)用于磨削時(shí)磨削力和粗糙度低，特別是進(jìn)行了SSD金剛石與RVD金剛石磨具的磨削對(duì)比試驗(yàn)，在金剛石自銳性及磨削效果等方面，SSD金剛石比RVD金剛石要好。

致謝：本項(xiàng)目得到河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（102300410204），河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃12A430024和鄭州市科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目資助。

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