人造金刚石复合片合成用金属杯材料的初步研究
摘要在人造金刚石复合片的合成中，金属杯屏蔽材料对产品的合成有至关重要的作用。

本文在日常生产的基础上，对部分不同材质的金属杯进行了对比分析实验，就常用的几种金属杯材料做出较为科学的判断、选择。

关键词复合片金属杯合成温度控制
一、前言
人造金刚石复合片是在高温高压条件下，将金刚石和硬质合金复合烧结在一起制成的复合材料，这种材料既有金刚石的高耐磨性，又有硬质合金的抗冲击韧性和可焊性，性能非常优越。

作为性能优异的复合材料，金刚石复合片的出现对石油地质勘探、煤炭开采和机械加工等行业的发展起到了非常重要的作用。

在石油地质勘探、煤炭开采以及工程钻探等方面，过去使用最多的是硬质合金类的钻头、钻具，其钻进效率低、使用寿命短，很大程度上制约了相关行业的发展；而将性能优异的人造金刚石复合片应用到这几个行业领域，就达到了使用寿命延长、钻进效率大幅提高、生产成本明显降低等效果。

同时，随着人造金刚石复合片生产技术的不断发展、提高，以及人们对这种产品的认识的不断提高，现在在一些其他领域如机械加工行业也在逐步使用人造金刚石复合片。

所以，可以预见，未来的人造金刚石复合片的市场前景是十分广阔的。

在人造金刚石复合片在生产过程中，将会用到很多种原材料，包括叶腊石、碳管、盐管、金属杯等等，而这些原材料的选择在很大程
度上就直接决定了所生产的人造金刚石复合片的质量。

在人造金刚石复合片用到的所有合成材料中，和金刚石微粉直接接触的金属杯的作用是至关重要的，它不仅起到一个屏蔽保护的作用，防止外部杂质在合成过程中进入到复合片内部，而且它对复合片中钴的扩散及金刚石颗粒的生长、键合都起到很重要的作用。

因此，选择一种合适的金属杯材料，对于整个复合片的合成生产的稳定性及最终产品的质量都有十分重要的意义。

本文主要利用现有生产设备、资源，通过实验，讨论分析几种不同金属材料的屏蔽杯对复合片生产的影响，从而最终选择一种最为合适的材料在生产中使用。

二、实验方法
1、合成设备：采用φ460mm缸径压机进行合成试验，设备采用国内先进的工业PC控制，在温度和压力的控制上可以实现合成人造金刚石复合片时的所需各种条件。

而压机的最高表压可以达到105Mpa，也足以满足复合片合成所需压力。

2、实验用原辅材料：（1）叶腊石：根据设计要求，由北京门头沟地区专业厂家制作提供；（2）加热介质及盐管、盐片等材料：由云南自贡专业厂家按照我方设计要求制作；（3）金属杯材料：由陕西宝鸡地区的专业厂家提供钛、钼、锆等材料的规定尺寸的金属杯；（4）其他材料：包括导电钢圈在内的其他材料也分别委托相关厂家进行制作。

（5）所用使用的原材料入厂后均按照公司的原材料检验标准及规程严格检验，保证原材料材料的质量。

3、 组装工艺：该实验采用间接加热方式组装，组装结构图如下：
4、 合成工艺：合成压力控制在100-102MPa ，保温时间在6分钟左右，合成工艺曲线如下图：
三、合成实验及分析
（一）、该实验根据三种金属杯材料，首先单独选用每种杯子进行实验，实验的人造金刚石复合片规格为1308，实验情况如下：
1、钛杯：根据金属钛的理论熔点1725℃来分析，用它做金属杯材料，其耐热性应该足以满足人造金刚石复合片的合成需要，因为合成金刚石复合片的理论温度在1400~1500℃.但通过使用金属钛杯合成10块，最终的结果来看，之前的分析是错误的。

在合成的10块中，除了有一块整体温度偏低而金刚石层没有烧结上，其他9块温度是达到了，金刚石层也烧结上了，但是有一个问题，那就是钛杯在合成时自身同时也被烧熔了，没有起到屏蔽保护的作用，导致复合片金刚石层和硬质合金结合界面处多处被烧坏，而且金刚石层表面也有缺陷。

2、锆杯：同样，根据金属锆的理论熔点1852℃来分析，用它做金属杯材料，其耐热性也应该足以满足金刚石复合片的合成需要。

在合成实验了10块后，分析实验结果也证明了这点，用锆杯合成人造金刚石复合片，它就可以在满足金刚石层的烧结温度的同时，自身又不被烧熔，可以很好的起到屏蔽作用，而且金属锆具有一定的吸气能力，对于除去复合片内部的残留气体很有好处。

同时，如果合成温度合适，复合片金刚石层表面有分布均匀的麻点，比较容易判断。

但是，单独用锆杯也存在一个问题，那就是在合成后，金属锆杯表面全部变色呈铁锈色，这说明在高温高压的合成过程中，金属锆还是和合成腔内的某些物质起反应了，这对整个合成过程温度的控制就带来的一定的影响，至于其影响是好是坏、是大是小，还有待进一步研究分析。

3、钼杯：根据金属钼的理论熔点2610℃来分析，用它做金属杯材料，其耐热性应该也足以满足人造金刚石复合片的合成需要。

同样，单独使用钼杯，实验合成了10块，实验证明，钼的耐热性能的确要比钛、锆好的多。

在10块中，除了正常温度合成复合片外，还有2块是故意提高了温度，结果证明使用钼杯时，合成电流上下浮动20%范围，其合成效果都没有太大影响，不会出现钼杯局部烧熔的现象。

但是有一点，就是不论合成温度高低，复合片金刚石层表面始终是光滑的，不易判断温度的高低，这对于在生产过程中合适的温度控制不利。

对上述实验的三种复合片，分别进行研磨整平、外圆加工等加工操作，这时，又发现一个问题，那就是选用钼杯合成的复合片在外圆加工后，其金刚石层棱角处容易出现金刚石崩落，看上去似乎是被钼杯粘掉的，这种缺陷在复合片上特别是不倒角的复合片上是绝对不允许的。

通过仔细分析以上三种杯子单独使用的实验结果，首先可以确定金属钛杯由于其耐热性较差，不适合用于合成人造金刚石复合片；其次，金属钼、锆虽然都可用于合成人造金刚石复合片，但是又都各有缺点，一个是耐热性好，合成温度容易控制，但不易判断温度高低，而且后加工时易出现金刚石层崩边，影响产品的成品率，另一个是耐热性稍差，且易和其他物质反应，但是在合成时容易判断温度高低，有利于合成控制。

（二）、结合上面的实验结果，仔细分析之后，既然锆杯、钼杯各有优缺点，可以考虑将二者结合使用，采用锆杯、钼杯配套使用进行实验。

在结构设计上，金属杯子采用2件套，里面的小杯子采用锆杯，利用其吸气性以及在合成后容易判断温度的特点；而外面的大杯子则采用钼杯，充分利用其较好的耐热性，可以起到很好的屏蔽保护作用。

并且在上面实验的基础上，优化了合成工艺，基本参数如下：
通过合成20块的过程来看，用锆、钼两种杯子组合使用，合成温度范围较宽，比较容易控制，不容易出现因为温度太高或太低而导致废品产生；同时，由于里面小杯子使用的是锆杯，当温度太低时，金刚石层表面就是光滑的，并无麻点；而当温度太高时，金刚石层表面的麻点较大，且有部分连通：只有当温度合适的时候，金刚石层表面才有分布均布的麻点。

这一点对于技术人员及合成工人在合成过程中判断温度具有很好的指导意义，从而能够较好的将温度控制在一个相对稳定的范围内，产品的一致性能够得到保证。

而且复合片在后期外圆加工后，也没有出现金刚石层崩边现象，这就大大提高了产品成品率。

四、结论
通过以上这些实验，本文得出以下结论：
1、由于耐热性不够及其他因素，金属钛杯不适合用来合成
人造金刚石复合片。

2、金属钼、锆，无论哪种，单独使用用来合成人造金刚石
复合片，其效果都不是很理想，都各有优缺点。

3、将金属钼杯、锆杯配套使用，可以有效克服其各自缺点，
有利于合成控制，有利于后期加工，大大提高产品成品
率。

通过本文，可以判定选择钼杯、锆杯相配套使用，对于合成人造金刚石复合片是一种很好的选择；但其应该不是唯一的选择，应该还有其他金属材料也可以满足合成人造金刚石复合片的需要，这就需要从事这一行业的技术人员继续不断摸索、发现了。

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