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基于科研实践的“聚晶金刚石/硬质合金复合片的
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摘要：金刚石具有超高的硬度和耐磨性等优异性能,但天然金刚石价格昂贵,这限制了其在工业上的广泛应用。1973年,美国GE公司研制出聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compacts,PDC)[1-2],这是金
金刚石具有超高的硬度和耐磨性等优异性能,但天然金刚石价格昂贵,这限制了其在工业上的广泛应用。1973年,美国GE公司研制出聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compacts,PDC)[1-2],这是金刚石应用技术发展史上一个重要的里程碑。PDC是采用单晶金刚石微粒与硬质合金基体在高温高压条件下烧结而成的,PDC克服了单晶金刚石受冲击易解理破损的缺陷,硬质合金支撑体具有更高的强度和焊接性,使PDC能承受更大的冲击载荷。因此,PDC已被广泛应用于有色金属、木材和石材加工以及矿采和石油勘探等领域[3-4]。但是,PDC高温合成时硬质合金基体中的Co元素向聚晶金刚石层扩散,产生催化石墨化作用[5],这会降低聚晶金刚石层与硬质合金基体界面结合强度。而且,聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数相差较大,弹性模量不匹配,在合成后的冷却过程中容易在结合界面产生较大的残余应力,造成复合片强度的降低。当PDC承受较大载荷或温度变化时,聚晶金刚石层容易从基体上脱落。可见,聚晶金刚石层与硬质合金基体之间的界面结合对PDC的性能起着至关重要的作用。研究2层之间的界面结构、改善2层的结合状况、提高抗冲击性和热稳定性等性能,就成了PDC研究的一个重要课题[6]。
为了让学生深入了解和掌握提高PDC界面结合强度的机制,培养学生综合应用知识进行创新实践的能力和习惯[7-8],本文基于科研实践设计了研究PDC制备和表征的综合实验。实验内容包括利用高温高压(HTHP)合成的PDC从硬质合金基体残余应力状态调控、聚晶金刚石层/硬质合金界面结构设计两方面改善PDC的界面结合强度,并对PDC的界面微观组织进行了表征。
1 实验部分
1.1 硬质合金基体制备
配制WC和Co混合粉末，并进行16 h球磨。研磨介质为无水乙醇,研磨体是WC-6wt.%Co超细硬质合金球,球料比为5∶1,研磨速度为56 r/min。球磨后的浆料需通过400目的筛网过滤和90 ℃干燥,按90 mL/kg的比例掺入SD橡胶溶液,在50 MPa压力下压制成具有不同表面形状的生坯,最后在1 420 ℃下真空烧结1 h，随炉冷却,制备出硬质合金基体。
1.2 基体微喷砂处理
为研究不同微喷砂工艺对硬质合金基体的影响,选用不同种类的喷砂介质(SiC、Al2O3)、喷砂速度(5～10 m/s)、喷砂角度(45°～90°)对基体进行微喷砂处理360 s,并采用Ansys软件对微喷砂后表面残余应力状态进行有限元分析(见表1)。
表1 采用不同喷砂工艺试样编号介质速度/m·s-1角度/(°)1#SiC5902#Al2O#SiC5454#SiC1090
1.3 PDC制备与表征
制备PDC时先将金刚石微粉和结合剂的混合料、硬质合金基体一起装入屏蔽材料金属杯中,再装入盐管、碳管、叶腊石块中放进压机合成。组装好的合成块应立即存放到干燥箱中进行干燥,干燥温度150～200 ℃,干燥时间24 h,其主要目的是防潮、脱水、去气，防止结合剂粉末及其他组装件氧化。处理完毕后,将压块组件置于120 ℃的烘箱保存备用。将组装好的合成块在6X12MN铰链式六面顶液压机上进行高压合成,合成压力为5.7 GPa,合成温度为1 450 ℃,保温时间5～10 min[9]。采用Hitach S4800扫描电镜(带EDS)对PDC的微观组织和界面成分进行分析。
2 实验结果与讨论
2.1 聚晶金刚石/硬质合金界面结构设计
聚晶金刚石/硬质合金界面结构对PDC的抗冲击能力有显著的影响。由于聚晶金刚石与硬质合金的热膨胀系数差异较大,合成后的冷却过程中,界面会产生较大的残余应力[10]。平面型界面结构难以释放残余应力会造成应力集中,而且平面型界面的接触面积小也不利于界面结合。因此,本实验除了平面型界面外,还设计了V型、U型、圆弧型、同心圆型等沟槽型的界面结构来提高PDC的抗冲击能力(见表2)。
表2 聚晶金刚石/硬质合金界面结构界面结构类型平面槽V型槽U型槽圆弧槽同心圆槽界面结构图抗冲击能力低较低中较高高
进行重锤冲击试验,PDC边缘发生碎裂或剥落时的冲击次数N可作为判断PDC的抗冲击能力的依据[6,11]。抗冲击能力依次是平面型<V型<U型<圆弧型<同心圆型。相比于平面型界面,V型槽的接触面积大,但是底部比较尖锐,容易形成缺陷；而U型和圆弧型槽都是对V型槽的优化改进,不仅接触面积更大，而且根部不易出现应力集中；同心圆型槽的界面结构则更有利于残余应力的传递缓解和释放[12]。
2.2 硬质合金基体表面残余应力状态分析
硬质合金烧结后表面处于拉应力状态,在对硬质合金进行微喷砂处理时, 喷砂介质喷射到合金表面上,引起合金表层产生局部塑形变形而出现残余压应力,残余压应力的大小与介质大小、喷射压力、喷射角度等因素有关。
文章来源：《硬质合金》 网址: http://www.yzhjzzs.cn/qikandaodu/2020/1118/378.html