（材料加工工程专业论文）pcd层与wcco基体之间界面结构与性能的研究.pdf

郯卅1 人学硕卜学位论文 摘要 摘要 聚晶金刚石复合片( p d c ) 是p d c 钻头的基本切削单元，其性能的优劣对金 刚石钻头的钻进效果有羞决定性的影响。由于聚晶金刚石复合片是由人造金刚石微 粉加入少量的结合剂与硬质合金摹体采用h p h t 方法生产的超硬复合材料，在烧结 过程中，聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数、弹性模量相差较大，冷却时 容易在两者的结合界面出现较大的残余应力，造成复合片强度降低，导致在工作时 金刚石层容易从基体上脱落，造成钻头失效。因此，研究p d c 两相之间的界面结构、 改善p d c 两相的结合状况、提高p d c 的抗冲击性和热稳定性等性能，就成了超硬 材料研究的一个重要课题。 在导师的指导和前人工作的基础上，采用耐磨性、抗冲击性、耐热性、超声波 无损探伤( c 扫描) 检测以及扫描电镜( s e m ) 分析等研究方法，对五种典型界面结构 的聚晶金刚石复合片的界面结构及性能进行了探讨和研究。 研究结果表明，在同一工艺条件下： l 、p d c 层与w c c o 基体之间的界面结构对p d c 的耐磨性影响较小。在试验工艺 下，金刚石与金刚石颗粒之间均能很好地烧结在一起，使p d c 具有较好的耐磨性性 能。 2 、p d c 层与w c c o 基体之间的界面结构对p d c 的抗冲击性性能影响很大。随着 w c c o 基体上的齿形由平面一v 形槽一u 形槽一环形槽一类“环爪齿”的变化，p d c 的抗冲击性性能大幅度增加。 3 、温度对p d c 的耐磨性和抗冲击性性能均有明显影响，其中对p d c 的抗冲击 性性能的影响更为明显，结合界武为槽齿的p d c 的耐热性能好于结合界面为平面的 p d c 的耐热性能。 4 、改变界面结构可以有效地减少残余应力对p c d 层的影响，从而提高它的耐用 性工艺过程是关键点，若控制不当则容易使沟槽或锯齿部分出现应力集中而产牛裂 郏州人学硕十 位论文摘要 纹，影响p d c 的性能。 5 、用扫描电镜( s e m ) 及能谱仪观察了p c d 层与w c c o 荩体的界面结构及w 、c 、c o 元素的分布情况，结果显示：在不同界面结构的p d c 结合面上，w c c o 基体与金刚石 层之间界面结合完好，p c d 层中的金刚石与w c c o 基体中的w 矛u c o 发生相互扩散、渗透， 并在w c c o 基体与金剐石层之间形成薄的过渡层。 关键词：聚晶金刚石复合片，界面结构，性能 蝌j 卅1 人学硕 学位论文 摘要 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fp d c ，u s e da s c u n i n gp a r t sf o rp d cb i t s ，d i c i d e d l yi n n u e n c e st h e “1 1 i n ge 牖c t p d ci ss u p e r - h a r dc o m p o s c do fm a n u d i a m o n dw i t lal i n l eb i n d e r sa 1 1 d h a r da 1 1 0 y sa n di ti sp m c e s s e db yt h em e t h o do fh p h t d u r i n gm ec o u r s eo fs i n t e r i n g ， t h et h e 肌a le x p a n s i o nc o e 航c i e n ta n dc l a s t i cr a t i oh a v eg r e a td i 丘- e r e n c eb e t w e e nt h e1 a y e r o fp d ca n dt h eh a r da l l o y s t h eg r e a td i f r e r e n c ew o u l di n d u c et 1 1 e 伊e a tr e s i d u a ls t r e s sa t t 1 1 ei n t e r f a c ee a s i l yw h e nc 0 0 l e d ，d c c r e a s i n gp d c si n t e n s i t y s om e1 a y e ro fp d cw o u l d p u l lo u te a s i l ya n dt h eb i ti so 伍t h e r e f o r e ，t os t l l d yi n t e 吨l c i a ls t n l c t u r eo ft w o p h a s eo f p d c ，t oi m p m v et h ei n t e 嘞c i a lc o m b i n a t i o no f 俯o - p h a s eo fp d ca n dt oi n c r e a s et h e a n t i - i m p a c ta n dt 1 1 et h e 珊a ls t a b i l i t yo fp d ch a sb e c nai m p o r t a n ts u b j e c t si nm e 行e l do f s u p e r - h a r dm a t e r i a l s i nt h eg u i d a n c eo fm yt u t o ra n do nt h eb a s eo fm e p r e d e c e s s o r ss t u d y i l l g ，6 v el ( i n d s o fs p e c i a li n t e r f a c i a ls t n l c t u r eo fp d ch a db e e ns t u d i e d 伽r o u g hm em e t h o d so fw e a r p r o p e r ty ，a n t i i m p a c t ，t h e 眦a ls t a b i l i t y s u p e r s o n cn o n d e s t m c t i v ee v a l u a t i o n ( cs c a n ) a n d s e m a n a l y s i si nt h i sp a p c r i ts h o w st 1 1 a ti nt h es a m et e c h n o l o 百c a lc o n d i t i o n s ： 1 、t h ei n t e r f a c i a ls m l c t l l r co f t h ep d cl a y e r 锄dw c - c os u b s 姐t eh a s1 i t t l ei n n u c e o nt h ew e a rp r o p e r ty tt h ed i a m o n da n dg m i n sc a ns i n t e rb e n e r ，c a u s i n gt h ee x c e l l e n t w e a rp m p e r t yo f p d c 2 、t h ei n t e r f a c i a ls 劬c t i l r eo fd l ep d cl a y c ra n dw c - c os u b s 廿a t eh a sg r e a ti n n u e n c e o nt h ea 力t i j 功p a c tp r 叩e n y | t h ea n t j i m p a c tp r o p e n yo fp d ci n c r e a s e dm a s s i v e l y 靠o m n a t ，vv e s s e l ，uv e s s e l ，一n gv e s s e lt or i n gc l a w t o o t l lo nt h et o o t l ls h a p eo fw c c o s u b s 仃a t e 3 、t h et e 唧e r a t u r ei n f l u e n c e dt 1 1 ew e a rp r o p e r t ya n dt h ea 1 1 t i i m p a c tp r o p e r t yo f p d c 0 b v i o u s ly ，a n di th a s 铲e a t ei n n u 锄c eo nt h ea n t i i m p a c tp r o p e n y t h et h e m a ls t a b i l i t yo f l h ev e s s e j - s h a p e dj n t e i f a c es t 埘c t u r ei sb e t t e rt l a nm e 目a tj n t e r f b c e 4 、 c h a n g i n gt h ei n t e r f a c i a ls t r u c t u r cc a nd e c r e a s et l l ei n n u e n c eo fr e s i d u a ls t r e s so n p d cl a y e ra n dc a ni m p r o v ei t sd u r a b i l i t ye f 挹c t ly _ b u tt 1 1 e g r o o v eo rs a w - t o o t hp a r t s 州大学研! 卜学位论文摘要 w o u l d p r o d u c ec r a c k se a s i l ya n dd e s t r o yt h ep r o p e n yo fp d cb yt h i sm e t h o d 5 、t h ei n t e r f a c i a ls t r u c t u r eo f p d cl a v e ra n dw c c os u b s t r a t ea n dt 1 1 ed i s t r i b u t i o no f w 、ca n dc ow a ss t l l d i e db ys e ma n de ne r _ g ys p e c t m m e t e li ts h o w st h a tm ed i a m o n do f p d cl a y c ra l l dw c c om a t r i xb o n dt i 曲t l y ，w 、c oa n dt 1 1 ed i a m o n ds u b s 仃a t ed h s e d a n dp e m l e a te a c ho t h e r ，a n dat 1 1 i nt r a n s i t i o nl a y e rf o 瑚a t t e db e t w e e nw c c om a t r i xa n d p d cl a y e l l 沁y w o r d s ：p o l ”r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ，i n t e r f a c i a ls t r u c t u r e ，p r 叩e n i e s 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 2 0 0 6 年5 月1 8 目 嵌 郑州人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 界面的研究是材料科学中普遍而重要的问题，界面结构、界面的结合状况 是决定材料性能的关键。 聚晶金刚石复合片是聚晶金刚石复合片钻头的基本切削单元，其性能的优劣 对金刚石钻头的钻进效果有着决定性的影响。 聚晶金刚石一硬质合金复合片( p o l y c r y s 诅1 l 抽ed i 锄o n dc o m p a c t ，简称pd c ) 是由o 5 2 5 l i j l n 的聚晶会刚石层和0 5 2 0 咖的碳化钨钴硬质合金层在超高 压( 5 5 6 0 g p a ) 高温( 1 4 5 0 1 7 0 0 ) 条件下复合而成的层状复合体“i “。如 图卜1 所示。作为工作面的聚晶金刚石层( p c d ) 具有接近于天然单晶金刚石的 硬度与耐磨性、高于天然单晶金刚石的强度与抗冲击韧性，硬质合金以其具有的 高强度、高硬度及高冲击韧性支持与补强聚晶金刚石层，并且具有良好的焊接性， 使p d c 能够承受切削力与冲击力，从而广泛应用于难加工材料的切削加工、石油 与地质勘探、钻探等多个领域。 图卜l 聚晶金刚石一硬质合金复合片 但是，由于聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数相差较大，见表1 1 ” ，冷却时容易在两者的结合界面出现较大的残余应力，造成复合片强度的降低。 尤其在承受较强外力或温度变化较大时，金刚石层抗冲击力差，导致在工作时余 刚石层容易从基体上脱落，造成钻头失效“3 。另外由于两者弹性模量的不匹配， 当钻进或切削时在外力作用下易形成微裂纹，也导致钻头失效。同时，p d c 本身 郑州人学硇j ：学位论文 第一章绪论 较脆，抗冲击性差，常压下在起粘接和触媒作用的c 。元素影响下于7 0 0 左右 易石墨化，因而热稳定性较差。这两方面原因导致聚晶金刚石层与硬质合金基体 的附着力不强，聚晶余刚石层抗冲击力差在工作时易脱落，造成钻头失效。由此 可见，聚晶金刚石层与硬质合金基体之间连接的牢固程度对聚晶金刚石复合片的 寿命起着至关重要的作用。 因此，研究p d c 两相之间的界面结构、改善p d c 两相的结合状况、提高p d c 的抗冲击性和热稳定性等性能，就成了超硬材料研究的一个重要课题。 表1 1聚晶金刚石和硬质合金的物理性能 性能 p c d 硬质合金 弹性模量( g p a ) 8 5 05 45 热膨胀系数( k 。) 2 4 1 0 叫 5 9x 1 0 一6 1 2 聚晶金刚石复合片界面结构及性能的研究现状 1 2 1p d c 的发展现状和趋势 最早的p d c 是由美国的通用电器( g e ) 公司于1 9 7 2 年研制成功的，起初应用 于机械加工工具，其商品名称为“c o m p a x ”。1 9 7 3 年，美国克里斯坦森( c m s t e n s e n ) 公司与g e 公司合作研制成功p d c 石油钻头。随后，g e 公司、南非d eb e e r s 公司、 日本住友电工、美国合成金刚石( s y n t h e t i cd i 锄o n d ) 公司、梅加金刚石 ( m e g a d i a m o n d ) 公司、苏联超硬材料研究所等吨位也相继在八十年代前后研制 成功p d c ，并在国际市场上销售，但g e 和d eb e e r s 公司的产品占垄断地位。 我国对聚晶金刚石复合体材料开发研究的时间从二十世纪六十年代开始，研 制的最初目的是为了解决地质钻探需用的大颗粒金刚石以取代落后的钢粒钻探 工艺。 1 9 8 2 年郑州三磨所与郑州二砂厂合作研制成功p d c 材料，1 9 8 7 年通过部级鉴 定。之后北京钻探工具所、人工晶体所、胜利油田等单位也先后研制出p d c 材料， 并在石油地质钻探中钻软、中硬岩层取得良好效果。八十年代末江汉油田从美国 凤凰公司引进p d c 生产技术，随后美国凤凰晶体公司( p c c ) 把其产品技术转让给 了许多的人造金刚石生产厂家。 郑州大学硕l ：学位论文第章绪论 纵观国内p d c 材料的发展，一方面是从国外引进生产技术，另一方面是靠自 行开发研制，如郑州三磨所，郑州新亚公司等单位。在p d c 材料的研究和生产 方面，美国g e 公司和英国d eb e e r s 公司一直处于世界领先地位，代表着p d c 材 料的发展水平和方向。p d c 材料的发展呈现出以下几个趋势： ( 1 ) 规格尺寸越柬越大。我国生产的p d c 的直径由原来的中8 m m 、中1 3 4 4 姗 发展到中1 6 m m 、中1 9 m m ，最大直径达到中2 5 m ；g e 公司和d e b e e r s 公司己向市场 提供直径大于中7 0m m 的产品，这也表明国外在超高压技术及p d c 材料的复合机理 方面的研究工作已达到很高的水平。 ( 2 ) 聚晶金刚石层的厚度增加了，即增加了金刚石在p d c 中的体积含量。据 有关资料表明，早期( 2 0 世纪8 0 年代) d e b e e r s 的s y n 埘1 1 ( 钻探用) 金刚石层厚 度为o 7 m m ，而目前国内外复合片有增厚的趋势，一般厚度为l 3 m m 之间。由于 金刚石的导热性为硬质合金的5 倍以上，故提高聚晶会刚石层的厚度，明显地改 善了p d c 钻齿在钻井时的散热效果，相应增加了p d c 抗磨损的能力和抗冲击韧性。 ( 3 ) p d c 的整体厚度增加了。p d c 由原来的4 5 8 m m 增加到1 3 1 6 哪，硬 质合金厚度的不同影响了p d c 整体的抗折断强度、抗冲击强度及钻头上的焊接强 度。 ( 4 ) 晶粒细化、质量优化。金刚石的粒度直接影响到p d c 的耐磨性，细化金刚 石的粒度将有助于提高复合片的耐磨性。早期p d c 产品一般使用5 0 um 左右的金刚 石微粉，现在发展到使用2 u m 甚至o 5um 以下，从而使p d c 刀具、拉丝模在加工精 度方面不再逊色于天然单晶金刚石。 在质量方面，d e b e e r s 公司提供的m 7 0m m 的产品，其中心点与边缘点耐磨性 和耐热性指标的偏差能控制在3 0 范围内，基本均匀一致。 ( 5 ) 形状结构多样化。过去的p d c 产品一般是片状和圆柱状，由于尺寸大型 化和加工技术如电火花、激光切割加工技术的提高，三角形、人字形、山墙形球 面、曲面以及其它各种异形坯料增多。为适应特殊切削刀具的需要，还出现了包 裹式、夹芯式与花卷式p d c 产品。 由于p d c 材料具有以上优点，因而在刀削工具、石油地质钻头、拉丝模、修 整器等在工业领域中得到广泛应用，并且随着汽车工业、航空航天业、木材加工 业在世界范围内的快速发展，p d c 材料的应用领域正在逐步扩大。 作为石油地质钻探石油的聚晶金刚石复合片，在井下的工作条件是很苛刻 郑州人学顺十学位论文第一章绪论 的。由于p d c 钻头工作过程中不但要承受巨大的压力，同时还承受巨大的冲击力； 不但承受泥浆的冲蚀作用，同时还承受切削过程中的磨损、冲击而产生的热效应， 尤其是因切削齿的局部高温而伴随产生的材料热化学作用。聚晶金刚石复合片是 p d c 钻头的切削元件，因此，作为p d c 钻头的聚晶会刚石复合片既要求具有高的 强度、硬度，又要求具有足够的韧性；既要求具有较好的热震性，又要求具有一 定的抗腐蚀性。 因此，对于聚晶金刚石复合体复合机理的研究就尤为重要。国内外专家学者 对此也开展了广泛的研究，主要有以下几种原理”3 。 一、表面原子分布对应和相互成键原理 在高温高压作用下，c o 以面心立方结构的形式存在，并且熔化后，在高压作 用下，它的流动性很好，要尽可能渗透到金刚石晶粒之间，使其密排面( n 1 ) 面 与会刚石的密排面( 1 l1 ) 面相互挤压接触得很好。而c o 的密排面上的原子间距为 2 5 i a ，金刚石密排面上的原子间距为2 5 2 a ，两者很接近。因此，它们两者接触 的密排面之间有很好的结构对应关系。由于金刚石表面上的c 原子还有一个未成 键的价电子，而c o 的密排面上的c o 原子3 d 壳层还缺电子，能吸引外来电子成键。 因此，接触面上对准的c o 原子与c 原子可以相互联结成键，产生粘结作用，如图 1 2 所示。这就是c o 在高温高压作用下，尽可能渗透在金刚石晶粒之间，紧密接 触金刚石晶面而产生粘结作用的机理。 i ) l i ) 图卜2金刚石与会属c o 粘结示意图 4 郑州人学硕士学位论文 第一章绪论 二、中间过渡物相原理 如s i n i 作结合剂时金刚石与s i 形成b s i c ，s i c 存在于结合剂与金刚石周 围的界面上，使金刚石与0 一s i c 形成一连续相，构成了坚固的骨架。其余空间被 s 卜n i 台会所填充，n i 起到提高润湿能力的作用。 三、交错生长原理 用过渡金属钴作结合剂时，在高温高压下，由于钴的浸蚀诱导作用，金刚石 颗粒间界消失，并交错生长在一起。原有的交界处，除可以观察到被掺杂的金属 相外，根本看不出金刚石颗粒问界。而颗粒问的空隙则被掺杂的金属所填充。 对于p d c 性能的检测，国内外没有统一的标准。目前，耐磨性、耐热性与抗 冲击性是衡量p d c 质量的主要指标。但是这几种方法对于聚晶金刚石复合片均是 破坏性检测，据了解，在国外检测p d c 内部质量情况时都采用超声波无损检测 方法”。1 ，国内的部分厂家已开始研究寻找解决的方法。 耐磨性是指p d c 的聚晶金刚石层在切削、钻井、修整砂轮等过程中抗磨损的 能力。影响p d c 耐磨性的因素主要有：p d c 制造工艺、合成p d c 的原料( 金刚石微 粉) 的粒度、粘结剂的含量等。 耐热性是指p d c 受热后组织与性能不发生变化或者变化极小时所能承受的 最高温度及相应的时间的性能。影响p d c 的热稳定性的主要因素是高温下金刚石 的石墨化，其次是氧化。石墨化和氧化的速度与金刚石层的组元、加热温度、加 热时间及加热气氛有关。归根到底，加热温度与加热时问才是使金刚石石墨化的 主要原因。 抗冲击性是指p d c 承受冲击载荷的能力，即：在冲击力作用下，聚晶金刚石 层中金刚石颗粒不剥落，金刚石层不裂纹崩刃、不分层。抗冲击韧性的高低与硬 质合金中钴的含量、金刚石层中金刚石颗粒自身的结合，以及烧结工艺等多个因 素有关。 超声波无损检测是用超声波检测p d c 的内部质量，实际上是一个使用超声波 技术进行探伤的过程。目前使用的超声探伤原理中，脉冲反射法应用最为广泛。 采用超声波检测，可以清晰地、直观地观察到p d c 的内部烧结情况、各种缺陷的 位置、形状和类型，并且可以从显示器上对p d c 内部的缺陷进行定位、定性与判 读，即使不是很了解超声波的人，也可以根据图像判断p d c 的优劣，从而进行检 验和选择。 郑州大学颁j ：学位论殳 第一章绪论 影响p d c 材料性能的因素很多，主要有”“：金刚石与粘结剂的配比、粘结 剂的种类、金刚石的粒度、金刚石层与硬质合金基体界面结构以及烧结工艺等。 本课题主要研究金刚石层与硬质合金基体界面结构对p d c 性能的影响。 1 2 2p d c 界面的研究发展现状和趋势 对于p d c 的界面问题，可以从微观和宏观两方面考虑。从微观上讲，它的界 面有：( 1 ) 聚晶金刚石层中金刚石之间的界面；( 2 ) 会刚石与粘结剂之间的界面； ( 3 ) 金刚石与聚晶金刚石层中缺陷( 气孔、夹杂等) 的界面等。从宏观上讲，它 的界面就是w c c o 层与聚晶金刚石层之l 、日j 的界面。 本课题主要研究聚晶金刚石复合片的宏观界面，即：w c c o 层与聚晶金刚石 层之间的界面。 最初的聚晶金刚石复合片的p c d 层和硬质合会基体之间界面结构为一个平 面，p d c 层与硬质合会基体之间的接触面较小，在烧结过程中两者之间的膨胀应 力相差较大，平面结合不易缓解应力的释放，在界面处很容易因为强度不够而出 现金刚石层的剥落等损坏。同时，这样的p d c 界面结合较弱，当用作钻探工具时 其抗冲击能力不强”1 。针对这一现象，国内外研究人员以聚晶金刚石层与w c c o 层的界面为着眼点，从不同方面提出了改善聚晶金刚石复合片质量的方法。p d c 层与硬质合金基体之间的结合界面结构如图卜3 所示“2 ”1 目圈圈6 牛i n f 接触嫂嫂脚街| l i 蚯 曲呵啦 图卜3p d c 层与硬质合金基体之间的结合界面结构 对聚晶金刚石复合片的改进主要有非平面连接技术及梯度过渡技术“3 。非 平面连接是指硬质合金基体与聚晶金刚石层间采用台阶形、槽形或简单凸凹形等 几何形式联结“。这种措施一方面通过增大p c d 层与硬质合金的接触面积来达 郑州人学倾十学位论文第一章绪论 到提高机械结合强度的目的，另一方面其特定的几何形状界面在一定程度上也能 缓和由于两种材料的热膨胀系数、弹性模量等热物理性能参数差异造成的应力集 中，使p c d 层的压应力尽量大，从而提高它的耐用性。 目前，聚晶金刚石层与w c c o 层的界面结构大体有如下几类：基体是平面 连接：在基体上做出沟槽或槽齿：把槽齿做成环形，并将尖角改成圆角； 把基体的中央设计成台阶，台阶上分布有沟槽或半圆等形状的突起；把界面做 成波浪形、锯齿形等。 p c d 层和硬质合金基体之间界面结构为平面的聚晶金刚石复合片目前主要 用于煤田钻探和切削刀具用，石油地质钻头应用极少。 对于p c d 层与w c c o 层的界面结构的研究，国外的专家开始的较早。在1 9 8 6 年、1 9 8 8 年，d a “dr h a i l n 7 3 和d e n n i s “在硬质合金基体上设计了t 形和树桩形 槽齿的p d c ，如图1 3 、1 4 所示。 图1 3d a v i dr h a l i 设计的基体 图卜4d e n n i s 设计的基体 ，6 3 42 4 们 郑卅人学硕j ：学位论文第一章绪论 但是，由于这种复合片的金刚石层和基体的各处厚度并不均匀，所以在不同 厚度的地方钴的分布会发生偏聚，这就导致了复合片性质不稳定，质量很难保证。 同时，对于尖角的界面，由于尖角处的性质与周围物质的性质有很大差别，容易集 中残余应力，又因为形状尖锐，也容易集中冲击应力。 为了改善这一缺点，专家们建议把那些尖角都改成光滑的圆角，这样就可以 使应力均匀分布。d e n n is ”又将基体的槽齿转变为环爪齿形状，尖角都改成光滑 的圆角，如图卜5 、卜6 所示。 1 4 2 0 。 1 2 图卜5 环爪齿界面的复合片 图卜6 圆角过渡界面的复合片剖面图 h a r d y 认为，p c d 层与w c c o 层界面的锯齿或沟槽是直线形的，其承受应力 的能力还与应力方向有关，如果应力的方向与锯齿或沟槽的方向平行，复合片的 承载能力就会较低，如果应力方向与锯齿或沟槽的方向垂直，承载能力相应较高。 所以他建议把锯齿或沟槽做成同心圆、螺旋、间断的圆弧或呈放射状排列的凹陷 或凸起，如图卜7 所示，可以显著提高复合片的承载能力。 郑州人学硕上学位论史 第一章绪论 形獗“。怠i 。 、。一 ( a ) ( a ) 界面为同心圆弧或螺旋形( b ) 界面为间断的圆弧形 ( c ) 基体界面为放射状凹陷 图l 一7 界面为圆滑过渡的复合片 ( c ) d e n n i s ”“设计的复合片的界面为波浪形，侧面为正弦曲线，如图卜8 所示。 这样的设计使金刚石层的厚度从中心到边缘逐渐增厚，增加了工作面中金刚石的 相对面积，所以复合片的抗冲击性和耐磨性都有所提高。 图卜8 波浪形界面的复合片 锯齿形的界面”如图1 9 所示。锯齿有多种表现形式，比如是环形的，或直 线的，其中锯齿数目也是可变的。其中7 a 为7 b 的剖面图。从图中可以看出，最 外面的锯齿是向下倾斜的，这样在切割外缘2 5 金刚石层的面积就大一些，尽可 能使工作面1 6 全部是金刚石，因为金刚石的耐磨性比基体高得多，所以这种设 计提高了复合片的使用寿命，而且这种锯齿的结构还起到分散界面应力的效果， 减少了复合片在温度变化或剧烈冲击时产生裂纹的可能性。 9 由 郑州大学颧上学位论文第一章绪论 图1 9锯齿界面的复合片 国内对于p c d 层与w c c o 层的界面结构及性能的研究开始于1 9 9 6 年，郑州新 亚复合超硬材料有限公司申请了硬质合金衬底上开有凹槽的金刚石复合片”。这 种复合片的其特征是在硬质合金衬底上开有二组凹槽：槽间距较大的疏槽，其槽 较宽而深：槽间距较小的密槽，其槽较窄而浅，疏密相间，大体均布，金刚石层 深入槽中，与衬底充分镶嵌啮合。他们认为这种复合片由于二者之结合面积和复 合片的金刚石层体积含量更大，钻齿的耐磨性和抗冲击性更高，钻进硬岩时能使 钻头使用寿命延长30 5o 。 但是，徐国平”等人研究后认为：硬质合金基体与金刚石层的结合面为沟槽 状或锯齿状的金刚石复合片，虽提高了硬质合金基体与金刚石层的结合力和抗冲 击强度，但由于结台面的锯齿或沟槽是直线形的，其抗冲击的能力与应力方向有 关，如果应力的方向与锯齿或沟槽的方向平行，复合片的抗冲击能力就会降低。 此外，由于金刚石与硬质合金热膨胀系数的差异，沟槽或锯齿部分易出现应力集 中而产生裂纹。因此，他将界面结构作了改进1 ，如图1 1 0 所示。硬质合金基体 与会刚石层的结合面上有一与之同体同轴的凸台，凸台上设有均匀分布的突起。 突起的形状为半球形、锥形、锥球形中的一种或它们的组合，凸台侧面与基底垂 直面成一定角度，凸台和突起与邻面由圆弧过渡连接。他们认为这样的结构至少 有3 个优点：半球形的突起可分散冲击应力，从而提高复合片的抗冲击性能。 半球形突起沿圆周方向均布，使得其承受应力的能力也不存在方向性的差异。 由于凸台的存在，边缘部分金刚石层厚度可超过2 5 f f h n ，使金刚石复合片更耐 磨，延长了钻头使用寿命。 郑州人学硕l + 学位论文第一章绪论 图卜l o徐国平设计的新型金刚石复合片 此外，马自强“、赵云良“”等人也对界面结构进行了类似的改进。他们的设 计均是硬质合金基体结合面为台阶形，中间为凸台，凸台上布设有圆柱形、圆台 形、棱台形、圆锥形、棱锥形或其它的多边柱形的小孔或凹坑。这样改进的有益 效果在于：1 通过设置凹坑和台阶可增加金刚石层与硬质合金基体的接触面积， 进一步提高了金刚石复合片的抗冲击强度；2 结合面呈台阶形，降低了应力， 也增加了耐磨损厚度，使金刚石复合片的耐磨性能和使用寿命进一步提高。 1 3 本课题的研究方案 聚晶会刚石复合片作为p d c 钻头的关键部位，它的质量也日益受到人们的重 视。所以，研究聚晶金刚石复合片p c d 层与w c c o 基体之间界面结构的结台状况、 提高p d c 的抗冲击性、热稳定性、耐磨性等性能，对于提高p d c 材料的性能及推 广应用都具有十分积极的意义。 本课题研究的主要目的是：通过研究p d c 的耐磨性、抗冲击性、耐热性以及 通过对p d c 超声波无损探伤检测和断口的扫描电镜( s e m ) 分析，找出p d c 界面结 构与p d c 应力以及各项性能之间的关系。 鉴于目前国内外聚晶金刚石复合片的研究现状及存在的问题，在导师的指导 和前人工作的基础上展开本论文的研究。拟开展的研究如下： ( 1 ) 按照j b t 3 2 3 5 一1 9 9 9 人造金刚石烧结片磨耗比测定方法进行耐磨性 检测实验，通过测试不同界面结构的p d c 的聚晶金刚石层的磨耗比，确定界面结 构对p d c 耐磨性能的影响。 ( 2 ) 采用重砣冲击法进行抗冲击性检测实验，以试样破坏时的抛落次数( 冲击 总能量) 作为衡量p d c 抗冲击性能的指标，确定界面结构对p d c 抗冲击性性能的 郑卅( 大学硕上学位论文第一章绪论 影响。 ( 3 ) 通过检测加热前后样品的聚晶金刚石层的耐磨性和抗冲击性，来评价 p d c 的耐热性( 或热稳定性) 。 ( 4 ) 采用超声波无损探伤检测检测p d c 的聚晶金刚石层与硬质合会基体之间 结合面的结合状况。 ( 5 ) 运用扫描电镜( s e m ) 分析观察聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层电火花切 割后的断口情况。 1 4 本课题的创新点 目前国内外学者对聚晶金刚石复合片的研究工作主要集中于聚晶金刚石复 合片的界面与复合机理的研究，对于p d c 的p c d 层与w c c o 基体之间界面结构 与p d c 的耐磨性、耐热性、抗冲击性等性能的研究，迄今为止，相关的文献报道 较少。再则，由于国内p d c 都是在国产铰链式六面顶压机上生产的，而国外生产 使用的是年轮式两面顶压机，生产工艺也不相同，因此，对于各种界面结构与性 能的差异，几乎未进行过系统的研究。 本课题的创新点在于： l 、系统地分析了聚晶金刚石复合片宏观、微观界面问题，并把p c d 层与w c c o 基体之间界面结构对p d c 性能的影响作为主要研究内容； 2 、分析了硬质合金基体的槽齿形状对聚晶金刚石复合片性能的影响； 3 、分析了聚晶金刚石复合片界面缺陷及产生原因； 4 、探讨了残余应力最小的界面结构形式： 5 、通过耐磨性、耐热性、抗冲击性性能检测、超声波无损检测技术以及扫 描电镜( s e m ) 分析技术，分析了界面的结合情况，研究了不同的界面结构对聚晶 金刚石复合片性能的影响。 郑州人学硕1 ：学位论文 第二章实验过程 第二章实验过程 2 1 样品的制备 2 1 1 制造工艺过程简介 p d c 的制造方法有两种。一是直接合成，即人造金刚石与硬质合金基体一次 合成。这种方法工艺简单，成本低，产量高，但耐热性较差。另一种方法是间接 合成，即先压制出人造金刚石层，然后焊接在硬质合会基体上。该方法的合成工 艺较复杂，成本高，但耐热性好。目前，国内一般采用直接合成法制造p d c 。其 中，液相烧结法是常用的一种直接合成法。 p d c 的制造过程包括金刚石层制各、硬质合会层的制备、组装、干燥、烧 结、退火、磨加工、检验等阶段。其制造工艺流程如图2 1 所示。 金刚石微粉结合剂硬质合金叶腊石成型块、钢圈、导电片 士 净化 组袈 募 矗 聂 ， 磨加工 外观友蛀能检验 彘 图2 一lp d c 制造工艺流程 本次实验的样品按照上述p d c 的制造工艺制造。 屏蔽材料等 郑卅1 人学硕，l 学位论文 第一章实验过程 2 1 2w c c o 基体的界面结构选择 目前石油地质钻探用聚晶金刚石复合片的硬质合金基体与聚晶金刚石层之 间的界面结构类型较多，但是归纳起来主要有以下几类 ( 1 ) 结合界面为平面的p d c ，如图2 2 所示 ( 2 ) 结合界面之间采用平行、垂直相交或其他各种形状的槽形或简单凸凹形等 几何形式联结，如图2 3 所示； ( 3 ) 结合界面之间同时采用台阶形和槽形等几何形式联结，如图2 4 所示 ( 4 ) 曲面连接是硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合面是曲面，如图2 5 所示。 图2 2 平面连接p d c图2 3 简单槽齿连接p d c 图2 4 台阶、槽齿连接p d c 图2 5 曲面连接p d c 郑州人学烦十学位论文第一二章实验过程 本次研究选择五种典型的界面形状合成0 1 3 4 4 8 的p d c 样品进行性能检 测。样品硬质合金基体界面形状及编号见表2 1 。 表2 1 样品硬质合金基体界面形状及编号 2 1 3 原料的选择、准备及处理 实验用的原材料有金刚石微粉、结合剂、硬质合金、叶腊石成型块、碳管、 盐管、屏蔽材料、钢圈、导电片等。 2 1 3 1 金刚石微粉及处理 人造金刚石微粉是合成p d c 的主要原料，必须具有很高的纯度。在金刚石微 粉的制造过程中，金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸汽等气体，还有极少量的叶腊 石、石墨、铁磁性物质、灰份等杂质。在p d c 烧结过程中有害气体与杂质将促使 会刚石氧化或石墨化，或在金刚石层、硬质合金层中形成某种复杂的脆性大的烧 结相，影响金刚石或w c 颗粒之间的结合强度。所以必需经过净化处理后才能使 用。一般采用氢氧化钠、硝酸、高氯酸对金刚石进行化学处理，来进一步提纯金 刚石。 余刚石的粒度直接影响到p d c 的耐磨性，合理的级配对提高p d c 的品质有明 显的作用。细化金刚石的粒度将有助于提高复合片的耐磨性，而粗粒度的金刚石 有助于p d c 在钻进中硬以上岩石中的自锐作用，一般常用5 、2 5 、5 0 um 粒径的金 刚石制造不同用途的复合片。金刚石粒度与耐磨性和强度的关系曲线汹1 如图2 6 。 当金刚石粒度在1 0hj 】以下时，粒度对p d c 耐磨性和强度的影响非常大，超过2 0 郑州大学硕i 学位论史第二章宴验过程 pm 后影响程度趋缓。 量 芝 筮 莲 图2 6金刚石粒度与耐磨性和强度的关系曲线 生产p d c 的金刚石粒度大致可分为三类，即粗粒度( 2 0 5 0 岫) ，中粒度( 1 0 m 左右) ，细粒度( o 5 5 帅) 。此外，金刚石粒度的选择与金属粘接剂的含量有一定 的对应关系。粗粒的p c d 层加入较少的金属粘接剂，受热后被挤出的量小，但是 粒度越大，聚晶金刚石对其内部的微裂纹越敏感，其断裂韧性也会降低。细粒度的 p c d 层有较多的金属粘接剂，受热后被挤出的量也大，且p c d 层内有较大的内应力 热稳定性较差。 为了提高p d c 的耐磨性、抗冲击韧性和自锐性，也可以采用不同粒度的金 刚石混合配比。由于不同粒度的颗粒相混合，会使金刚石颗粒之间的连接更紧 密，合理的级配可以使金刚石颗粒排列紧密，所以p d c 的热稳定性、耐磨性和抗 冲击性都有很大提高，而且金剐石层与硬质合金基体的连接强度很高，能经受住 高温、机械加工、焊接和最后的终加工的考验，与只有一种粒度的金刚石复合片 相比，这种复合片表现出较强的抗剪切强度和冲击强度，降低了由于应力引起的 分层的可能性。 按照最紧密堆积原理确定金刚石的最佳粒度配比，同时，结合剂的粒度原则 上应小于金刚石的粒度配比中的最小粒度，最好为最小粒度的1 5 1 ，1 0 。 金刚石与结合剂的比例一般为： 金刚石：9 0 9 5 结合剂：1 0 5 1 6 id。霾 郑卅大学坝l 学位论文第二章实验过程 本次实验选用w 4 0 、w 1 0 的金刚石微粉，采用氢氧化钠、硝酸、高氯酸对金 刚石进行化学处理。高温碱处理采用金刚石与n a o h 按1 ：3 的体积混合在一起后， 在5 0 0 7 0 0 马弗炉中加热，等到碱液呈暗红色并持续十分钟左右，移出马弗 炉，当碱液冷凝到接近凝固而未凝固时，倾倒到玻璃板上，随后将含有金刚石的 冷凝碱块夹入烧杯，用蒸馏水反复稀释直至呈中性；再将高温碱处理后的金刚石 放入烧杯，加入浓硝酸，并加热1 小时，用蒸馏水反复稀释直至呈中性。最后再 将上述处理后的金刚石进行高氯酸处理。处理后的金刚石经烘干后装入密封的容 器中待用。 2 1 3 2 结合剂的还原处理 在金刚石微粉中加入一定量的粘结剂，则有助于降低烧结条件，并促进金刚 石自身键的结合。 粘结剂的选择非常关键。粘结剂应具备下列条件：对金刚石要有良好的润 湿性，能够牢固粘结金刚石。线性膨胀系数力求与金刚石接近，以降低温差应 力。应具有足够的强度和冲击韧性并且能与基体牢固连接。熔点应尽量低， 以减少高温对金刚石的损伤咖1 。 粘结剂添加量的多少也会对热稳定性产生较大的影响。有文献表明，添加 l o 1 5 粘接剂的复合片的热稳定性最好，达到2 0 时，聚晶金刚石的热稳定性 明显变差。 能作粘结剂的物质很多，非金属( 如硅、碳化钨等) 、金属( 如钴、镍等) 、 碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物一种或几种，而目前广泛使用的是 钴、铝、硅、碳化钨、氮化铝等。 结合剂的种类与含量对p d c 的性能有很大的影响，若希望金刚石复合片有较 高的热稳定性，则采用以硅为主的结合剂：如果要求金刚石复合片具有较高的耐 磨性，则可以采用以钴为主的结合剂。 钴粉是常用的金属结合剂，由于它的粒度很细，表面活性很大，极易被空气 中的氧所氧化。尤其是在空气中湿度较高的情况下，刚还原好的钴粉含氧量一般 不超过o 3 ，但在空气中存放2 4 小时，含氧量可增高到o 5 以上。钴粉的含 氧量随着室温升高而增大，当室温高于3 0 时，钴粉更易被氧化。被氧化的钴 粉需在氢气还原炉中进行还原，还原温度6 0 0 左右。 1 7 郑州人学硕t 学位论文第= 章实验过程 本次实验选用钴粉作为结合剂。将被氧化的钴粉放入氢气还原炉中进行还 原，还原温度6 0 0 左右。 2 1 3 3 硬质含金基体的选择、加工 硬质合金是由w c 、t i c 、t a c 、n b c 、v c 等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的 铁族金属用粉末冶金方法制备而成。与高速钢相比，它具有较高的硬度、耐磨性 和红硬性；与超硬材料相比，它具有较高的韧性。由于硬质含金具有良好的综合 性能，因此在刀具行业得到了广泛应用，目前国外9 0 以上的车刀、5 5 以上的 铣刀均采用硬质合金材料制造。 硬质合金牌号通常可分为三类：y g 类( w c _ - c 0 类) ：该类硬质合金制造的刀 具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等，主要用于加工铸铁、有色金属和非金属。 y t 类( w c t i c c o 类) ：由于材料中加人了t i c ，使材料的硬度和耐磨性有所提 高，但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性，抗粘结、抗氧 化能力较好，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。y w 类( w c t i c t a c 一c o 类) ：在y t 材料中加人t a c 是为了提高刀具的强度、韧性和红硬性。 浚类硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，特别适 于加工各种商合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。 硬质合金生产工艺复杂，需要专门技术、专门设备和完整的质量保证体系。 其生产过程主要包括碳化钨和钴的混合料制备、成型、烧结三个阶段。硬质合金 基体的钴含量一般为8 2 0 ，刀具用的复合片基体钻含量应偏低些，石油钻头 用的复合片基体钴含量应偏高些。碳化钨粒度1 5 u m 。 合成聚晶金刚石复合片的硬质合金的基体的配料有三种形式：冷压成型未烧 结坯料，冷压成型予烧结坯料和冷压成型完全烧结坯料。冷压成型未烧结坯料烧 结后的收缩比1 2 l - 3 。冷压成型予烧结坯料是经过压制成型，并在1 0 0 0 1 2