(徐国平)高温高压对硬质合金微观结构与性能的影响C

高温高压对PDC硬质合金基体组织和性能的影响许1，程2，3(1)湖南省长沙市金瑞新材料科技有限公司4100122.株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲4120003.中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083)文摘：利用金相显微镜、扫描电镜、XRD和EDX等手段，对合成PDC用硬质合金基体在高温高压前后的显微组织和相态进行了分析和比较。分别测量了硬度、密度、矫顽力、钴磁性和弯曲强度(TRS)。结果表明：1)高温高压后，硬质合金基体中的粗碳化钨晶粒略有细化；2)在合成PDC的温度、压力和时间条件下，硬质合金基体的相态没有明显变化；3)高温高压后，基体界面附近的钴含量显著降低，但距界面3毫米以上区域的钴含量趋于正常。4)高温高压后，硬质合金基体的硬度和密度增加，抗弯强度降低，钴相分布的均匀性变差。关键词：PDC；硬质合金基体；高温高压；表演高温高压对硬质合金组织和性能的影响徐国平、程秀兰、尹志敏(1。金雷新材料科技有限公司。中国长沙410012有限公司；2.株洲硬质合金集团有限公司，株洲412000；3.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083分别用光学显微镜、XRD、SEM和EDX分析了高温高压处理前后用于制备PDC的硬质合金基体。还测量了它们的硬度、密度、矫顽力、钴含量和横向断裂强度(TRS)。结果表明：1)高温高压处理后，硬质合金中的粗晶碳化钨颗粒略有细化；2)在制备PDC的条件下，硬质合金中的相没有发生变化。3)在高温/高压后，在界面附近，基底中钴的含量显著降低，但在离界面3毫米处保持正常。4)高温高压后，硬质合金基体的硬度和密度增加，但基体的硬度和钴相在硬质合金中的分布变得不均匀。原文关键词：PDC硬质合金；高压高温；财产聚晶金刚石复合片是由金刚石微粉和硬质合金基体在高温超高压(1300-1500，5-7 GPa)下烧结而成的一种复合超硬材料。它不仅具有金刚石的硬度和耐磨性，还具有硬质合金的强度、冲击韧性和可焊性，因此被广泛应用于钻井和机械加工领域。随着PDC应用的普及，人们对PDC 1-5的制备工艺和性能测试进行了越来越多的研究，但对PDC的重要组成部分硬质合金基体在高温高压前后的组织和性能变化却未见报道。事实上，聚碳酸酯的基体性能在很大程度上决定了聚碳酸酯的整体强度和抗冲击性。因此，研究高温高压对PDC硬质合金基体组织和性能的影响，对提高PDC质量具有重要的指导意义。本文利用金相显微镜、扫描电镜、XRD和EDX对高温高压前后PDC用硬质合金基体的显微组织和相态进行了分析和比较，并对其硬度、密度、矫顽力、钴磁性和抗弯强度(TRS)进行了测定，从而了解高温超高压处理后硬质合金的组织和性能的变化，为提高PDC的设计和质量提供参考。1个实验1.1样品制备硬质合金基体是含15wt%钴的YG15合金。高温高压处理后的硬质合金基体样品是用电火花线切割机沿聚晶金刚石层和硬质合金基体之间的界面切割1450和5.6GPa烧结10分钟得到的。PDC高压烧结的装配方法如图1所示。对于金相样品，应研磨和抛光合金，然后用25%铁氰化钾和氢氧化钠腐蚀5分钟。弯曲强度试验的试样是通过线切割将硬质合金基体切割成5.25mm6.5mm20mm的矩形条而制成的。每个样本被切成六个矩形条进行测试，并对结果进行平均。1-导电钢圈；2-导电片；3-碳管；4-硬质合金基体；5-绝缘片；6-盐管；盐片；8-莫杯；9-钻石；10-叶蜡石图1高压烧结过程中PDC的装配结构图1.2微观结构观察用MM-5C金相显微镜进行金相观察。用日本Rigaku-D/Max2550 X射线衍射仪对高温高压处理前后的硬质合金基体进行了物相分析。使用铜靶K辐射(40kV，250毫安)，扫描范围为10-80。扫描电镜照片由JSM-6490LV扫描电镜拍摄。钴含量的能谱分析使用美国EDAX公司的海王星XM4能谱仪。1.3性能测试钴磁采用钴磁测量仪。洛氏硬度在HRS-150数字洛氏硬度计上测量。测量显微硬度Hv时，载荷为294牛顿；用国产WE-100B液压万能试验机测量了合金的弯曲强度(TRS)。样品的矫顽力在93-1磁力仪上测量。密度由悬浮法确定。结果分析和讨论2.1高温高压处理对PDC合金基体碳化钨晶粒尺寸的影响PDC的高压烧结温度约为1450，烧结后100秒内冷却至室温，相当于对硬质合金基体零件进行一次淬火处理。根据文件6中的报告，硬质合金淬火处理对碳化钨晶粒尺寸的影响是细碳化钨晶粒变粗，而粗碳化钨晶粒变细。原因是细晶粒碳化钨合金的碳化钨晶粒尺寸分布窄，晶粒间的化学相差小，在淬火加热和保温过程中，大部分细晶粒已经消失。表面能降低的主要机制是降低碳化钨相晶粒的总比表面积，从而使碳化钨晶粒趋于均匀生长。对于粗晶合金，由于碳化钨晶粒尺寸分布较宽，粗、细晶粒间的化学势差异较大，细晶粒碳化钨更容易溶解。粗晶合金中的相主要由粗碳化钨晶粒(层厚度)排列和集中。在局部，相的浓缩部分相当于“高钴合金”。在相同的热处理条件下，应加入更多的碳化钨并使其溶解，从而细化淬火粗晶合金中的碳化钨晶粒。我们实验中的硬质合金基体碳化钨采用了具有匹配厚度的混合晶体配方(图2a)。高温高压处理后，粗WC的晶粒尺寸略有减小(图2b)。这可能与短烧结时间有关(参考6中的热处理时间为30分钟，而本实验中的烧结时间为10分钟)。高温高压处理前后基体相的能谱分析表明(表1)，烧结后基体相中的钨含量增加了30%。结果表明，在高压烧结过程中，硬质合金基体中的碳化钨颗粒部分溶解并进入相。(a)高温高压处理前合金金相(b)高温高压处理后的合金金相图2高温高压处理前后的合金金相(3000X)高压烧结前后PDC硬质合金基体相中的钨含量YG15合金在高压烧结之前高压烧结后相中的钨含量(重量%)9.3212.132.2高温高压处理前后合金基体的相变为了了解高温高压处理对硬质合金相的影响，对烧结前后的合金基体进行了XRD分析。结果如所示通过在扫描电子显微镜下用能谱仪测量指定微区的钴含量，得到高温高压后合金基体中钴含量从界面沿轴向的分布。结果如图4所示。高温高压后合金基体中钴含量沿轴向的分布从图4中可以看出，基体界面附近的钴含量明显较低，因为在PDC烧结过程中，基体中的钴将扩散到金刚石层8，从而导致合金基体中的钴含量随着其越靠近界面而越低。离界面3毫米以上测得的钴含量趋于稳定，基本在YG15合金的标准钴含量范围内波动，表明离界面3毫米以上区域的钴含量在高温高压前后没有明显变化。2.4高温高压处理前后合金基体的性能分别测量了高温和高压处理前后合金基体的矫顽力(Hc)、洛氏硬度(HRA)、钴磁性(Com)、密度(D)和弯曲强度(TRS)，结果列于表2和表3中。高温高压前后基体矫顽力、硬度、钴磁性和密度的变化Hc(kA/m)HRACom(%)D(g/cm3)高温高压前6.487.213.913.94高温高压后6.088.2(靠近界面)，87.4(底部)13.614点表3高温高压处理前后合金基体弯曲强度的变化TRS(兆帕)123456平均的高温高压前2188288930023074268223112691高温高压后2796208719412486219517372207硬质合金的矫顽力与碳化钨晶粒尺寸、钴含量和钴相分布的均匀性有关9。在相同的钴含量下，碳化钨晶粒越粗，矫顽力Hc越小。钴含量越低，矫顽力越大。钴相分布越均匀，Hc越大。前面的分析表明，高温高压后，基体中的碳化钨晶粒略有细化。根据高温高压前后合金基体的密度测量结果，可以计算出基体的钴含量从15wt%降低到14.37wt%，钴磁性的测量结果也表明基体的钴含量降低，因此矫顽力应该增加，但实际测量的矫顽力降低(见表2)，这表明高温高压后合金基体中钴相分布的均匀性较差。作者认为钴相分布不均匀的原因有两个方面：一是界面附近钴向金刚石层扩散造成钴分布的差异；第二，在烧结过程中，高压反应室中存在温度梯度和压力梯度。因为钴在PDC烧结条件下是液态的，它将由于温度差和压力差而流动，增加了钴在碳化钨颗粒周围分布的不均匀性。高温高压前后合金基体的硬度测量表明，高温高压后基体的硬度增加，特别是在金刚石层界面附近，这明显是由于合金中钴含量的降低造成的。表3显示了合金基体弯曲强度的测量结果。虽然试验数据的波动很大，但高温高压后合金的抗弯强度仍可从六组数值的平均值降低约18%。合金基体抗弯强度降低的原因主要是由于基体界面附近的钴含量明显降低(图4)。此外，基体的残余应力可能导致线切割后样品中的微裂纹(见图5)，这可能导致弯曲强度的降低和高温高压后合金的数据离散性的增加。图5线切割后样品表面的微裂纹(2000倍)。图5是线切割后产生的应力裂纹。如果是产品压制成型过程中的裂纹，则烧结后的裂纹应填充钴。基体应力与金刚石和硬质合金膨胀系数的差异、高压下的温度和压力梯度有关3)经过高温高压处理后，基体界面附近的钴含量显著降低。这是因为在P