聚晶金剛石復(fù)合片界面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響

趙東鵬，耿菖健，方海江

（河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司，鄭州 450016）

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）是由金剛石粉料與硬質(zhì)合金在高溫高壓（HPHT）下燒結(jié)后得到毛坯，再經(jīng)過(guò)一系列的加工而得。PDC 的出現(xiàn)解決了單晶金剛石受沖擊沿(111)晶面易解理破損的問(wèn)題。PDC 擁有硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性，且其具有的抗磨損均勻性、耐熱性、導(dǎo)熱性等已超過(guò)天然金剛石的[1-3]。目前，PDC 已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子、寶石加工、建筑等行業(yè)的刀具制造中[4-6]。

可用作PDC 黏結(jié)相材料的有金屬、陶瓷和金屬陶瓷復(fù)合材料等[7]，其中的金屬作為黏結(jié)相可有效提高PDC的抗沖擊性能。但是，由于金剛石與金屬黏結(jié)相的熱膨脹系數(shù)差異較大，溫度較高時(shí)兩者的黏結(jié)穩(wěn)定性略差，會(huì)產(chǎn)生PDC 復(fù)合層和硬質(zhì)合金界面結(jié)合強(qiáng)度降低等問(wèn)題。如以Co 為黏結(jié)劑的PDC 在使用過(guò)程中，就存在由于溫度過(guò)高導(dǎo)致其性能下降的問(wèn)題[8]。目前，對(duì)于PDC 界面結(jié)合的研究較多。張喆等[9]對(duì)聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層處的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，同時(shí)提出一些消除殘余應(yīng)力的途徑，比如減小金剛石粒徑、添加適宜的黏結(jié)劑、改變界面結(jié)構(gòu)、調(diào)整聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層厚度比、改進(jìn)制造工藝等。邵華麗等[10]對(duì)聚晶金剛石的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，認(rèn)為提高PDC熱穩(wěn)定性的方法是用化學(xué)方法去除其中的金屬觸媒相，即脫Co 以及選用熱穩(wěn)定性好的黏結(jié)劑替代金屬。彭玉柏等[11]研究了高溫高壓前后硬質(zhì)合金基體的顯微組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，發(fā)現(xiàn)超高壓高溫處理后，硬質(zhì)合金基體由均質(zhì)材料變?yōu)镃o 相梯度材料，其硬度也呈梯度變化，且界面處存在WC 晶粒異常長(zhǎng)大行為；硬質(zhì)合金基體性能發(fā)生變化的主要原因是Co 相的遷移和快速冷卻。

但對(duì)PDC 復(fù)合層與硬質(zhì)合金界面微觀結(jié)構(gòu)的研究較少。因此，通過(guò)對(duì)Co 基PDC 進(jìn)行試驗(yàn)，探究界面位置出現(xiàn)的金屬遷移聚集（簡(jiǎn)稱“金屬池”）情況，及其對(duì)PDC 耐熱性、抗沖擊性及耐磨性等的影響。

1 試驗(yàn)樣品制備及檢測(cè)

試驗(yàn)PDC 樣品是將優(yōu)選的主晶為25 μm 的金剛石微粉(中南鉆石有限公司)與WC-Co 硬質(zhì)合金進(jìn)行組裝，采用CS-XIII 型國(guó)產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)在HPHT（1 300～1 600 ℃，5.5～10.0 GPa）條件下燒結(jié)而成。采用2 種合成工藝制備毛坯樣品：第1 種是常規(guī)工藝（稱為“工藝1”），即一段式燒結(jié)工藝，燒結(jié)處理的溫度為1 550 ℃，壓力為9.0 GPa；第2 種是新工藝[12]（簡(jiǎn)稱“工藝2”），即第一階段HPHT 燒結(jié)處理的溫度為1 450 ℃，壓力為9.0 GPa，第二階段HPHT 燒結(jié)處理的溫度為1 550 ℃，壓力為9.0 GPa。將制備的毛坯樣品通過(guò)后續(xù)加工制成試驗(yàn)所需的聚晶金剛石復(fù)合片。工藝1 制得的樣品命名為樣品A，工藝2 制得的樣品命名為樣品B。樣品A 和樣品B 的最終尺寸為：直徑，15.88 mm；高度，13.20 mm；聚晶金剛石層厚度，2.20 mm。

使用X-ray 無(wú)損檢測(cè)設(shè)備(德國(guó)，依科視朗)對(duì)樣品A、樣品B 的PDC 層與硬質(zhì)合金界面處的金屬池情況進(jìn)行檢測(cè)；使用MP63900 型掃描電鏡(日本，日本電子)觀察樣品A、樣品B 的界面微觀結(jié)構(gòu)；使用CK5116E型數(shù)控立車(中國(guó)，泰達(dá))、CEAST9340 型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(意大利，英斯特朗)對(duì)樣品A 和樣品B 的耐磨性能、抗沖擊性能進(jìn)行檢測(cè)；使用L75 熱膨脹儀(德國(guó)，林賽斯)對(duì)樣品A、樣品B 的耐熱性能進(jìn)行檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 結(jié)合界面的無(wú)損檢測(cè)

將制備的樣品A、樣品B 分別放到X-ray 無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的載物臺(tái)上，利用X 光射線的穿透性觀察樣品界面附近的金屬池情況。圖1a、圖1b 分別是樣品A、樣品B 的無(wú)損檢測(cè)圖。由圖1a 可知：樣品A 的界面附近有類樹枝狀的枝晶生長(zhǎng)，即形成了金屬池。由圖1b 可知：樣品B 的界面附近未出現(xiàn)金屬池現(xiàn)象。因此，工藝2 的制備方法可以很好地抑制硬質(zhì)合金中的W、Co金屬向PDC 界面附近遷移而形成金屬池。

圖1 樣品A、樣品B 無(wú)損檢測(cè)圖Fig.1 Non-destructive testing pictures of sample A and sample B

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)MP63900 掃描電鏡對(duì)2 種樣品界面處的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其SEM 微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2a可知：樣品A 界面存在由硬質(zhì)合金遷移的金屬，占據(jù)聚晶金剛石部分位置（圖2a 的圓圈內(nèi)出現(xiàn)金屬池），這與圖1a 中無(wú)損檢測(cè)下觀察到的類樹枝狀枝晶生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。由圖2b 可知：樣品B 界面不存在金屬池現(xiàn)象。利用掃描電鏡檢測(cè)樣品A 中金屬池的元素組成，結(jié)果如表1所示。

圖2 樣品A、樣品B 的SEM 微觀結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.2 SEM microstructure pictures of sample A and sample B

表1 樣品A 界面附近金屬池的元素組成Tab.1 Elemental compositions of metal pool near the interface of sample A

如表1所示：樣品A 界面附近的金屬池的元素包含W、Co、C。由于樣品A 采用常規(guī)HPHT 工藝，硬質(zhì)合金中的黏結(jié)劑快速熔融并遷移，進(jìn)而引起其噴發(fā)式滲透到聚晶金剛石層中，致使聚晶金剛石層中存在局部團(tuán)聚的金屬元素。而樣品B 采用的是二階段HPHT燒結(jié)工藝，使得黏結(jié)劑及其他成分梯度熔融并擴(kuò)散遷移，解決了PDC 界面附近的催化劑噴發(fā)式滲透形成的局部團(tuán)聚（產(chǎn)生金屬池）的問(wèn)題。

2.3 熱膨脹檢測(cè)

使用L75 熱膨脹儀對(duì)樣品A、樣品B 的耐熱性能進(jìn)行檢測(cè)。L75 熱膨脹儀為頂桿式熱膨脹儀，主要研究樣品因溫度變化而引起的體積變化。由于PDC 復(fù)合層與黏結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度的升高其體積變化不同。在某一溫度點(diǎn)，PDC 復(fù)合層與基體分離，將其溫度點(diǎn)記錄為樣品耐熱溫度點(diǎn)。具體測(cè)試方法是將樣品側(cè)放在載物臺(tái)上，腔體內(nèi)通N2保護(hù)，升溫速率為5 ℃/min。在相同測(cè)試條件下，各取5 片同類樣品A 和樣品B 進(jìn)行耐熱檢測(cè)，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：樣品A 的平均耐熱溫度為870 ℃，樣品B 的平均耐熱溫度為920 ℃，因此樣片B 的耐熱溫度比樣品A 的約高50 ℃。由于金剛石的熱膨脹系數(shù)小于硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)樣品A 界面位置存在金屬池，致使樣品A 在升溫過(guò)程中更容易發(fā)生分層現(xiàn)象。樣品B 不存在金屬池現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可有效避免溫度過(guò)高導(dǎo)致的碳化、分層等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。

圖3 樣品A、樣品B 的耐熱檢測(cè)結(jié)果柱狀圖Fig.3 Histogram of the heat resistance test results of sample A and sample B

2.4 抗沖擊性能

在相同測(cè)試條件下，各取5 片同類樣品A 和樣品B，使用CEAST9340 型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)樣品的抗沖擊性能，其評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4中的結(jié)果均為樣品A 和樣品B 交替沖擊的結(jié)果。

圖4 樣品A、樣品B 的沖擊性能評(píng)價(jià)柱狀圖Fig.4 Histogram of impact performance evaluation of sample A and sample B

從圖4可以看出：樣品B 的5片沖擊測(cè)試均值為45，樣品A 的5 片沖擊測(cè)試均值為32。樣品B 的沖擊等級(jí)明顯好于樣品A 的，其抗沖擊性能比樣品A 的高約40.6%。這是因?yàn)闃悠稟 的界面附近存在的金屬池降低了聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金的界面結(jié)合強(qiáng)度，影響了PDC 整體沖擊性。在實(shí)際使用過(guò)程中，樣品B 可抵抗更為復(fù)雜的油氣鉆探地質(zhì)環(huán)境，更有效地避免或減少產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)的崩齒、脫層等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。

2.5 耐磨性能

按《JB/T 3235—2013 聚晶金剛石磨耗比測(cè)定方法》，各取2 片樣品A、樣品B，在相同條件下，采用CK5116E型數(shù)控立車磨削花崗巖，計(jì)算聚晶金剛石層的磨口面積，其檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣品A、樣品B 聚晶金剛石層磨口面積變化曲線Fig.5 Curves of grinding area change of the polycrystalline diamond layer of sample A and sample B

由圖5可知：在相同條件下，樣品B 的磨口面積更小，樣品B 在60 層的磨口面積分別為5.061 mm2與5.270 mm2，均值為5.166 mm2；樣品A 在60 層的磨口面積分別為5.750 mm2與5.970 mm2，均值為5.860 mm2。相比于樣品A，樣品B 的耐磨性更好，其耐磨性提高11.8%。這是因?yàn)椋瑯悠稟 界面處存在的金屬池降低了聚晶金剛石層D-D 鍵合濃度，進(jìn)一步降低了PDC 整體結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)論

利用國(guó)產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)，采用2 種不同工藝合成PDC 毛坯，經(jīng)后續(xù)加工得到試驗(yàn)所需規(guī)格的PDC樣品；對(duì)制備的2 種PDC 進(jìn)行X-ray 無(wú)損、掃描電鏡、耐熱溫度、抗沖擊等級(jí)及磨口面積檢測(cè)。得出如下結(jié)論：

（1）由工藝1 制備的樣品A 的界面附近存在樹枝狀的枝晶生長(zhǎng)，即形成金屬池現(xiàn)象；而由工藝2 制備的樣品B 不存在此類現(xiàn)象。金屬池是硬質(zhì)合金中的金屬元素向聚晶金剛石層方向遷移形成的，其元素為W、Co、C。

（2）工藝1 制備的PDC 的耐熱溫度為870 ℃，抗沖擊等級(jí)為32，磨口面積為5.860 mm2；工藝2 制備的PDC 的耐熱溫度為920 ℃，抗沖擊等級(jí)為45，磨口面積為5.166 mm2。相較于工藝1 制備的PDC，工藝2 制備的PDC 的耐熱溫度、抗沖擊性、耐磨性分別提高50 ℃、40.6%、11.8%。

（3）PDC 界面出現(xiàn)金屬池會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生不良影響。而不存在金屬池的PDC，由于其較好的耐熱性、抗沖擊性及耐磨性，將在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中避免或減少崩齒、分層等嚴(yán)重失效現(xiàn)象發(fā)生。