高溫高壓對(duì)硬質(zhì)合金襯底沖擊韌性的影響①

陳輝

（武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)部，湖北 武漢430073）

聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片（PDC）是由金剛石微粉和WC-Co硬質(zhì)合金在超高溫高壓下合成的。其中WC-Co硬質(zhì)合金層厚度是聚晶層的5倍以上。所以硬質(zhì)合金基體對(duì)整個(gè)PDC復(fù)合片的性能有著重大的影響。研究表明［31］在金剛石含量和晶粒度相同的情況下，聚晶金剛石復(fù)合片的性能在很大程度上取決于基體材料的性能（基體的抗沖擊性能、抗彎強(qiáng)度、硬度、組織結(jié)構(gòu)、燒結(jié)溫度及對(duì)金剛石的包容性等），如在PDC鉆頭的鉆進(jìn)過程中，當(dāng)遇到研磨性很強(qiáng)的巖層時(shí)，就要求基體材料具有很強(qiáng)的抗沖擊性能，以避免PDC鉆頭因基體材料先于金剛石層崩裂而導(dǎo)致金剛石層脫落而影響鉆進(jìn)過程。在聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片的合成過程中，WC-Co硬質(zhì)合金會(huì)再次燒結(jié)成型，此過程與WC-Co硬質(zhì)合金制造時(shí)的燒結(jié)過程類似，但是由于復(fù)合片的合成是在超高壓（5.5～6GPa）、溫度為1450℃、保溫時(shí)間300s左右的環(huán)境下合成的，故與再次燒結(jié)過程有所區(qū)別。因此，研究硬質(zhì)合金襯底在高溫高壓前后的沖擊韌性有著重要的意義。本文將比較不同鈷含量、不同硬度的硬質(zhì)合金襯底在高溫高壓前后沖擊韌性的變化；以及比較相同鈷含量條件下，經(jīng)過高溫高壓和未經(jīng)過高溫高壓的硬質(zhì)合金沖擊韌性的變化；以便為提高硬質(zhì)合金襯底的抗沖擊性能提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

選取三種指定鈷含量和指定硬度的聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片（PDC）襯底（具體參數(shù)見表1、表2、表3）。每種取一半完全按照PDC復(fù)合片的生產(chǎn)工藝進(jìn)行高溫高壓處理（如圖1所示）：組裝塊在6×8MN鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成，合成壓力為5.5～6GPa，合成溫度為1450℃，保溫時(shí)間分別為300s；另一半作為對(duì)比不做任何處理［1］。

圖1 合成塊組裝示意圖Fig.1 Assembly diagram of the synthesis block

圖2 PDC復(fù)合片成品Fig.2 PDC finished products

1.2 性能檢測(cè)

將高溫高壓處理后的樣品拋光腐蝕，觀察金相并用圖形處理軟件觀察高壓后的鈷含量［2］，在其中選取兩組不同鈷含量的樣品，并在未經(jīng)處理的樣品中選取兩組相同鈷含量的樣品。將所有試樣在沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗沖擊性能測(cè)試。用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試以上所有樣品的抗沖擊次數(shù)。其結(jié)果如表3所示。

該沖擊試驗(yàn)機(jī)原理如圖3所示：

圖3 沖擊試驗(yàn)原理圖Fig.3 The principle diagram of the impact test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 不同鈷含量硬質(zhì)合金襯底在各種環(huán)境下的沖擊韌性Table 1 The impact toughness of tungsten carbide substrate with different cobalt content under various environment

表2 不同硬度硬質(zhì)合金襯底在各種環(huán)境下的沖擊韌性Table 2 The impact toughness of cemented carbide substrate with different hardness under various environment

表3 高壓后鈷含量與未經(jīng)過高壓的同一鈷含量的硬質(zhì)合金沖擊韌性Table 3 The impact toughness of cemented carbide with same cobalt content before and after high temperature and high pressure

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同鈷含量硬質(zhì)合金襯底在高溫高壓環(huán)境下沖擊韌性的變化

沖擊韌性其實(shí)就是材料在受沖擊破壞前吸收能量和進(jìn)行塑性變形的能力，當(dāng)試樣受沖擊破壞時(shí)，會(huì)存在多種斷裂方式。WC晶粒是解里斷裂，WC晶粒之間是邊界斷裂，在粘結(jié)金屬鈷中則是剪切斷裂，一般來說，WC晶粒度越大，解理斷裂量越多，邊界斷裂量越少。而剪切斷裂量則是隨著粘結(jié)金屬鈷含量的增加而增加的。在承受沖擊的過程中，絕大多數(shù)沖擊能量由鈷相剪切，變形和斷裂來吸收，而解理斷裂和邊界斷裂所吸收的沖擊能量是很少的。因此，鈷相的含量以及鈷相的分布是決定WC-Co硬質(zhì)合金沖擊韌性的主要因素。WC晶粒尺寸也會(huì)影響其沖擊韌性。表1中未經(jīng)過處理的一組試樣正好說明了這一結(jié)果；在表1中經(jīng)過高溫高壓處理的一組試樣中，沖擊韌性同樣和鈷含量成正比，相關(guān)研究表明［3］，在PDC復(fù)合片壓制過程中，鈷會(huì)向金剛石層擴(kuò)散，表1中表明同一試樣經(jīng)過高溫高壓后，沖擊韌性有所降低。

3.2 不同硬度硬質(zhì)合金襯底在高溫高壓環(huán)境下沖擊韌性的變化

硬質(zhì)合金的硬度對(duì)其沖擊韌性的影響主要體現(xiàn)在WC晶粒解理斷裂方面，由于 WC晶粒之間是邊界斷裂，所以 WC晶粒的大小和分布均勻性在某一范圍內(nèi)與其沖擊韌性成正比。硬質(zhì)合金的硬度隨著鈷含量的增加或WC晶粒的增大其硬度下降［4］。相關(guān)研究表明：WC晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。表2中經(jīng)過高溫高壓處理的一組數(shù)據(jù)顯示硬質(zhì)合金的硬度和沖擊韌性成反比。其原因是由于WC在液相鈷中的溶解度和溶解速度也隨著溫度的升高而增大，經(jīng)過高溫再次燒結(jié)的硬質(zhì)合金基體的晶粒尺寸會(huì)有所減小，硬度越大的硬質(zhì)合金晶粒尺寸減小的趨勢(shì)越厲害［5］。且此時(shí)鈷（Co）會(huì)向金剛石層有少量滲透，導(dǎo)致硬質(zhì)合金基體的鈷相減少，邊界斷裂所需要的能量減小，使得硬質(zhì)合金襯底的沖擊韌性有所下降。

3.3 高壓后鈷含量與未經(jīng)過高壓的同一鈷含量的硬質(zhì)合金襯底沖擊韌性的變化

表3中結(jié)論顯示在高壓后對(duì)比相同鈷含量的硬質(zhì)合金試樣，沒有高溫高壓處理過的硬質(zhì)合金沖擊韌性較高。事實(shí)上，由于高壓過程中總有鈷的析出，所以高壓處理的一組試樣在處理之前鈷含量一定比不經(jīng)處理的一組要略高，此結(jié)果與表1的結(jié)論不符。事實(shí)上，在硬質(zhì)合金的再次燒結(jié)過程中，鈷向金剛石層擴(kuò)散對(duì)沖擊韌性的影響是次要的。綜合分析表1和表3，結(jié)果顯示硬質(zhì)合金的再次燒結(jié)（高溫高壓處理）會(huì)使大顆粒WC在液相鈷中的溶解量減少，并且溶解速度下降，因此抑制了大顆粒WC的聚集再結(jié)晶和液相重結(jié)晶。此時(shí)小顆粒WC仍能溶解于液相鈷中并聚集再結(jié)晶?？傮w來說就是這組試樣的WC顆粒平均直徑下降，從而使得試樣邊界斷裂所需要的能量減小，沖擊韌性下降。

4 結(jié)論

（1）硬質(zhì)合金在不經(jīng)過高溫高壓處理?xiàng)l件下，其沖擊韌性在一定范圍內(nèi)與鈷含量、硬度成正比；

（2）硬質(zhì)合金在經(jīng)過高溫高壓處理后，其沖擊韌性在一定范圍內(nèi)與鈷含量成正比，與硬度成反比；

（3）同一鈷含量的硬質(zhì)合金，在WC平均晶粒區(qū)別不大的情況下，經(jīng)過高溫高壓處理的硬質(zhì)合金沖擊韌性有所降低。

［1]柴津萩，王光祖.PDC的制備技術(shù)及其參數(shù)對(duì)產(chǎn)品特性的影響［J］.超硬材料工程，2007.19（6）：37-41.

［2]陳輝.WC-Co硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的一種無損傷分析方法［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（3）：24-27.

［3]黎明發(fā)，張力，等.金剛石復(fù)合片的性能檢測(cè)及發(fā)展趨勢(shì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)信息與管理工程版，2007.29（6）：01-04.

［4]斤曾篤，周學(xué)軍，曹振駿.多晶金剛石復(fù)合材料的某些質(zhì)量問題［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，1991，5（3）：215-219.

［5]鄧福銘，陳小華，陳啟武.PDC材料在超高壓燒結(jié)中聚晶金剛石晶粒異常生長(zhǎng)及及其抑制機(jī)制的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（2）：5-9.