大直徑聚晶金剛石復(fù)合片的合成及表征①①

李思成,方海江

(河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司,河南鄭州450016)

大直徑聚晶金剛石復(fù)合片的合成及表征①①

李思成,方海江

(河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司,河南鄭州450016)

利用國產(chǎn)六面頂壓機(jī),合成出了直徑為51mm的國內(nèi)最大的聚晶金剛石復(fù)合片。超聲波微成像分析表明,樣品無大批量分層、裂紋、金剛石厚度不均等缺陷。切削試驗(yàn)顯示,在切削硬質(zhì)合金時(shí),樣品與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)。

大直徑;聚晶金剛石復(fù)合片;超聲波微成像;切削試驗(yàn)

1 引言

金剛石作為自然界已知最硬的材料,在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。1973年美國G.E公司成功地研制出聚晶金剛石復(fù)合片Compax,引起了世界各國的廣泛關(guān)注[1-2]。聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline diamond compacts,簡稱PDC)是以金剛石微粒與硬質(zhì)合金基體在高溫高壓下燒結(jié)而成的,它避免了單晶的各向異性,克服了單晶金剛石受沖擊易解理破損的缺陷,并具有硬質(zhì)合金的韌性和易加工的特性。因此PDC在有色金屬切削加工、木材加工等方面得到廣泛的應(yīng)用[3-5]。

如今切削刀具用金剛石復(fù)合片正朝著規(guī)格尺寸大型化,質(zhì)量優(yōu)化,性能均勻化,形狀結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展[6]。美國的DI公司和英國的元素六公司在該類產(chǎn)品上代表了世界先進(jìn)水平,他們采用兩面頂技術(shù)可以生產(chǎn)Ф51mm、Ф58mm和Ф74mm的大直徑PDC復(fù)合片。近期,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)采用六面頂壓機(jī)生產(chǎn)大直徑PDC復(fù)合片,并且取得了可喜的成績。其中,黃河旋風(fēng)為Ф42mm,中南鉆石為Ф45mm。我公司采用獨(dú)特的六面頂技術(shù)成功合成出直徑為Ф51mm的超大直徑聚晶金剛石復(fù)合片,并進(jìn)行了一系列的性能檢測,取得了較好的結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)采用CS-XII(HD)型國產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī),利用旁熱式組裝加熱,整體組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。將高純金剛石微粉(粒度25um)按圖1組裝好,在一定的壓力和溫度下保溫20分鐘后,先緩慢降至室溫后再緩慢卸至常壓。取出樣品,依次進(jìn)行噴砂、磨外圓、電火花、拋光等加工。樣品最終尺寸為直徑≥51mm,總厚度2.0mm,其中金剛石層厚度0.5mm (如圖2所示),之后對樣品進(jìn)行超聲波無損探傷、超聲波測量厚度以及切削試驗(yàn)等檢測。

2.2 樣品表征

2.2.1 聲波無損探傷

由于金剛石、鈷以及硬質(zhì)合金三者的熱膨脹系數(shù)相差很大,PDC在高壓下燒結(jié)完成后的卸壓冷卻過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低PDC的強(qiáng)度,甚至在PDC內(nèi)部出現(xiàn)分層和裂紋等缺陷,從而導(dǎo)致PDC失效[7-9]。對于內(nèi)部的缺陷,常規(guī)方法很難檢測,目前國外檢測PDC內(nèi)部質(zhì)量主要采用超聲波無損檢測方法[10]。

圖1 組裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The assembly structure diagram

圖2 未拋光的金剛石復(fù)合片F(xiàn)ig.2 Unpolished PDC

四方達(dá)采購了目前世界上最新的超聲波掃描設(shè)備C-SAM(Scanning Acoustic Microscope),該設(shè)備運(yùn)用超聲波微成像(Acoustic Micro Imaging)技術(shù),可以精確地檢測出20nm厚度的分層,配備特殊軟件,還可以測量PDC中金剛石層的厚度分布情況。

圖3 PDC的超聲波無損檢測圖像Fig.3 PDC Ultrasonic nondestructive testing images

圖3是具有代表性的三張超聲波檢測圖像,左圖是正常無缺陷的情況,中間的是邊緣分層的情況,圖中的亮環(huán)處即為分層的位置,右圖是內(nèi)部有裂紋的情況,圖中的黑色條紋處即為裂紋的位置。通過實(shí)驗(yàn)和試產(chǎn)發(fā)現(xiàn),并未批量出現(xiàn)圖中的分層和裂紋等現(xiàn)象。

2.2.2 超聲波測量厚度

為了避免在加工和運(yùn)輸過程中出現(xiàn)PCD掉邊現(xiàn)象,大直徑PDC邊緣的金剛石層一般都不外露,這樣的處理方法給測量金剛石層的厚度帶來了一定的難度,一般的光學(xué)測量方法已不再適用,只能采用超聲波無損檢測的方法。

傳統(tǒng)的便攜式超聲波設(shè)備只能用A掃描模式對樣品進(jìn)行單點(diǎn)式的厚度測量,而C-SAM可以用C掃描模式加上特殊的軟件對樣品進(jìn)行面掃描,從而得出樣品整體的厚度分布情況。

圖4是利用C-SAM得出的PDC的金剛石層厚度分布圖,圖中右側(cè)不同色條代表不同的厚度,左側(cè)則是相應(yīng)厚度的分布情況。對應(yīng)右側(cè)色條的讀數(shù)能夠看出,該樣品的厚度范圍在0.45～0.60mm之間,圖中僅有三種顏色,黑色代表0.45～0.50mm厚度,灰色代表0.50～0.55mm厚度,白色代表0.55～0. 60mm厚度。圖中灰色區(qū)域占絕大部分,這說明該樣品PCD層的厚度絕大部分為0.50mm,金剛石層無明顯厚薄不均的現(xiàn)象。

圖4 PDC的金剛石層厚度分布圖Fig.4 Thickness distribution diagram of PDC diamond layer

2.2.3 切削試驗(yàn)

將粒度為25μm的四方達(dá)PDC刀坯A和國外某著名廠商的PDC刀坯B各取2粒制成T80/4.3型刀片,將刀片裝夾在MWLNR2020-K08刀桿上之后,在CAK6185型數(shù)控車床上進(jìn)行切削硬質(zhì)合金的試驗(yàn),切削液進(jìn)行冷卻。被切削材料原始尺寸為Ф7.933×6.43mm,表1是被切削材料的性能參數(shù),圖5是被切削材料經(jīng)試驗(yàn)后的尺寸。

表1 被切削材料的參數(shù)Table 1 Parameter of workpiece

圖5 被切削材料的尺寸圖Fig.5 Dimension figure of workpiece

根據(jù)被切削材料的粗糙度和尺寸精度來判斷刀片是否失效。記錄每個(gè)刀片最多能加工的合金數(shù)量,然后測量刀片的后刀面形貌及磨損量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2

表2 切削試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of cutting test

從試驗(yàn)情況看,我公司刀片的使用壽命及后刀面的磨損情況均與國外的持平。

圖6 刀片方向的區(qū)分及其裝夾后的實(shí)物圖Fig.6 Direction discrimination and real product photo of PDC after assembling.

3 結(jié)論

利用國產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī),合成出了直徑為Ф51mm的國內(nèi)最大的聚晶金剛石復(fù)合片。超聲波微成像分析表明,樣品無大批量分層、裂紋、金剛石厚度嚴(yán)重不均等缺陷。切削試驗(yàn)顯示,在切削硬質(zhì)合金時(shí),無論在使用壽命上還是在后刀面磨損上,我公司樣品均與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)。

[1] Minyoung Lee.Polycrystalline diamond and cemented carbide substrate and synthesizing process therefore[P].USP4,380,471.

[2] Tetsuji O,Hirokazu K.Cost reduction of polycrystalline diamond compact bits through improved durability[J].Geothermics,2002,31:245-262.

[3] Cook M W.Wear-resisting properties and application examples of PCD[J].Industrial Diamond Review,1996(4):107-111.

[4] Gittel H J.Cutting tool materials for high performance machining[J].Industrial Diamond Review,2001(1):17-21.

[5] Clark I E,Bex P A.The Use of PCD for Petroleum and Mining Drilling[J].Industrial Diamond Review,1999(1):43-49.

[6] 劉進(jìn),胡娟,李丹,等.金剛石聚晶的性能特征及應(yīng)用[J].工具技術(shù),2006,40(7):8-11.

[7] Lin T P,Michael Hood.Residual stress in polycrystalline diamond compacts[J].J Am Ceram Soc,1994,77(6):1562-1568.

[8] 徐國平,尹志民,陳啟武.聚晶金剛石復(fù)合片殘余應(yīng)力的檢測方法[J].金剛石與磨料磨具工程,2007,158(2):30-33.

[9] LIN T P.Material characterization of polycrystalline diamond compacts(PDC)[D].Berkeley:University of California,1992: 71-87.

[10] 趙大鋼.PDC的超聲檢測[J].金剛石與磨料磨具工程,2004 (4): 68-71.

Synthesis and Characterization of Large Diameter Polycrystalline Diamond Compact

LI Si-cheng,FANG Hai-jiang
(Henan Sifang Diamond Co.,Ltd,Zhengzhou,Henan 450016)

The largest polycrystalline diamond compact in China which is of a diameter of 51mm has been synthesized by domestic cubic press.Scanning Acoustic Microscope (SAM)analysis shows that there is no any defect such as delamination,cracks or uneven thickness for the majority of the samples.Cutting test indicats that the cutting performance of the sample is similar to that of the same type of product abroad when cutting cemented carbide.

large diameter;polycrystalline diamond compact;acoustic micro imaging;cutting test

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0006-04

2015-01-12

李思成(1982-),男,碩士,主要從事超硬材料的研究和開發(fā)。Email:lisicheng_1982@163.com

鄭州市重大科技專項(xiàng):國際主流產(chǎn)品Ф50.8毫米刀具用聚晶金剛石復(fù)合片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目.項(xiàng)目編號:112PZDZX021

方海江(1968-),男,碩士,河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司董事長兼總經(jīng)理,主要從事超硬材料及制品的研究和開發(fā)。Email: fang@sf-diamond.com