聚晶金剛石復(fù)合片脫鈷試驗的抗彎強度對比分析

趙 彬， 鄔浩天， 黃 凱， 王艷芝

(1．河南晶銳新材料股份有限公司， 河南 鄭州 451171；2．北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083； 3.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)是一種新型復(fù)合材料，是在高溫高壓條件下把粒度為微米級的金剛石顆粒與硬質(zhì)合金碳化鎢基體燒結(jié)而成。PDC既具有聚晶金剛石的高硬度和高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的可焊接性[1-3]。傳統(tǒng)上PDC主要應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石油天然氣煤炭開采等領(lǐng)域，近年來隨著PDC使用方法的不斷創(chuàng)新，使用領(lǐng)域的不斷拓展，PDC的需求量持續(xù)上升[4-8]。隨著PDC使用環(huán)境的多樣化和復(fù)雜化，對其各種性能指標(biāo)的要求越來越高。

目前國內(nèi)PDC產(chǎn)品的磨耗比、抗沖擊韌性與國外同類產(chǎn)品已十分接近，但在使用效果上仍有較大差距，導(dǎo)致售價差異較大。究其原因主要是國內(nèi)復(fù)合片的穩(wěn)定一致性不好，在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域表現(xiàn)更為明顯。去除鈷粘結(jié)相是提高PDC熱穩(wěn)定性的一個重要方法，因此市場上的PDC產(chǎn)品多為脫鈷產(chǎn)品。而抗彎強度是指材料抵抗彎曲不斷裂的能力，常被用來作為評判材料韌性的一個重要指標(biāo)[9]。本文對未脫鈷和脫鈷的PDC產(chǎn)品進(jìn)行抗彎強度的研究，探討鈷含量對抗彎強度的影響，這對于PDC在工作中提高韌性、減少崩片、提高產(chǎn)品整體穩(wěn)定性、延長使用壽命均具重要指導(dǎo)意義。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

聚晶金剛石復(fù)合片選用河南晶銳新材料股份有限公司生產(chǎn)的E系列和R系列未脫鈷的1613型產(chǎn)品，它們是兩種針對不同地質(zhì)條件的石油復(fù)合片。從E系列和R系列產(chǎn)品中分別取2個樣品(試樣號為E1，E2，R1，R2)，其中E2，R2用于脫鈷試驗。試驗中用到的主要儀器設(shè)備見表1。

1.2 試驗方法

把試樣E2，R2放到脫鈷設(shè)備ETCo-02中進(jìn)行脫鈷，脫鈷試劑選用王水，E2脫鈷試驗的溫度為230 ℃，時間為180 h；R2脫鈷試驗的溫度為230 ℃,時間為480 h。脫鈷試驗結(jié)束后用無損脫鈷深度檢測儀檢測樣品的脫鈷深度，測得E2的脫鈷深度是150～200 μm，R2的脫鈷深度是530～550 μm。用激光切割機把試樣加工成尺寸為14 mm×7 mm×2 mm的長條狀PDC復(fù)合層，如圖1所示，分別采用電子萬能試驗機對其進(jìn)行三點抗彎測試，對金剛石面進(jìn)行施壓，其中試驗加載速率為0.5 mm/min，觀察力的變化及增大幅度。

表1 試驗主要用到的儀器設(shè)備

圖1 PDC復(fù)合層

1.3 抗彎強度計算

三點抗彎強度是把條形樣品橫放在支架上，用壓頭從上往下施加載荷，然后根據(jù)樣品斷裂時的應(yīng)力值計算抗彎強度。抗彎強度計算式為[10]：

(1)

式中：M為斷裂負(fù)荷P所產(chǎn)生的最大彎距，Z為樣品斷裂模數(shù)。

對于矩形截面的樣品，有：

(2)

(3)

式中：P為樣品斷裂時的負(fù)荷值，N；L為支架兩支點間的跨距，m；b為樣品橫截面寬，m；h為樣品高度，m。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗彎強度

三點抗彎強度的載荷-位移曲線如圖2所示。

(a) 試樣E1 (b) 試樣E2

(c) 試樣R1 (d) 試樣R2

由圖2可知，試樣E1，E2，R1，R2分別在位移1.62 mm、1.52 mm、1.68 mm、1.39 mm處斷裂，所有樣品抗彎強度試驗的載荷-位移曲線基本上都呈線性。對不脫鈷試樣E1和R1所施加的力及其位移是比較規(guī)則的，這是因為粘結(jié)劑鈷(Co)在PDC復(fù)合層中分布的比較均勻；脫鈷試樣E2和R2的載荷-位移曲線則有所不同，中間有一小段平滑但有下降趨勢的曲線，因為脫鈷的過程是從復(fù)合層的金剛石表面向內(nèi)部去除鈷的，在脫鈷深度范圍內(nèi)去除部分鈷，脫鈷未達(dá)到的地方鈷含量不變，這樣就會導(dǎo)致脫鈷區(qū)域含鈷量低，其他區(qū)域含鈷量處于正常范圍內(nèi)。金剛石韌性極差，高溫高壓合成PDC后，硬質(zhì)合金中的Co擴(kuò)散到金剛石層，提高了金剛石層的韌性，但脫鈷后金剛石層Co含量降低，韌性隨之變差，和硬質(zhì)合金層韌性相差較大，故金剛石受到載荷作用時先出現(xiàn)裂紋，但此時硬質(zhì)合金層對載荷還在可承受范圍內(nèi)，直到加大載荷達(dá)到其極限，最終復(fù)合層整體斷裂，因此脫鈷樣品的載荷-位移曲線在完全斷裂前會有略微下降的趨勢。

根據(jù)三點抗彎強度公式進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 抗彎強度測試結(jié)果

由表2可以看出，E系列試樣不脫鈷、脫鈷的抗彎強度分別為1 033 MPa和839 MPa，R系列試樣分別為1 262 MPa和956 MPa。其中E系列試樣降低18%左右，R系列試樣降低了24%左右。從這兩個系列產(chǎn)品脫鈷前后的抗彎強度可知，同種產(chǎn)品脫鈷后抗彎強度均有明顯降低，說明脫鈷后復(fù)合層中的Co含量降低導(dǎo)致其抗彎強度下降。

2.2 試樣斷裂后的XRD分析

在進(jìn)行抗彎強度試驗后，用X射線衍射儀對試樣的金剛石斷裂部位進(jìn)行XRD分析測試，結(jié)果如圖3所示。

(a) 試樣E1 (b) 試樣E2

(c) 試樣R1 (d) 試樣R2圖3 4種試樣斷裂面的XRD圖譜

由圖3可以看出，不脫鈷試樣的復(fù)合層中均有金剛石、Co相存在，說明在硬質(zhì)合金基體上高溫高壓合成PDC的過程中，硬質(zhì)合金中的Co原子向金剛石方向擴(kuò)散，在界面處與金剛石原子相互作用，溶解金剛石表面的C原子，同時促進(jìn)了金剛石顆粒的相對滑動，使金剛石顆粒重排并更加致密，并在冷卻過程中析出，促使金剛石晶界生長，與周圍金剛石晶粒形成連晶，即D-D鍵。Co在金剛石層中起到了粘結(jié)劑的作用，使金剛石之間的結(jié)合更加牢固。從表2也可以看出，E系列和R系列產(chǎn)品脫鈷后的抗彎強度均有明顯的降低，因此認(rèn)為Co相的存在會使復(fù)合層的抗彎強度增強。

試樣E1的金剛石層中有WC相，這是因為在高溫高壓合成PDC的過程中，硬質(zhì)合金基體中的WC溶解在Co液中，并隨之?dāng)U散到金剛石層，冷卻時在Co相的邊界或缺陷處析出。王水具有強腐蝕性，脫鈷過程中不但能去除金剛石層中金屬粘結(jié)相Co，還可腐蝕WC相。從圖3可以看出，脫鈷后Co相已探測不到，金剛石相的強度較未脫鈷的明顯增強。R系列產(chǎn)品未檢測到WC，可能是金剛石層中WC較少，未達(dá)到XRD探測精度的原因。WC硬度和金剛石相近，但韌性差，容易開裂形成裂紋，所以E1復(fù)合層的抗彎強度比R1的低。

2.3 試樣斷裂后的SEM分析

對試樣斷裂后的金剛石面進(jìn)行掃描電鏡分析，可得圖4所示試樣斷裂面的SEM圖。

(a) 試樣E1 (b) 試樣E2

(c) 試樣R1 (d) 試樣R2圖4 4種試樣斷裂面的SEM圖

從圖4可以看出，兩個系列產(chǎn)品的PDC均形成了金剛石-金剛石結(jié)合。從不脫鈷和脫鈷試樣的SEM對比圖可以看出，脫鈷后的金剛石層存在更為明顯的空洞(粘結(jié)劑存在處)，這是金屬粘結(jié)相Co被移除后留下的；復(fù)合層中的金剛石和殘余金屬塑性降低、脆性增高，由此導(dǎo)致抗彎強度下降。

由表2可知，脫鈷后，E系列試樣和R系列試樣的抗彎強度分別降低了大約18%、24%。R系列試樣脫鈷后抗彎強度降幅更大，是因為試樣R2的脫鈷深度約為試樣E2的3倍。一方面，E2從表面向內(nèi)部150～200 μm范圍內(nèi)有脫鈷留下的空洞，R2從表面向內(nèi)部530～550 μm范圍內(nèi)有空洞；另一方面，R2脫鈷時間比E2長很多，隨著脫鈷時間的延長，金屬粘結(jié)劑Co在相同深度范圍內(nèi)的去除量也會增加，這都導(dǎo)致R系列復(fù)合片復(fù)合層中Co含量更低，因此圖4(d)中的空洞更加明顯。復(fù)合層的金剛石層中大部分都是金剛石相，粘結(jié)相Co含量的大幅度降低，會導(dǎo)致復(fù)合層的脆性增強和韌性降低，因此，脫鈷后R系列樣品抗彎強度降幅更大。

由此可見，隨著脫鈷深度的增加，Co含量的進(jìn)一步降低，復(fù)合層的韌性和抗彎強度的大幅度下降，工作時崩片的可能性會增加，降低使用壽命，因此開展設(shè)計工作時要綜合考慮，平衡好PDC各種性能間的關(guān)系。

3 結(jié) 論

通過三點抗彎強度實驗發(fā)現(xiàn)，脫鈷試樣的載荷-位移曲線在完全斷裂前有略微下降的趨勢，這是因為脫鈷后PDC金剛石層中Co含量降低，韌性變差，受到載荷作用時首先出現(xiàn)裂紋。

脫鈷后，E系列和R系列樣品的抗彎強度均有明顯降低，說明PDC金剛石層中Co相的存在有助于提高復(fù)合層的抗彎強度。

試樣R2的脫鈷深度約是試樣E2的3倍，脫鈷后E系列樣品的抗彎強度降低18%左右，R系列樣品則降低了24%左右，說明脫鈷深度的增加會使PDC復(fù)合層的抗彎強度降幅增大。