真空凈化處理工藝參數(shù)對(duì)PDC耐磨性的影響

張 濤,盧燦華,劉俊濤,竇 明,朱 培

(豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264)

在聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)超高壓高溫合成中，金屬粘結(jié)劑的純度及金剛石原料的顆粒表面狀態(tài)將直接影響PDC性能尤其是PDC的耐磨性。因此在合成PDC前，對(duì)PDC復(fù)合體坯料用真空加熱方法進(jìn)行表面凈化處理可使金剛石表面吸附雜質(zhì)得到清除，使之具有高純度，增加其向外結(jié)合的反應(yīng)能力，然后再把這種處理過的坯料在高溫高壓下合成，可獲得具有高強(qiáng)度和高耐磨性的PDC。本文研究了真空凈化處理工藝中氫氣還原、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)不同粒度PDC耐磨性的影響，通過對(duì)不同真空工藝條件下生產(chǎn)的PDC進(jìn)行耐磨性測(cè)試與分析，得出了不同粒度的PDC復(fù)合體坯料試樣氫氣還原、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等最佳工藝參數(shù)，在此真空工藝條件下， PDC磨耗比數(shù)值最高。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

分別用粒度為2μm、5μm、10μm、25μm、35μm的金剛石微粉與金屬鈷粉按比例混合，將混合好的五種粒度的金剛石粉末分別倒入鉬杯內(nèi)，然后放入硬質(zhì)合金基體，并扣上鉬蓋，制備出五種粒度的PDC復(fù)合體坯料試樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

PDC復(fù)合體坯料試樣凈化處理在RVSB-335型真空燒結(jié)爐中按如下兩種氣氛條件進(jìn)行：在爐內(nèi)氣壓3×10-3Pa下進(jìn)行不同溫度和不同保溫時(shí)間的燒結(jié)；先在爐內(nèi)氣壓3×10-3Pa下在280℃保溫0.5h，然后充入爐內(nèi)壓力為8×104Pa的氫氣對(duì)PDC復(fù)合體坯料進(jìn)行2h還原，再抽真空至爐內(nèi)氣壓為3×10-3Pa以下，進(jìn)行不同溫度和不同保溫時(shí)間的燒結(jié)。最后再將兩種氣氛條件處理過的PDC復(fù)合體坯料試樣置于六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成。

對(duì)在不同工藝條件下凈化處理的PDC復(fù)合體坯料試樣，用美國(guó)力可公司生產(chǎn)的ON836型氧氮自動(dòng)分析儀測(cè)試粉末的氧含量；對(duì)在高溫高壓下合成的PDC樣品，用自制的磨耗比試驗(yàn)機(jī)測(cè)試磨耗比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真空條件下燒結(jié)工藝對(duì)PDC耐磨性的影響

由于合成PDC所用的金剛石為微粉級(jí)粉末，而且為破碎料，其表面不再光滑而呈粗糙不平狀態(tài)，因而其表面積很大，比表面能較高，表面吸附氣體等雜質(zhì)的能力非常強(qiáng)，金剛石粉末由于吸附氣體等雜質(zhì)而使其表面受到了污染，嚴(yán)重影響PDC中金剛石顆粒的結(jié)合強(qiáng)度，最終將降低PDC的耐磨性。實(shí)驗(yàn)表明[1]：真空處理是提高磨耗比的關(guān)鍵之一，真空處理前，金剛石表面存在的懸鍵吸附了大量的異原子，經(jīng)過高溫真空處理，金剛石表面和粘結(jié)劑表面吸附的異原子被泵抽出，凈化、活化了其表面，很容易使它們發(fā)生化學(xué)作用而提高復(fù)合片的磨耗比。

根據(jù)燒結(jié)溫度系數(shù)α=0.5～0.85和真空燒結(jié)可有效降低溫度的文獻(xiàn)報(bào)道[2]，本文首先確定在550℃的真空燒結(jié)溫度下，研究PDC復(fù)合體坯料試樣真空燒結(jié)時(shí)間對(duì)PDC耐磨性的影響，圖1為在550℃真空燒結(jié)的不同粒度PDC耐磨性與真空燒結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出，隨著真空燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，五種粒度的PDC磨耗比呈上升趨勢(shì)，當(dāng)真空燒結(jié)時(shí)間為1.5h時(shí)，35μm的 PDC磨耗比達(dá)到最大值28萬；當(dāng)真空燒結(jié)時(shí)間為2h時(shí)，25μm的 PDC磨耗比達(dá)到最大值26萬；當(dāng)真空燒結(jié)時(shí)間為2.5h時(shí)，10μm 的PDC磨耗比達(dá)到最大值24萬；當(dāng)真空燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)至3h時(shí)，5μm的 PDC磨耗比達(dá)到最大值22萬；當(dāng)真空燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)至3.5h時(shí)，2μm的 PDC磨耗比也達(dá)到最大值20萬，說明了在相同真空條件下，細(xì)粒度的PDC復(fù)合體坯料相比粗粒度的PDC復(fù)合體坯料需要更長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間。

圖1 PDC耐磨性與燒結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線Fig．1 Relationship curve between wear resistance of PDC and sintering time

在以下真空燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)中，以粒度為2μm、5μm、10μm、25μm、35μm的PDC復(fù)合體坯料分別對(duì)應(yīng)3.5h、3h、2.5h、2h、1.5h的燒結(jié)時(shí)間，研究不同的真空燒結(jié)溫度對(duì)PDC復(fù)合體坯料的氧含量及PDC耐磨性的影響。圖2為真空燒結(jié)溫度與PDC復(fù)合體坯料氧含量的關(guān)系曲線，圖3為真空燒結(jié)溫度與PDC耐磨性的關(guān)系曲線。由圖2和圖3可以看出，在實(shí)驗(yàn)所選的溫度范圍內(nèi)，隨著真空燒結(jié)溫度的升高，五種粒度的PDC復(fù)合體坯料的氧含量均呈下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯，而PDC磨耗比則呈上升趨勢(shì)，當(dāng)真空燒結(jié)溫度升到600℃時(shí)，粒度為35μm 的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量為300×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值32萬；當(dāng)真空燒結(jié)溫度升到650℃時(shí)，粒度為25μm 的復(fù)合體坯料試樣氧含量為320×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值30萬；當(dāng)真空燒結(jié)溫度升到700℃時(shí)，粒度為10μm 的復(fù)合體坯料試樣氧含量為350×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值28萬；當(dāng)真空燒結(jié)溫度升到750℃時(shí)，粒度為5μm 的復(fù)合體坯料試樣氧含量為370×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值25萬；當(dāng)真空燒結(jié)溫度升到800℃時(shí)，粒度為2μm 的復(fù)合體坯料試樣氧含量為390×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值23萬，這些均說明了在相同真空條件下，細(xì)粒度的PDC 復(fù)合體壞料相比粗粒度的PDC 復(fù)合體坯料需要更高的燒結(jié)溫度，對(duì)于粗粒度的PDC 復(fù)合體坯合成的PDC來說，用低溫短時(shí)間工藝，起到了凈化原料粉末表面的作用；而對(duì)用較細(xì)顆粒的PDC復(fù)合體坯料合成的 PDC 而言，使用高溫長(zhǎng)時(shí)間工藝明顯提高了PDC的耐磨性。這說明隨著金剛石粒度的細(xì)化，其表面積急劇增大，金剛石表面活性增強(qiáng)，其表面吸附氣體雜質(zhì)的能力相應(yīng)增強(qiáng)，用低溫短時(shí)間工藝進(jìn)行凈化處理，無法充分凈化金剛石顆粒表面，降低了PDC的耐磨性，使用長(zhǎng)時(shí)間工藝，由于其處理溫度更高，處理時(shí)間更長(zhǎng)，金剛石顆粒表面得到了充分“活化”，金剛石顆粒表面活性增加，在合適的合成溫度壓力條件下，金剛石顆粒間結(jié)合強(qiáng)度得到加強(qiáng)，減少了PDC抗磨過程中金剛石顆粒的非磨耗脫落，提高了PDC的耐磨性。

圖2 氧含量與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線Fig．2 Relationship curve between oxygen content and sintering temperature

圖3 PDC磨耗比與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線Fig．3 Relationship curve between PDC wear ratio and sintering temperature

2.2 還原氣氛下對(duì)PDC耐磨性的影響

在PDC復(fù)合片燒結(jié)過程中,鈷粉作為粘結(jié)劑起著填充金剛石顆粒間的縫隙和催化金剛石顆粒間直接成鍵的作用[3]。在PDC生產(chǎn)過程中，由于金屬鈷粉粒度很細(xì)，表面活性很大，尤其是當(dāng)空氣中溫度較高時(shí)，極易被空氣中的氧所氧化，形成氧化物，致使其表面活性下降?？梢灶A(yù)計(jì)，如在PDC合成前，用氫氣在一定的溫度下對(duì)PDC復(fù)合體坯料試樣進(jìn)行還原處理，去除鈷粉顆粒表面的一些氧化膜(氧化鈷)，定能提高PDC的耐磨性能 。資料表明[4]：氧化鈷一般在200℃左右時(shí)開始被氫氣還原，隨著溫度的升高，還原反應(yīng)的速度加快。但如果溫度過高，由于顆粒間相互燒結(jié)，會(huì)使鈷顆粒長(zhǎng)大；而還原溫度過低，則反應(yīng)速度減慢，還原不充分，又會(huì)使鈷粉氧含量增高，所以要選擇適當(dāng)?shù)倪€原溫度。

圖4和圖5是粒度為2μm、5μm、10μm、25μm、35μ的PDC復(fù)合體坯料試樣進(jìn)行不同溫度的氫氣還原處理2h后，分別對(duì)應(yīng)在800℃燒結(jié)3.5h、750℃燒結(jié)3h、700℃燒結(jié)2.5h、650℃燒結(jié)2.0h、600℃燒結(jié)1.5h后PDC復(fù)合體坯料粉末氧含量及其合成后PDC的磨耗比?？梢钥闯觯趯?shí)驗(yàn)所選的溫度范圍內(nèi)，隨著還原溫度升高，五種粒度的PDC復(fù)合體坯料氧含量均呈下降趨勢(shì)，而PDC磨耗比則呈上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度升到570℃時(shí)，35μm的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量60×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值37萬，當(dāng)溫度升到590℃時(shí)，25μm的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量為80×10-6， PDC磨耗比達(dá)到最大值35萬，當(dāng)溫度升到610℃時(shí)，10μm的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量為100×10-6， PDC磨耗比達(dá)到最大值33萬，當(dāng)溫度升到630℃時(shí)，5μm的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量為120×10-6，PDC磨耗比達(dá)到最大值30萬，當(dāng)溫度升到650℃時(shí)，2μm的PDC復(fù)合體坯料試樣氧含量為140×10-6， PDC磨耗比達(dá)到最大值28萬。這都說明了相同的還原時(shí)間，不同粒度的PDC復(fù)合體坯料試樣的還原溫度也有不同，當(dāng)還原溫度過低時(shí)，Co2O3+H2=2Co+2H2O的反應(yīng)進(jìn)行緩慢；當(dāng)還原溫度過高時(shí)，鈷粉表層的Co2O3膜被還原成Co后，相互燒結(jié)在一起，阻礙了氫氣進(jìn)入和對(duì)試樣內(nèi)部Co2O3的還原，同時(shí)也阻止了還原產(chǎn)生的H2O的排出。

圖4 氧含量與氫氣還原溫度的關(guān)系曲線Fig．4 Relationship curve between oxygen content and hydrogen reduction temperature

圖5 氫氣還原溫度對(duì)PDC磨耗比的影響Fig．5 Effect of hydrogen reduction temperature on wear ratio of PDC

與圖2中氧含量和圖3中磨耗比相比，粒度為2μm的PDC復(fù)合體坯料試樣經(jīng)氫氣還原后再進(jìn)行真空燒結(jié)，粉末氧含量由原來的390 ×10-6下降到140 ×10-6，下降了64%，PDC磨耗比由原來的23萬提高到28萬，提高了近22%；粒度為5μm的PDC復(fù)合體坯料試樣經(jīng)氫氣還原后再進(jìn)行真空燒結(jié)，粉末氧含量由原來的370 ×10-6下降到120 ×10-6，下降了67.5%， PDC磨耗比由原來的25萬提高到30萬，提高了20%；粒度為10μm的PDC復(fù)合體坯料試樣經(jīng)氫氣還原后再進(jìn)行真空燒結(jié)，粉末氧含量由原來的350 ×10-6下降到100 ×10-6，下降了71.4%， PDC磨耗比由原來的28萬提高到33萬，提高了近18%；粒度為25μm的PDC復(fù)合體坯料試樣經(jīng)氫氣還原后再進(jìn)行真空燒結(jié)，粉末氧含量由原來的320 ×10-6下降到80 ×10-6，下降了75%， PDC磨耗比由原來的30萬提高到35萬，提高了近17%；粒度為35μm的PDC復(fù)合體坯料試樣經(jīng)氫氣還原后再進(jìn)行真空燒結(jié)，粉末氧含量由原來的300 ×10-6下降到60 ×10-6，下降了80%，PDC磨耗比由原來的32萬提高到37萬，提高了近16%。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)氫氣還原氣氛下真空凈化處理工藝的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)金屬粘結(jié)劑氧含量越小，真空還原效果越顯著；金剛石原料粒度越細(xì)所需真空燒結(jié)的溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，合成出的PDC耐磨性也就越高。

(2)試驗(yàn)得出了2μm、5μm、10μm、25μm、35μm五種粒度的PDC復(fù)合體坯料試樣最佳真空燒結(jié)工藝分別為650℃×2.0h氫氣還原后真空中800℃燒結(jié)3.5h、630℃×2h氫氣還原后真空中750℃燒結(jié)3h、610℃×2.0h氫氣還原后真空中700℃燒結(jié)2.5h、590℃×2h氫氣還原后真空中650℃燒結(jié)2h、570℃×2h氫氣還原后真空中600℃燒結(jié)1.5h，在此工藝條件下， PDC磨耗比數(shù)值最高。