陜北氣井油井金剛石復合片深圳海明潤PDC復合片

裂紋產生之分析
在金剛石復合片合成試驗中發現導致其成品率不高的主要原因是硬質合金的碎裂。將金剛石復合片切開后發現有的裂紋僅僅存在于硬質合金層與金剛石層界面處的硬質合金中 ,如圖 4 所示?？梢酝茢?,致使硬質合金碎裂的裂紋產生于硬質合金層與金剛石層界面處 ,裂紋在硬質合金一側中產生。
裂紋的產生主要取決于以下過程和因素:
金剛石復合片的合成過程是一個先加壓后加熱的過程 ,當合成壓力達到一定值后 ,通入電流 ,使石墨模具發熱加溫。隨著溫度逐漸升高 ,粉料開始燒結 ,粉料在壓力、溫度的共同作用下 ,產生塑性變形 , 粘結劑中的低熔點組分熔融為液相 ,硬質合金中的鈷也逐漸液化;液相相互擴散、滲入固體粉料顆粒形成的間隙中 ,在實現致密化過程中釘扎在硬質合金及金剛石固態骨架中。對硬質合金而言 ,其受到外加壓力作用而收縮、受熱應力作用而膨脹 ;對金剛石層而言 ,由于熔融組分滲入固體粉料顆粒形成的間隙中 ,其受到外加壓力、熱應力作用而收縮 ; 使得金剛石層與硬質合金在燒結時收縮不同步 ,金剛石層收縮量大 ,因而靠近石墨加熱模具的粉料較早就牢固地結合在硬質合金上 ,因此硬質合金由于金剛石層的牽拉 ,受到壓應力。
當停止加熱 ,從高溫冷卻到低溫時 ,由于金剛石復合片由不同材料組成 ,各種材料的熱膨脹系數相差比較大[ 金剛石為(1～4) ×10 - 6 K- 1 ,硬質合金為514 ×10 - 6 K- 1 ] ,因而金剛石復合片中的金剛石層與硬質合金收縮也不同步 ,即金剛石層的收縮量小于硬質合金層的收縮量。此時金剛石復合片的內部產生了應力 ,形成殘余應力 ,對金剛石復合片的性能有重要影響[3 ] 。對硬質合金層而言 ,這種殘余應力是一種拉應力。
在金剛石復合片的燒結溫度下,硬質合金中有液相生成。液相在毛細管力的作用下將向金剛石層擴散、滲透 ,在冷卻時由于液相多、原子運動阻力小而容易在平衡位置凝固下來,結果是硬質合金中鈷含量下降,使硬質合金脆化,變得易碎裂。圖 5 、圖 6 分別是鈷、鎢滲透到金剛石層的分布狀態圖。圖 7 所示的是在剖開的金剛石復合片中硬質合金層與金剛石層界面上用掃描電鏡觀察到的熔融合金凝固的痕跡。

過渡層中含有高熔點物質 CBN 時 ,在合成溫度
及壓力下其僅產生“塑性變形”,無法熔融 ,其形狀基本得以保持 ,使硬質合金與金剛石層之間存在確定的過渡層 ,這個過渡層起到了阻滯鎢、鈷從硬質合金過度向金剛石的滲透的作用 ,防止了硬質合金的脆化。同時 , 由于 CBN 的熱膨脹系數介于硬質合金和金剛石之間 , 過渡層緩沖了硬質合金與金剛石層之間由于膨脹、收縮不同步引起的應力的作用減小了金剛石復合片內部的殘余應力 ,有利于防止金剛石復合片內部裂紋的產生與擴展。
綜上所述 ,在金剛石復合片的合成過程中 ,硬質合金因鎢、鈷的流失而脆化 ,其抗壓、抗彎強度減小 , 在來自金剛石層的壓應力和拉應力的作用下 ,其緊靠金剛石層的一側產生微裂紋并擴展 ,終導致金剛石復合片的開裂。使用綜合性能較好的 CBN 混合料作過渡層 ,能夠緩沖硬質合金與金剛石層之間由于膨脹、收縮不同步引起的應力的作用 ,減小了金剛石復合片內部的殘余應力 ,有效地降低了微裂紋的產生和擴展 ,達到了提高金剛石復合片性能和成品率的研究目的。
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