减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径

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金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响

金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响

金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响徐国平;陈启武;尹志民;徐根【摘要】通过X射线应力测试和有限元分析相结合的方法,研究了金刚石层厚度对聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的影响,并根据实验测试结果推导出了PDC表面中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式.随着金刚石层厚度由0.5mm增加到2.0mm,PDC表面中心的压应力从1800MPa下降至700MPa左右,而边缘部分的应力逐渐由压应力转为拉应力.金刚石层加厚虽然对边缘部分的最大拉应力影响不大,但使PDC边缘拉应力区宽度由0.76mm增加到了2.85mm.金刚石层厚度的增加还使得PDC边缘界面附近y方向的最大拉应力和位于界面边缘处的最大剪应力显著加大,这是金刚石层较厚的PDC界面容易产生裂纹的主要原因.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2009(023)001【总页数】7页(P24-30)【关键词】金刚石层厚度;聚晶金刚石复合片(PDC);残余应力【作者】徐国平;陈启武;尹志民;徐根【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;长沙矿冶研究院,湖南长沙,410012;长沙矿冶研究院,湖南长沙,410012;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TQ164.91 引言聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC) 进入市场30年来,对世界范围内的石油、天然气钻井行业产生了重大的影响。

采用PDC作为切削齿的钻头与硬质合金牙轮钻头相比,使用寿命长,钻进速度(ROP)快。

而且结构简单,没有活动部件,在很大程度上降低了钻井成本,提高了效率,还从结构上消除了事故隐患。

在地层相同的情况下,PDC钻头与牙轮钻头相比,机械钻速可以提高 33%~100%,成本可以降低 30%~50%,单只进尺可增加 3~4倍[1]。

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素
(C 与硬 质合金 层厚度 比以及 P C 压制 过程 中烧结 温度 的波动对 聚 晶金 刚石 复合 片残余热应 力 P D) D
的影 响 ,在 A S N YS中建立 P C模 型 ,运 用 热一 D 结耦合 法分析 P DC的残余 热应 力。计 算表 明,随 着 P D 层与硬质 合金 层厚度 比 由 00 7 加到 03 3 C C . 增 6 . ,P D层表 面 中心的压应 力 由 1 1G a降低 3 . P 6 到 3 0MP ,P D层最 大径 向压 应 力 由 1 1G a降低 1 3GP 8 a C . P 6 . a左右 , 而 P D层 边缘 靠近界 面附 0 C 近 最大轴 向拉应 力逐渐 增 大;随 着 P DC压制 过程 中烧结 温度 由 1 0 0℃升 高到 1 0 0 0℃,P D 层 5 C
o l r s a ln i m o o pa t fpo yc y t li e d a nd c m c
LUO e , D ZH AN G i LI ig aZ S N Jng , n f U Zhe y L M n a, Du n a
(.c o lf c a i l n l t nc n ier g Wua nvri ehoo y Wua 30 0 C i ; 1Sh o Meh nc dEe r iE gnei , h nU i syo c n lg , h n4 0 7 , hn o aa co n e t fT a
的最 大径 向压应 力 、最 大轴向拉应 力以及 最大剪应 力等 均逐渐 增 大。认 为 ,在 研 究 P C合 成新 工 D 艺过程 中 ,应在保 证 P C使 用 寿命 的前提 下尽量 降低 P D 层 与硬质 合金层 厚度 比; 必须尽量 切 D C

金刚石复合片_PDC_表面残余应力的XRD研究_徐国平

金刚石复合片_PDC_表面残余应力的XRD研究_徐国平

第28卷第1期2010年2月粉末冶金技术Powder M e tallurgy T echnologyV o l 128,N o 11F eb 12010金刚石复合片(PDC)表面残余应力的XRD 研究*徐国平1),2)**尹志民1) 陈启武2) 徐根1)1)(中南大学材料科学与工程学院,长沙 410083)2)(长沙矿冶研究院,长沙 410012)摘 要: 采用X 射线应力测定仪测试了金刚石复合片(PDC )表面从中心到边缘5个不同位置的残余应力,结果表明:金刚石层表面残余应力的性质为压应力,最大值在PDC 表面中心(达1270M Pa);从中心到边缘,应力的大小逐渐降低,靠近边缘处的压应力只有143M P a 。

为检验测试结果的准确性,对所测规格的PDC 作了有限元分析,测试结果与通过有限元分析计算出的应力分布趋势基本吻合。

对测试值与有限元分析计算值出现偏差的原因进行了分析并讨论了PDC 径向应力分布对PDC 性能的影响及改进措施。

关键词:金刚石复合片;残余应力;XRD;有限元分析Investi gati on of resi dual stress distri buti on on the surface of polycrystalli ne di a mond co mpact usi ng XRDXu G uop i n g 1),2),Y i n Zh i m in 1),Ch en Q i wu 2),Xu G en 1)1)(Schoo l ofM a teria l s Sc ience &Eng i neeri ng ,Central South U n i versity ,Chang sha 410083,Ch i na)2)(Chang sha R esea rch Instit ute o fM i n i ng andM e tall urgy ,Changsha 410012,Ch i na)Ab stract :The resi dua l stresses on the top surface o f the dia m ond layer o f PDC w ere m easured at five points a l ong t he rad ial d irec tion o f PDC usi ng X-ray D iffracti on R esi dua l S tress Instrument ,thus the stresses and their radial distributi on were obta i ned .T he resu lts show t hat t he stresses on t he dia m ond s ur face are compressive ,t he b i ggest stress appears at the central po i nt (about 1270M P a),and tha t fro m the center to t he edge o f PDC ,t he m agnitude o f the stress decreases ,the stress near t he edge is only 143M Pa .A fi n ite ele m ent analysis (FEA )o f the PDC tested i n the exper i m ent w as m ade to check the vali d it y of t he testi ng results .The FEA modeli ng res u lts a re f ound to corre late we ll w ith the m easured values .F actors lead i ng to the deviation be t w een XRD exper i m enta l m easurements and t he ca l culati ons o f resi dua l stress by FEA we re analyzed.A t t he sam e ti m e ,t he effect of t he distr i bution of the residual stress on the PDC pe rfor m ance and the relevant m easurem ents to i m prove t he stress d istri buti on w ere also ana l yzed .K ey w ords :po l yc rystalline d i amond ;resi dua l stress ;XRD;FEA*高校博士点基金项目(20070533113)**徐国平(1962-),男,高级工程师,博士研究生。

金刚石层厚度对复合片_PDC_残余应力的影响_徐国平

金刚石层厚度对复合片_PDC_残余应力的影响_徐国平

第23卷第1期高压物理学报V ol.23,No.1 2009年2月CHIN ESE JOU R NA L O F H IGH PRESSU RE P HY SICS Feb.,2009文章编号:1000-5773(2009)01-0024-07金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响*徐国平1,2,陈启武2,尹志民1,徐根1(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;2.长沙矿冶研究院,湖南长沙410012)摘要:通过X射线应力测试和有限元分析相结合的方法,研究了金刚石层厚度对聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的影响,并根据实验测试结果推导出了PDC表面中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式。

随着金刚石层厚度由015m m增加到210m m,PDC表面中心的压应力从1800MPa下降至700M Pa左右,而边缘部分的应力逐渐由压应力转为拉应力。

金刚石层加厚虽然对边缘部分的最大拉应力影响不大,但使PDC边缘拉应力区宽度由0176m m增加到了2185mm。

金刚石层厚度的增加还使得PDC边缘界面附近y方向的最大拉应力和位于界面边缘处的最大剪应力显著加大,这是金刚石层较厚的PDC界面容易产生裂纹的主要原因。

关键词:金刚石层厚度;聚晶金刚石复合片(PDC);残余应力中图分类号:TQ164.9文献标识码:A1引言聚晶金刚石复合片(Poly cry stalline Diam ond Co mpact,简称PDC)进入市场30年来,对世界范围内的石油、天然气钻井行业产生了重大的影响。

采用PDC作为切削齿的钻头与硬质合金牙轮钻头相比,使用寿命长,钻进速度(ROP)快。

而且结构简单,没有活动部件,在很大程度上降低了钻井成本,提高了效率,还从结构上消除了事故隐患。

在地层相同的情况下,PDC钻头与牙轮钻头相比,机械钻速可以提高33%~100%,成本可以降低30%~50%,单只进尺可增加3~4倍[1]。

梯度结构聚晶金刚石复合片残余热应力的有限元分析_曹品鲁

梯度结构聚晶金刚石复合片残余热应力的有限元分析_曹品鲁

图 3 双层结构金刚石 - 硬质合金复合片残余热应力分布图
由图 3 可知 ,对于双层结构金刚石 - 硬质合金 复合片 ,最大应力集中分布在界面两侧临近界面处 , 而离界面较远的地方应力相对较小 ,分布相对比较 均匀 。由于 PCD 的热膨胀系数一般小于硬质合金 , 因此在加热后的冷却过程中 ,硬质合金收缩得快 ,形 成拉应力 ,PCD 层形成压应力 。PCD 层径向压应力 的最大值位于复合片界面结合处 ( x = 0 mm) ,高达 11 71 GPa ,接近多晶金刚石的抗压强度 ( 11 9~61 9 GPa) 。硬质合金侧的径向最大应力位于界面结合 边缘处 ( x = 61 5 mm) ,值为 11 47 GPa ;轴向应力σy 的计算结果表明 ,最大拉应力位于界面边缘 x = 61 5 mm 处 ,该拉应力容易产生垂直于界面的龟裂裂纹 , 导致 PCD 层的碎裂或脱层 ;由图 3 (c) 可以看出 ,最 大残余 剪 应 力 位 于 层 间 界 面 的 边 缘 处 ( x = 61 5 mm) ,值为 653 M Pa ,该剪应力是导致 PDC 的整体 断裂及 PCD 层与硬质合金衬底之间脱层的主要原 因 ,这也是使用 PDC 钻头钻进过程中所遇到的最具
P =φ1 P1 +φ2 P2 式中 : P1 、P2 ———分别表示纯硬质合金和纯金刚石 的物性参数 ;φ1 、φ2 ———组分体积分数 ,φ1 +φ2 = 1 。
根据上式计算的各层物性参数如表 4 所示 。
52
探矿工程 (岩土钻掘工程) 2006 年第 3 期
表 3 梯度结构金刚石 - 硬质合金复合片各层成分及厚度
密度 / ( kg ·m - 3)
7370 8380 9396 10408
导热系数 (20 ℃) /〔W ·( m ·℃) - 1〕

聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的检测方法

聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的检测方法
它的原理是在处于原始应力场平衡的金属上钻孔以去除一部分具有应力的金属而使圆孑l附近部分金属内的应力得到松弛钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布并呈现新的应力平衡从而使圆孔附近的金属发生位移或应变通过附于金属件上的高灵敏度应变片测量钻孔后的应变量就可以计算原应力场的应力值
维普资讯
Ab t a t T e a to si t d c d t re me o sfrme s rn e r s u lsrs e oy rsal e d a o d c mp cswhc r , s r c h u h r nr u e e t d a u i gt e i a t s si p l c y tl n i o h h o h d e n i m n o a t ih a e
20 07年 4月
金 刚石与磨料磨具工程
Dimo d & Ab a i e gn e n a n r sv s En ie r g i
Ap l2 0 i r .0 7 S r . 5 No 2 5
第2 期
文章编号 : 0 8 2 ( 07 0 0 3 0 1 6— 5 X 2 0 )2— 00— 4 0
hn a o t t a b u mm T eh s n t t n c p bl y a d s a a s lt n o n r y ds rie X —r ys a tr go t e s n h or n r — l . ih p e ri a a i t p t lr ou i f e g ip s v h e ao i n i e o e e a c t i f h y c r t a en o d ai n e a ld d ti d t i e so a p i g o tan i e e t e da o d tb e,a e d a o d it n b e eal o e wo d m n i n lma pn fs i n t n i m n a l r h r i tt i h m n /W C i tr c ,a d ao n n e a e n u d f r h u d i t r u s ae h a g dv l me i c l u ae ob . 1 l h we e , a rme t t e o ti e da ee f e W C s b t t .T e g u e ou ac l td t e0 0 4 mi , o v r te me u e n y b n s m ot h r s l h s ma ei -

聚晶金刚石复合片的室温去钴工艺及耐磨性研究

聚晶金刚石复合片的室温去钴工艺及耐磨性研究

聚晶金刚石复合片的室温去钴工艺及耐磨性研究王彩利;刘慧苹;方海江【摘要】聚晶金刚石复合片(PDC)工作时,可能在内部残余钴元素的催化作用下,转化为石墨,导致复合片失效.提高PDC的性能,人们常使用强酸、强氧化剂去除PDC 中残余的催化剂.文章考察了一种脱钴工艺.经实验验证,该工艺在室温下具备较高的脱钴效率,且满足工业生产环保和健康要求.脱钴深度的测试表明,脱钴深度的增加满足由菲克扩散定律所要求的时间关系.磨削测试表明,产品耐磨性能的显著提升直接决定于脱钴深度,与具体的工艺关系不大.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2019(031)002【总页数】5页(P30-34)【关键词】脱钴;聚晶金刚石复合片;耐磨性【作者】王彩利;刘慧苹;方海江【作者单位】河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016;河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016;河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】TQ1641 引言聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,或PDC)是一种性能十分优异的复合超硬材料,它由微米级金刚石颗粒、烧结催化剂在高温高压条件下、在硬质合金沉底上烧结形成。

聚晶金刚石即保留了金刚石颗粒的高硬度,又具备与合金相比拟的可焊接性,在硬质材料加工、地质钻探、矿物开采、盾构施工、油气勘采等领域有着广泛的应用。

在PDC的烧结制备工艺中,烧结催化剂起着重要的作用。

常用的烧结粘结剂分为金属类和陶瓷类[1],金属类包括铁、钴、镍等元素或它们的合金,其中最常用的是钴元素[2]。

烧结催化剂与金刚石颗粒以粉末状态混合,在高温高压条件下,促使金刚石颗粒之间形成键合(D-D键)。

烧结制备的PDC产品,总体中包括相互键合的金刚石颗粒所形成的骨架、填隙在金刚石骨架中的少量烧结催化剂、以及从硬质合金衬底中渗透入金刚石骨架中的钨等元素。

聚晶金刚石复合片镜面加工工艺优化研究

聚晶金刚石复合片镜面加工工艺优化研究

聚晶金刚石复合片镜面加工工艺优化研究
面对 21 世纪的经济全球化和国际竞争日益激烈的情况下,聚晶金刚石复合片镜面加
工工艺在国际市场上扮演着非常重要的角色。

镜面加工工艺主要包括储存前处理、开槽成形、切割和研磨步骤。

为了提高聚晶金刚石复合片镜面加工工艺的质量,我们经过研究优
化了其中的技术参数、工艺流程,从而达到质量、稳定性和产量的最优化结果。

首先,针对储存前处理的要求,我们的工程师积极推进设备的改进,增大了前处理温
度范围,进一步提高了聚晶金刚石复合片的储存性能。

其次,为了提高抛光质量,我们的
技术人员在抛光原料选择方面也更加谨慎,确保所选用抛光原料的粒度、硬度等参数与聚
晶金刚石复合片之间能够形成最佳匹配,并且确保抛光机满足聚晶金刚石复合片抛光要求,有效提高抛光质量。

此外,据我们季度实测数据显示:增加抛光压力、减小抛光时间以及
采用复合砂轮、改变抛光剂,可有效减少聚晶金刚石复合片表面的微小凹槽和污渍,延长
产品的使用寿命。

同时,为了满足非精密度加工的需求,我们引入了金刚石复合片镜面表面大聚抛光工艺,采用核心分离、气流喷射等方法从复合片表面去除不同粒度金刚石分子,以便同时达
到表面洁净、光洁和平整的效果。

此外,在研究完复合片镜面的处理工艺后,我们考虑了
产品的安全性、保质性等因素,最终选定了强大的金刚石复合片镜面防腐蚀膜,彻底解决
了聚晶金刚石复合片镜面加工工艺的防腐蚀问题,进一步提升了产品的质量和使用寿命。

通过上述优化,我们有效提升了聚晶金刚石复合片镜面加工工艺的质量,达到了最优
性能要求,大大提高了工作效率和生产水平,帮助我们在国际市场上获得了更大的竞争优势。

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减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径张喆【摘要】聚晶金刚石复合片因具有硬度高、耐磨性佳、冲击韧性好等特性,广泛应用于难加工材料的切削加工、石油开采与地质勘探等多个领域。

然而由于金刚石与硬质合金的物理性能差异较大,冷却时易在界面处产生残余应力,从而导致聚晶金刚石层与硬质合金层脱离,这是聚晶金刚石复合片失效的主要原因。

因此,文章对近年来减少聚晶金刚石复合片内残余应力的各类途径进行归纳总结,并对其未来发展进行展望。

%Due to the characteristics of high hardness,wear resistance and impact tough-ness,polycrystalline diamond compacts are widely used in fields such as difficult-to-cut material machining,oilexploration,geological exploration etc.However,because of the huge difference of physical property between diamond and cemented carbide,residual stress is easily to be generated at the interfaces during cooling procedure.This tends to cause the delamination of polycrystalline diamond layer and cemented carbide layer,which is the main reason for failure of polycrystalline diamond compacts.This article will sum-marize different kinds of ways to decrease the residual stress in polycrystalline diamond compacts in recent years,and provide an outlook of its future development.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2016(028)005【总页数】5页(P49-53)【关键词】聚晶金刚石复合片;残余应力;脱层【作者】张喆【作者单位】桂林特邦新材料有限公司,广西桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】TQ164聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)又名聚晶金刚石-硬质合金复合片,是由金刚石微粉、硬质合金和粘结剂作为原材料在高温高压的条件下烧结而成的。

该复合晶体材料兼具金刚石与硬质合金的特性,既具有高硬度与耐磨性,也具有高冲击韧性与可加工性。

其制成的刀具与钻头主要应用于难加工材料的切削与石油开采、地质勘探等领域[1-3],有着其他材料难以替代的地位。

残余应力是造成聚晶金刚石复合片产品失效的重要因素之一,产生原因[4]一方面是由于聚晶金刚石层(Polycrystalline diamond,PCD)与硬质合金衬底的热膨胀系数及弹性模量差异较大,如表1所示,在冷却的过程中结合界面处收缩不同步,其为宏观内应力;另一方面为制备过程中聚晶金刚石层存在气孔、夹杂等缺陷,应力易集中于此,其为微观内应力。

当这两类应力得不到及时消除,产品就会在使用过程中PCD层与硬质合金层出现脱层甚至有复合片整体断裂的现象,导致刀具与钻头失效。

因此,减少或消除残余应力在很大程度上能延长产品使用寿命,降低经济损失,提高工作效率及使用安全性,具有十分重要的现实意义。

准确测量残余应力值大小及分布既为衡量降低应力方法是否有用,也为如何改进方法及工艺指明了方向。

目前国内外普遍运用的检测方法主要为应力释放法、射线衍射法及拉曼光谱法三类。

2.1 应力释放法应力释放法是不断破坏应力平衡而使应力重新分布的测量过程。

在该方法中,测量应变量的电阻应力片通常粘贴于PCD层表面中部,也有研究者[5]将其改进,同时粘贴于中部、1/2半径和边缘处提高检测的准确性。

然后不断切割复合片的硬质合金层,并记录不同硬质合金厚度下的应变量。

由于将聚晶金刚石层视为无应力状态,因此测得的应变量就是该处的残余应力值。

应力释放法是所有测量方法中最为简单、直观、廉价的,但在检测过程中,人为切割的误差会随着切割次数的增加而不断累加,从而造成测量结果的不准确,并对产品造成不可逆的破坏。

此外,由于尺寸较小,可粘贴的应力片有限,难以获得整个复合片的应力分布,测量精准度不够。

2.2 射线衍射法射线衍射法是通过测量结合界面处晶格间距的变化,进而计算出残余应力大小及其分布规律,其主要有X射线衍射法与中子衍射法两种方法。

2.2.1 X射线衍射法对聚晶金刚石复合片进行轴向和径向扫描,通过反射得到的X射线强度及衍射峰位移变化来计算残余应力大小及应力分布。

为了减少测量误差,常选用高θ角的衍射面,但测量易受Co峰的干扰。

此外,由于金刚石应力常数很大,测量一旦出现偏差,误差则成倍放大,造成测量不准,精确度较低。

2.2.2 中子衍射法中子衍射法与X射线衍射法原理相似,穿透能力很强,可测量材料内部的残余应力,精确度很高。

然而中子衍射强度较弱,离散性大,测量时间长,且对试样体积有所限制[6](≥1mm3),制约了该方法的应用,但随着科技的进步,它会有更为广阔的发展空间。

2.3 拉曼光谱法拉曼光谱与固体分子的振动相关,通过测量不同位置因应力而造成的拉曼光谱位移大小及方向来计算材料内部的残余应力大小及种类,其应力值与峰值偏移成正比[7]。

此外,通过拉曼光谱中峰的强度和形状还可表征金刚石的组织结构及结晶程度,侧面反应材料内部烧结是否均匀。

与其他测量方法相比,拉曼光谱法精度高,且能同时获得材料的多种信息。

但与应力释放法相比,成本较高,难以实现大规模应用。

为了减小结合界面及材料内部的残余应力,人们通过减小金刚石粒径、添加适宜的粘结剂、改变界面结构、调整聚晶金刚石层与硬质合金层厚度比、改进工艺等途径进行研究。

3.1 金刚石粒径金刚石微粉粒径对残余应力大小主要体现在烧结过程中。

当粒径较小时,由于金刚石颗粒间的间隙较小,熔融态粘结剂的进入可起到一定的排杂作用,减小非金刚石相的产生,降低了残余应力。

而随着粒径增大,颗粒间空隙变大,熔融的粘结剂一部分填充于金刚石颗粒内促进形成D-D键,获得致密烧结体,而另一部分多余的金属相[8]仍留在间隙内导致残余应力的增大。

虽说采用细粒度金刚石微粉烧结存在一定难度,如钴难以渗透进入金刚石层,易产生金刚石表面杂质高等问题,但也有研究者通过添加更细粒度的钴粉作为粘结剂[9]、采用两种粒度分层组装复合片[10]、减少粉料表面吸附的杂质等方法对其进行改善,从而既降低了PDC内部残余应力,又提升了其冲击韧性与耐磨性。

3.2 粘结剂由于金刚石与碳化钨的物理性能差异较大,若单纯进行烧结,不仅烧结困难,还难以在界面处实现有效结合,造成内应力较大易脱层的困扰。

因此,人们往往加入与二者润湿性较好的物质作为粘结剂,加强两种材料的结合,并缩小其物理性能差异,减小复合片内部的残余应力。

自PDC面世以来,钴是最早应用且最为常用的粘结剂。

在高温高压下,熔融态的钴以中间化合物的形式[11]点状或线状分布于相邻金刚石颗粒空隙之间,促进D-D键的结合,在一定程度上加强了聚晶层与硬质合金的结合。

但这前提是钴在聚晶金刚石层中均匀分布,一旦钴在某一区域成块状富集,将对产品的制备及性能造成不利。

近年来,也有研究者开始采用与碳化物润湿性好的金属如Ni和Fe等作为粘结剂[12-13],与钴相比,这类粘结剂有着较好的力学性能和可烧结性,可抑制烧结过程中晶粒的异常长大现象,易获得均匀致密的烧结体,与此同时还改善了制品脆性大的问题,提高了金刚石与硬质合金界面处的结合强度,减小了界面处的残余应力。

此外,研究者还在金刚石与硬质合金基体之间加入梯度过渡层,实现成分连续过渡,将二者之间的机械式结合改进为冶金式结合[14],增大界面结合强度,提升产品综合性能。

而加入的过渡层不仅限于单种材料,还可进行不同材料相互组合叠加。

如林峰[15]等人分别将钛粉、钴粉、cBN粉、铝粉、镍片、铝片等作为过渡层进行PDC合成,研究发现当选取cBN+铝+钛作为过渡层时,既能有效抑制钨和钴的渗透,又可减小内部残余应力,改善脱层问题。

结合曹品鲁[16]等人对梯度与常规结构的PDC内部残余应力的模拟计算的结果,可以看出,与普通PDC相比,梯度结构PDC材料结合界面处应力可降低2倍,能有效改善PDC中的应力分布,减小残余应力。

3.3 界面结构除了上述方法增强聚晶层与硬质合金层之间的结合外,研究者还通过界面设计,即将原始的平面改进成槽齿面、简单凹凸面或波纹面等非平面连接,增大二者接触面积,分散应力集中,降低残余应力。

槽齿面与简单凹凸面是较早设计出来的一种界面结构,槽齿面式界面通过增加聚晶金刚石层与硬质合金基底结合面积,加强其之间结合力,如图1(a)~(c)。

凹凸面式界面则是通过增加PDC中金刚石含量来减小残余应力,如图1(d)~(e)所示。

但这两种界面形式大多为尖角式连接,容易造成应力在连接处集中,抗冲击力较弱。

因此,研究者开始采用圆角式连接代替尖角式以提升复合片的抗冲击性。

此外,在此基础上,研究者还设计出以波纹式连接的界面结构,如图1(f)~(g),该种结构可对应力的分布位置及方向起有效调整作用,分散应力,避免应力集中带来的脱层现象。

然而目前设计的界面结构虽解决了边缘处剪切应力集中的问题,但仍难以均匀内部应力分布,还需辅以大量的模拟计算不断对界面结构进行细化调整[17],以获得应力最为均匀的界面结构。

3.4 厚度比在金刚石复合片的使用过程中,应力主要集中在界面结合和边缘处,其中拉应力和剪应力主要对PDC起破坏作用,使金刚石层断裂或脱层,而压应力则对PDC有利,使界面结合力提高并能抵抗较大的外部载荷。

从金刚石层厚度t(单位为mm)与PDC表面中心与边缘处的应力(单位为MPa)方程可以看出[18]。

PDC表面中心处σφ,C=758t-2294.5PDC边缘处σφ,E=253.8t-366随着金刚石厚度增大,即金刚石层与硬质合金层厚度比增加,表面中心处的压应力不断减小,而边缘处的应力则由原本的压应力转变为拉应力和剪应力,压应力减小而拉应力和剪应力随之增加,与此同时拉应力的影响范围也逐渐扩大。

因此,在保证PDC使用寿命的前提下,结合加工对象及工作环境,应尽可能采用较小的厚度比,以避免PDC脱层或断裂现象的发生。

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