陕北气井油井金刚石复合片深圳海明润PDC复合片

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裂纹产生之分析
在金刚石复合片合成试验中发现导致其成品率不高的主要原因是硬质合金的碎裂。将金刚石复合片切开后发现有的裂纹仅仅存在于硬质合金层与金刚石层界面处的硬质合金中 ,如图 4 所示。可以推断 ,致使硬质合金碎裂的裂纹产生于硬质合金层与金刚石层界面处 ,裂纹在硬质合金一侧中产生。
裂纹的产生主要取决于以下过程和因素:
金刚石复合片的合成过程是一个先加压后加热的过程 ,当合成压力达到一定值后 ,通入电流 ,使石墨模具发热加温。随着温度逐渐升高 ,粉料开始烧结 ,粉料在压力、温度的共同作用下 ,产生塑性变形 , 粘结剂中的低熔点组分熔融为液相 ,硬质合金中的钴也逐渐液化;液相相互扩散、渗入固体粉料颗粒形成的间隙中 ,在实现致密化过程中钉扎在硬质合金及金刚石固态骨架中。对硬质合金而言 ,其受到外加压力作用而收缩、受热应力作用而膨胀 ;对金刚石层而言 ,由于熔融组分渗入固体粉料颗粒形成的间隙中 ,其受到外加压力、热应力作用而收缩 ; 使得金刚石层与硬质合金在烧结时收缩不同步 ,金刚石层收缩量大 ,因而靠近石墨加热模具的粉料较早就牢固地结合在硬质合金上 ,因此硬质合金由于金刚石层的牵拉 ,受到压应力。
当停止加热 ,从高温冷却到低温时 ,由于金刚石复合片由不同材料组成 ,各种材料的热膨胀系数相差比较大[ 金刚石为(1～4) ×10 - 6 K- 1 ,硬质合金为514 ×10 - 6 K- 1 ] ,因而金刚石复合片中的金刚石层与硬质合金收缩也不同步 ,即金刚石层的收缩量小于硬质合金层的收缩量。此时金刚石复合片的内部产生了应力 ,形成残余应力 ,对金刚石复合片的性能有重要影响[3 ] 。对硬质合金层而言 ,这种残余应力是一种拉应力。
在金刚石复合片的烧结温度下,硬质合金中有液相生成。液相在毛细管力的作用下将向金刚石层扩散、渗透 ,在冷却时由于液相多、原子运动阻力小而容易在平衡位置凝固下来,结果是硬质合金中钴含量下降,使硬质合金脆化,变得易碎裂。图 5 、图 6 分别是钴、钨渗透到金刚石层的分布状态图。图 7 所示的是在剖开的金刚石复合片中硬质合金层与金刚石层界面上用扫描电镜观察到的熔融合金凝固的痕迹。

过渡层中含有高熔点物质 CBN 时 ,在合成温度
及压力下其仅产生“塑性变形”,无法熔融 ,其形状基本得以保持 ,使硬质合金与金刚石层之间存在确定的过渡层 ,这个过渡层起到了阻滞钨、钴从硬质合金过度向金刚石的渗透的作用 ,防止了硬质合金的脆化。同时 , 由于 CBN 的热膨胀系数介于硬质合金和金刚石之间 , 过渡层缓冲了硬质合金与金刚石层之间由于膨胀、收缩不同步引起的应力的作用减小了金刚石复合片内部的残余应力 ,有利于防止金刚石复合片内部裂纹的产生与扩展。
综上所述 ,在金刚石复合片的合成过程中 ,硬质合金因钨、钴的流失而脆化 ,其抗压、抗弯强度减小 , 在来自金刚石层的压应力和拉应力的作用下 ,其紧靠金刚石层的一侧产生微裂纹并扩展 ,终导致金刚石复合片的开裂。使用综合性能较好的 CBN 混合料作过渡层 ,能够缓冲硬质合金与金刚石层之间由于膨胀、收缩不同步引起的应力的作用 ,减小了金刚石复合片内部的残余应力 ,有效地降低了微裂纹的产生和扩展 ,达到了提高金刚石复合片性能和成品率的研究目的。
联系电话： 赵经理 金刚石复合片

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