金刚石复合片耐磨性设计研究

江文清

摘 要：选定四种不同的烧结温度，其中包括“欠烧”、“正常烧”、“过烧”烧结温度。对每个不同温度下烧结的PDC片，都沿PDC的径向取四个不同的位置进行耐磨性测试，发现在不同的烧结温度下，PDC磨耗比值沿其径向的变化规律各不相同，这对如何选取耐磨性较好的PDC材料作为刀具提供了一些参考。

关键词：聚晶金刚石复合体;耐磨性;烧结温度;PDC刀具

0 引言

在工业发达国家，PDC材料已广泛应用于石油地质钻头、切削刀具、拉丝模、修整器和各种耐磨器件，目前国外PDC材料的年消耗增长速度在20%以上聚晶金刚石复合体（ Polycrystalline Diamond Compacts）简称PDC，目前国外PDC材料的年消耗增长速度在20%以上。耐磨性是衡量PDC质量三大指标之一[1]，耐磨性能直接影响着刀具的使用效率。通过对每个不同温度下烧结的PDC片，沿其径向进行了大量的耐磨性测试。

1 试验过程

1.1 试验材料

28μm金刚石粉末;牌号YG15的硬质合金;叶腊石为32.5×32.5×32.5×16的粉压块;钼杯Ф14mm、h为9mm;盐管尺寸Ф外20mm、Ф内15mm;

1.2 试验设备

6×1800T铰链式六面顶压机;TS71-A型磨耗比测定仪;WEDM电火花线切割机床;金刚石砂轮平面与外圆磨床;工具显微镜;分析天平;101-2A型电热恒温鼓风干燥箱。

1.3 试验方法

对于一个PDC圆片，在圆片上不同部位测试磨耗比，其值都不同， PDC片磨耗比径向测试显得十分重要。我们选定四个不同的位置进行测定。

第一个位置：PDC圆片的边缘部分，磨耗情况同样如下图;

第二个位置：磨损面离圆心2/3R处;

第三个位置：磨损面离圆心1/3R处;

第四个位置：磨损面过圆心;

PDC的第一个位置磨耗比测定方法采用核工业徐国平等人[2]的以PDC的体积磨耗量代替其失重。如图所示，若设PDC的半径为R;磨损面长为L1;L1与圆心O的距离为L;PDC圆周上任一点的坐标为（x，y）;PDC磨损掉的体积为v，则：

然后把测试完的PDC片用线切割机切成离圆心2/3R、1/3R处、圆心处，若设PDC的半径为R;磨损面长为L1;磨损斜面长为X;PDC金刚石层平面方向与接触点的切线方向成45度角;为了方便计算，根据我们测试的经验，复合片PCD层比重取为4.2g/cm3。

磨耗比计算公式：  α=△A/△B=△A/（4.2V）;

2 试验结果与讨论

2.1试验结果

固定合成压力、保温时间、冷却时间，在不同的烧结温度（1250℃、1300℃、1350℃、1400℃）条件下进行合成PDC。每种工艺条件下，合成4个PDC片。按照上述磨耗比测定方法进行测试，磨耗比取样品相同位置测定的磨耗比平均值，如下表。

2.2 实验结果综合分析

（1）在烧结温度1250℃、1300℃、1350℃時，其磨耗比值沿径向从边缘到中心依次减小，造成这种结果的原因可能是：由于组装设计的原因，合成块沿径向存在温度梯度。在其他烧结条件下，磨耗比这种变化规律，恰好与HP/HT腔体中压力场径向分布恰好一致[3]，在很大程度上可以说PDC耐磨性取决于烧结压力。

（2）在1250℃、1300℃、1350℃测定的磨耗比值减小幅度并不一样。在烧结温度1300℃、1350℃时，边缘（第一个位置）与中心（第四个位置）之间磨耗比值依次减小的幅度较小。而在烧结温度1250℃时，磨耗比值减小幅度相对较大。

（3）在烧结温度1300℃、1350℃时，PDC烧结应该比较均匀，所以PDC片沿径向磨耗比值变化较小，差值在10%左右。

（4）在烧结温度1400℃时，出现了一个反常现象，磨耗比值是从边缘到中心依次增大。这种情况的产生，很有可能是在“过烧”温度下烧结而成的，由于边缘部分温度要高于中心温度，所以边缘部分石墨化更严重些，其磨耗比当然也更低。

3 结论

经过对不同温度下烧结的PCD复合片耐磨性测试以及实验结果分析研究表明：在PCD复合片边缘部分烧结更均匀些，致密性较高，磨耗比值要高于中心的。磨耗比这种变化规律与腔体中压力场径向分布恰好一致，可能说明磨耗比值在很大程度上取决于烧结压力，关于这一点，有待于进一步研究。

参考文献：

[1]陈石林，彭振斌等.聚晶金刚石复合体的研究进展[J].矿冶工程，2004（04）：29-32.

[2]徐国平，梁红原，杨世珍.对国内金刚石复合片（PDC）耐磨性测试方法的探讨[J].金刚石与磨料磨具工程，2001（04）：124.