聚晶金刚石复合片界面微观结构对性能的影响

赵东鹏，耿菖健，方海江

（河南四方达超硬材料股份有限公司，郑州 450016）

聚晶金刚石复合片（PDC）是由金刚石粉料与硬质合金在高温高压（HPHT）下烧结后得到毛坯，再经过一系列的加工而得。PDC 的出现解决了单晶金刚石受冲击沿(111)晶面易解理破损的问题。PDC 拥有硬质合金的抗冲击韧性，且其具有的抗磨损均匀性、耐热性、导热性等已超过天然金刚石的[1-3]。目前，PDC 已广泛应用于汽车、航空航天、电子、宝石加工、建筑等行业的刀具制造中[4-6]。

可用作PDC 黏结相材料的有金属、陶瓷和金属陶瓷复合材料等[7]，其中的金属作为黏结相可有效提高PDC的抗冲击性能。但是，由于金刚石与金属黏结相的热膨胀系数差异较大，温度较高时两者的黏结稳定性略差，会产生PDC 复合层和硬质合金界面结合强度降低等问题。如以Co 为黏结剂的PDC 在使用过程中，就存在由于温度过高导致其性能下降的问题[8]。目前，对于PDC 界面结合的研究较多。张喆等[9]对聚晶金刚石层与硬质合金层处的残余应力进行了研究，同时提出一些消除残余应力的途径，比如减小金刚石粒径、添加适宜的黏结剂、改变界面结构、调整聚晶金刚石层与硬质合金层厚度比、改进制造工艺等。邵华丽等[10]对聚晶金刚石的热稳定性进行了研究，认为提高PDC热稳定性的方法是用化学方法去除其中的金属触媒相，即脱Co 以及选用热稳定性好的黏结剂替代金属。彭玉柏等[11]研究了高温高压前后硬质合金基体的显微组织结构和性能的变化，发现超高压高温处理后，硬质合金基体由均质材料变为Co 相梯度材料，其硬度也呈梯度变化，且界面处存在WC 晶粒异常长大行为；硬质合金基体性能发生变化的主要原因是Co 相的迁移和快速冷却。

但对PDC 复合层与硬质合金界面微观结构的研究较少。因此，通过对Co 基PDC 进行试验，探究界面位置出现的金属迁移聚集（简称“金属池”）情况，及其对PDC 耐热性、抗冲击性及耐磨性等的影响。

1 试验样品制备及检测

试验PDC 样品是将优选的主晶为25 μm 的金刚石微粉(中南钻石有限公司)与WC-Co 硬质合金进行组装，采用CS-XIII 型国产铰链式六面顶压机在HPHT（1 300～1 600 ℃，5.5～10.0 GPa）条件下烧结而成。采用2 种合成工艺制备毛坯样品：第1 种是常规工艺（称为“工艺1”），即一段式烧结工艺，烧结处理的温度为1 550 ℃，压力为9.0 GPa；第2 种是新工艺[12]（简称“工艺2”），即第一阶段HPHT 烧结处理的温度为1 450 ℃，压力为9.0 GPa，第二阶段HPHT 烧结处理的温度为1 550 ℃，压力为9.0 GPa。将制备的毛坯样品通过后续加工制成试验所需的聚晶金刚石复合片。工艺1 制得的样品命名为样品A，工艺2 制得的样品命名为样品B。样品A 和样品B 的最终尺寸为：直径，15.88 mm；高度，13.20 mm；聚晶金刚石层厚度，2.20 mm。

使用X-ray 无损检测设备(德国，依科视朗)对样品A、样品B 的PDC 层与硬质合金界面处的金属池情况进行检测；使用MP63900 型扫描电镜(日本，日本电子)观察样品A、样品B 的界面微观结构；使用CK5116E型数控立车(中国，泰达)、CEAST9340 型落锤冲击试验机(意大利，英斯特朗)对样品A 和样品B 的耐磨性能、抗冲击性能进行检测；使用L75 热膨胀仪(德国，林赛斯)对样品A、样品B 的耐热性能进行检测。

2 试验结果及讨论

2.1 结合界面的无损检测

将制备的样品A、样品B 分别放到X-ray 无损检测设备的载物台上，利用X 光射线的穿透性观察样品界面附近的金属池情况。图1a、图1b 分别是样品A、样品B 的无损检测图。由图1a 可知：样品A 的界面附近有类树枝状的枝晶生长，即形成了金属池。由图1b 可知：样品B 的界面附近未出现金属池现象。因此，工艺2 的制备方法可以很好地抑制硬质合金中的W、Co金属向PDC 界面附近迁移而形成金属池。

图1 样品A、样品B 无损检测图Fig.1 Non-destructive testing pictures of sample A and sample B

2.2 微观结构分析

通过MP63900 扫描电镜对2 种样品界面处的微观结构进行分析，其SEM 微观结构如图2所示。由图2a可知：样品A 界面存在由硬质合金迁移的金属，占据聚晶金刚石部分位置（图2a 的圆圈内出现金属池），这与图1a 中无损检测下观察到的类树枝状枝晶生长对应。由图2b 可知：样品B 界面不存在金属池现象。利用扫描电镜检测样品A 中金属池的元素组成，结果如表1所示。

图2 样品A、样品B 的SEM 微观结构图片Fig.2 SEM microstructure pictures of sample A and sample B

表1 样品A 界面附近金属池的元素组成Tab.1 Elemental compositions of metal pool near the interface of sample A

如表1所示：样品A 界面附近的金属池的元素包含W、Co、C。由于样品A 采用常规HPHT 工艺，硬质合金中的黏结剂快速熔融并迁移，进而引起其喷发式渗透到聚晶金刚石层中，致使聚晶金刚石层中存在局部团聚的金属元素。而样品B 采用的是二阶段HPHT烧结工艺，使得黏结剂及其他成分梯度熔融并扩散迁移，解决了PDC 界面附近的催化剂喷发式渗透形成的局部团聚（产生金属池）的问题。

2.3 热膨胀检测

使用L75 热膨胀仪对样品A、样品B 的耐热性能进行检测。L75 热膨胀仪为顶杆式热膨胀仪，主要研究样品因温度变化而引起的体积变化。由于PDC 复合层与黏结剂的热膨胀系数不同，随着温度的升高其体积变化不同。在某一温度点，PDC 复合层与基体分离，将其温度点记录为样品耐热温度点。具体测试方法是将样品侧放在载物台上，腔体内通N2保护，升温速率为5 ℃/min。在相同测试条件下，各取5 片同类样品A 和样品B 进行耐热检测，其结果如图3所示。

由图3可知：样品A 的平均耐热温度为870 ℃，样品B 的平均耐热温度为920 ℃，因此样片B 的耐热温度比样品A 的约高50 ℃。由于金刚石的热膨胀系数小于硬质合金的热膨胀系数，同时样品A 界面位置存在金属池，致使样品A 在升温过程中更容易发生分层现象。样品B 不存在金属池现象，在实际应用过程中，可有效避免温度过高导致的碳化、分层等严重失效现象。

图3 样品A、样品B 的耐热检测结果柱状图Fig.3 Histogram of the heat resistance test results of sample A and sample B

2.4 抗冲击性能

在相同测试条件下，各取5 片同类样品A 和样品B，使用CEAST9340 型落锤冲击试验机检测样品的抗冲击性能，其评价等级结果如图4所示。其中，图4中的结果均为样品A 和样品B 交替冲击的结果。

图4 样品A、样品B 的冲击性能评价柱状图Fig.4 Histogram of impact performance evaluation of sample A and sample B

从图4可以看出：样品B 的5片冲击测试均值为45，样品A 的5 片冲击测试均值为32。样品B 的冲击等级明显好于样品A 的，其抗冲击性能比样品A 的高约40.6%。这是因为样品A 的界面附近存在的金属池降低了聚晶金刚石层与硬质合金的界面结合强度，影响了PDC 整体冲击性。在实际使用过程中，样品B 可抵抗更为复杂的油气钻探地质环境，更有效地避免或减少产品在使用过程中出现的崩齿、脱层等严重失效现象。

2.5 耐磨性能

按《JB/T 3235—2013 聚晶金刚石磨耗比测定方法》，各取2 片样品A、样品B，在相同条件下，采用CK5116E型数控立车磨削花岗岩，计算聚晶金刚石层的磨口面积，其检测结果如图5所示。

图5 样品A、样品B 聚晶金刚石层磨口面积变化曲线Fig.5 Curves of grinding area change of the polycrystalline diamond layer of sample A and sample B

由图5可知：在相同条件下，样品B 的磨口面积更小，样品B 在60 层的磨口面积分别为5.061 mm2与5.270 mm2，均值为5.166 mm2；样品A 在60 层的磨口面积分别为5.750 mm2与5.970 mm2，均值为5.860 mm2。相比于样品A，样品B 的耐磨性更好，其耐磨性提高11.8%。这是因为，样品A 界面处存在的金属池降低了聚晶金刚石层D-D 键合浓度，进一步降低了PDC 整体结合强度。

3 结论

利用国产铰链式六面顶压机，采用2 种不同工艺合成PDC 毛坯，经后续加工得到试验所需规格的PDC样品；对制备的2 种PDC 进行X-ray 无损、扫描电镜、耐热温度、抗冲击等级及磨口面积检测。得出如下结论：

（1）由工艺1 制备的样品A 的界面附近存在树枝状的枝晶生长，即形成金属池现象；而由工艺2 制备的样品B 不存在此类现象。金属池是硬质合金中的金属元素向聚晶金刚石层方向迁移形成的，其元素为W、Co、C。

（2）工艺1 制备的PDC 的耐热温度为870 ℃，抗冲击等级为32，磨口面积为5.860 mm2；工艺2 制备的PDC 的耐热温度为920 ℃，抗冲击等级为45，磨口面积为5.166 mm2。相较于工艺1 制备的PDC，工艺2 制备的PDC 的耐热温度、抗冲击性、耐磨性分别提高50 ℃、40.6%、11.8%。

（3）PDC 界面出现金属池会对产品性能产生不良影响。而不存在金属池的PDC，由于其较好的耐热性、抗冲击性及耐磨性，将在实际应用过程中避免或减少崩齿、分层等严重失效现象发生。