减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径

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,oil

exploration,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。