金刚石微粉粒径怎么影响PDC的性能？
金刚石微粉粒径怎么影响PDC的性能？
聚晶金刚石复合片（PDC）是由不同粒径大小的金刚石微粉与Co粘结剂混合并且与硬质合金基底在高温超高压条件下烧结制备的一种复合超硬材料。PDC既拥有金刚石超高的硬度、优异的耐磨性和良好的导热性,又具备硬质合金良好的强度、抗冲击韧性以及优秀的可焊性,因此应用于较多领域,例如石油钻探、地质勘探、煤矿开采用的钻头,以及硬质合金、石墨、橡胶、陶瓷、塑料和木材等各种材料的切削加工。
金刚石粒径在PDC制备过程中起着重要作用,对PDC抗冲击韧性和磨耗比也有着重要的影响。使用较大金刚石颗粒的PDC,其沿金刚石颗粒之间边界的结合强度更容易变弱,并且存在金刚石颗粒整体移位的情况。而金刚石粒度过小的PDC,在磨损过程中更容易发生磨粒磨损。因此研究不同粒径金刚石对PDC组织和性能的影响有着重要的意义。
金刚石粒径分别为3μm,10μm,16μm和25μm,将预处理后的金刚石微粉和Co粉用行星式球磨机均匀混合,球磨时间1h。采用六面顶压机在5.0GPa和1450℃条件下将混合粉末与WC基底烧结90s制成PDC,烧结环境为空气环境,冷却方式为自然冷却。
相组成和微观结构
在金刚石粒径为25μm的PDC的聚晶金刚石层的XRD图谱中发现了Co3O4的衍射峰,而在其它3种粒径的PDC中未发现,这是由于大粒径金刚石颗粒间间隙较大,导致空气进入,使Co粘结剂发生氧化,也同时说明小粒径的金刚石可以阻止Co粘结剂的氧化。Co的氧化在一定程度上会使得金刚石复合片的热稳定性变差。值得一提的是,随着金刚石粒径的增大,Co粘结剂的衍射峰越来越高。造成这个现象的原因是金刚石的粒径越大,金刚石颗粒之间的间隙越大,金刚石颗粒之间的Co越聚集。除此之外,在XRD图谱中并未观察到明显的石墨峰生成,表明金刚石在烧结过程中没有石墨化。
不同的金刚石粒径会影响Co粘结剂在金刚石颗粒周围的分布状态,大颗粒的金刚石粒径会导致Co粘结剂的部分聚集。金刚石粒径越小,Co粘结剂在金刚石周围分布得更加均匀。
摩擦学性能摩擦系数
摩擦系数是PDC的一项重要性能参数,为了研究PDC的摩擦学性能,采用高速往复式摩擦磨损试验机测试了4种不同金刚石粒径的PDC的摩擦系数,如图1所示。金刚石粒径为3μm的PDC试样具有最高的摩擦系数和最大的波动范围,其平均摩擦系数最高,为0.061。这是因为金刚石的粒径最小,PDC层的Co粘结剂分布均匀,滑动摩擦副在较软的粘结剂和较硬的金刚石颗粒之间的摩擦导致了摩擦系数的剧烈变化。
磨耗比
耐磨性是衡量金刚石材料性能的首要指标。金刚石材料的硬度、断裂韧性和强度都可以通过耐磨性反映。研究表明,不考虑其他情况,PDC的耐磨性随着金刚石粒径的减小而增大,但是当金刚石粒径不断减小到一定程度时,这种现象就会消失。出现这种现象的原因是,超细金刚石表面含有大量杂质,清理过程十分复杂,并且很难清理干净,在高温高压烧结过程中杂质使得金刚石颗粒间的结合强度受到严重影响,从而导致PDC耐磨性下降。因此,金刚石微粉粒度小到一定程度时,影响复合片耐磨性的重要因素是原料的纯净度。
抗冲击韧性
粒径为10μm的PDC的抗冲击韧性是最大的,冲击功为400J。且随着金刚石微粉粒径从3增大到25μm时,PDC试样的冲击韧性先增大后减小。金刚石粒径过小会产生大量的金刚石结合界面,导致复合片的抗冲击韧性较差。当金刚石粒径过大时,金刚石颗粒之间的缝隙较大,过多的Co粘结剂分布其中,也会导致复合片的抗冲击韧性变差。因此,合适的金刚石粒径是制备高抗冲击韧性PDC的关键。
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