李思成，方海江

（河南四方達超硬材料股份有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

金剛石作為自然界已知最硬的材料，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。1973年美國G.E公司成功地研制出聚晶金剛石復合片Compax，引起了世界各國的廣泛關(guān)注［1-2］。聚晶金剛石復合片（Polycrystalline diamond compacts，簡稱PDC）是以金剛石微粒與硬質(zhì)合金基體在高溫高壓下燒結(jié)而成的，這種材料避免了單晶的各向異性，克服了單晶金剛石受沖擊易解理破損的缺陷，并具有硬質(zhì)合金的韌性和易加工的特性。因此PDC在有色金屬切削加工、木材加工等方面得到廣泛的應(yīng)用［3-5］。

如今切削刀具用金剛石復合片正朝著規(guī)格尺寸大型化，質(zhì)量優(yōu)化，性能均勻化，形狀結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展［6］。美國的DI公司和英國的元素六公司在該類產(chǎn)品上代表了世界先進水平，他們采用兩面頂技術(shù)可以生產(chǎn)Ф51mm、Ф58mm和Ф74mm 的大直徑PDC復合片。近期，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也開始采用六面頂壓機生產(chǎn)大直徑PDC復合片，并且取得了可喜的成績。我公司采用獨特的六面頂技術(shù)成功合成出直徑為Ф51mm的超大直徑聚晶金剛石復合片，并進行了一系列的性能檢測，取得了較好的結(jié)果。

2 實驗

2.1 樣品制備

實驗采用國產(chǎn)鉸鏈式六面頂壓機，利用旁熱式組裝加熱，整體組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。將混合好的金剛石微粉按圖1組裝好，在一定的壓力和溫度下保溫一定時間后，先緩慢降至室溫后再緩慢卸至常壓。取出樣品，依次進行噴砂、磨外圓、研磨、拋光等加工。樣品最終尺寸為直徑≥51mm，總厚度2.0mm，其中金剛石層厚度0.5mm（如圖2所示），之后對樣品進行超聲波無損探傷、超聲波測量厚度以及切削試驗等檢測。

圖1 組裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of assembly block

圖2 未拋光的金剛石復合片F(xiàn)ig.2 Unpolished PDC

2.2 樣品表征

2.2.1 超聲波無損探傷

由于金剛石、鈷以及硬質(zhì)合金三者的熱膨脹系數(shù)相差很大，PDC在高壓下燒結(jié)完成后的卸壓冷卻過程中不可避免地會產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會降低PDC的強度，甚至在PDC內(nèi)部出現(xiàn)分層和裂紋等缺陷，從而導致PDC失效［7-9］。對于內(nèi)部的缺陷，常規(guī)方法很難檢測，目前國外檢測PDC內(nèi)部質(zhì)量主要采用超聲波無損檢測方法［10］。

四方達采購了目前世界上最新的超聲波掃描設(shè)備C－SAM（Scanning Acoustic Microscope），該設(shè)備運用超聲波微成像（Acoustic Micro Imaging）技術(shù)，可以精確地檢測出20nm厚度的分層，配備特殊軟件，還可以測量PDC中金剛石層的厚度分布情況。

圖3是具有代表性的三張超聲波檢測圖像，左圖是正常無缺陷的情況，中間的是邊緣分層的情況，箭頭所指的亮環(huán)處即為分層的位置，右圖是內(nèi)部有裂紋的情況，箭頭所指黑色條紋處即為裂紋的位置。通過實驗和試產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，我們的復合片并未批量出現(xiàn)圖中的分層和裂紋等現(xiàn)象。

圖3 PDC的超聲波無損檢測圖像Fig.3 Image of PDC detected by ultrasonic nondestructive test

2.2.2 超聲波測量厚度

為了避免在加工和運輸過程中出現(xiàn)PCD掉邊現(xiàn)象，大直徑PDC邊緣的金剛石層一般都不外露，這樣的處理方法給測量金剛石層的厚度帶來了一定的難度，一般的光學測量方法不再適用，只能采用超聲波無損檢測的方法。

傳統(tǒng)的便攜式超聲波設(shè)備只能用A掃描模式對樣品進行單點式的厚度測量，而C－SAM可以用C掃描模式加上特殊的軟件對樣品進行面掃描，從而得出樣品整體的厚度分布情況。

圖4 PDC的金剛石層厚度分布圖Fig.4 Thickness distribution map of diamond layer in PDC

圖4是利用C－SAM得出的PDC的金剛石層厚度分布圖，圖中右側(cè)不同色條代表不同的厚度，左側(cè)則是相應(yīng)厚度的分布情況。可以看出，圖中僅有三種顏色，對應(yīng)右側(cè)色條的讀數(shù)能夠看出該樣品的厚度范圍在0.45～0.60mm之間，其中黃色區(qū)域占絕大部分（黃色代表0.50～0.55mm的厚度區(qū)間），這說明該樣品PCD層的厚度絕大部分為0.50mm，金剛石層無明顯厚薄不均的現(xiàn)象。

2.2.3 切削試驗

將粒度為25μm的四方達PDC刀坯A和國外某著名廠商的PDC刀坯B各取2粒制成T80／4.3型刀片，將刀片裝夾在 MWLNR2020－K08刀桿上之后，在CAK6185型數(shù)控車床上進行切削硬質(zhì)合金的試驗，切削液進行冷卻。被切削材料原始尺寸為Ф7.933mm×6.43mm，表1是被切削材料的性能參數(shù)，圖5是被切削材料試驗后的尺寸。

根據(jù)被切削材料的粗糙度和尺寸精度來判斷刀片是否失效。記錄每個刀片最多能加工的合金數(shù)量，然后測量刀片的后刀面形貌及磨損量。試驗數(shù)據(jù)見表2

表1 被切削材料的參數(shù)Table 1 Parameters of workpiece

圖5 被切削材料的尺寸圖Fig.5 Dimension figure of workpiece

圖6 刀片方向的區(qū)分及其裝夾后的實物圖Fig.6 Direction discrimination and objective graphs of PDC after clamping

表2 切削試驗結(jié)果Table 2 Results of cutting test

從試驗情況看，我公司刀片的使用壽命及后刀面的磨損情況均與國外的持平。

3 結(jié)論

利用國產(chǎn)鉸鏈式六面頂壓機，合成出直徑為Ф51mm的國內(nèi)最大的聚晶金剛石復合片。超聲波微成像分析表明，樣品無大批量分層、裂紋、金剛石厚度嚴重不均等缺陷。切削試驗顯示，在切削硬質(zhì)合金時，無論在使用壽命上還是后刀面磨損上，我公司樣品均與國外同類產(chǎn)品性能相當。

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［2］Tetsuji O，Hirokazu K.Cost reduction of polycrystalline diamond compact bits through improved durability［J］.Geothermics，2002，31：245－262.

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［8］徐國平，尹志民，陳啟武.聚晶金剛石復合片殘余應(yīng)力的檢測方法［J］.金剛石與磨料磨具工程，2007，158（2）：30－33.XU Guo－ping，YIN Zhi－min，CHEN Qi－wu.The Methods for measuring the residual stresses in polycrystalline diamond compacts［J］.Diamond ＆ Abrasives Engineering，2007，158（2）：30－33.

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