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簡述金剛石復合片主要缺陷及產生原因

簡述金剛石復合片主要缺陷及產生原因

發布日期:2015-6-8 11:05:52  信息來源:本站原創

    ***容易出現的主要缺陷及產生的原因分析如下:

  1  分層
  主要表現為金剛石層與硬質合金襯底在其結合面上出現裂縫。用50MHz超聲波探傷儀可以檢測出其結合面上的燒結情況,金剛石與硬質合金粘結牢固的PDC在探傷中不發生界面反射波;而界面上有裂縫的PDC可以對超聲波產生多次的反射和折射,使其在探傷圖像上出現非正常的雜波,不同的裂縫產生的雜波圖像也有所不同。下面是兩種不同的燒結情況在超聲波探傷儀中產生的波形圖。
  產生分層的主要原因大致有以下幾方面:
  ①高溫時間過長
  眾所周知,金剛石在燒結過程中會部分石墨化,液相鈷滲入金剛石微粉層時,溶解石墨并向金剛石輸送碳,使金剛石顆粒長大并搭接起來,形成金剛石-金剛石的鍵結合。鈷液滲入金剛石粉末的過程伴隨著石墨→金剛石的轉變,***后金剛石粉末中的石墨轉變成金剛石,形成具有金剛石-金剛石結合的牢固燒結體。如果燒結過程處于溫度相對較高且持續時間較長時,液相鈷會迅速完成溶解石墨并向金剛石輸送碳的過程,金剛石顆粒也會長大并搭接起來,但由于高溫持續時間較長,已燒結的金剛石會被碳化,從而使金剛石層中殘留過多的石墨,嚴重影響金剛石層與硬質合金襯底的界面結合強度,導致界面分離。
  ②殘余應力
  殘余應力的產生主要是由于熱膨脹(冷收縮) 的存在。硬質合金的熱膨脹系數是金剛石的兩倍。PDC 的燒結屬于液相燒結,當燒結結束各相開始冷卻時,由于各相熱膨脹不同所以收縮不一致,彼此約束,從而產生應力,這種應力過大時,便導致金剛石層從襯底上分離。而熱膨脹是材料本身的固有特性,要完全消除其影響是很難的,只有從工藝上入手,比如對襯底形狀的設計,或通過退火處理,以盡量減小殘余應力的影響。
  ③硬質合金本身的質量較差。

  2  欠燒
  分為全部欠燒和局部欠燒。從外觀上看,主要是金剛石微粉尚未完全燒結,呈現松散的結構,在色澤上表現為灰色或帶黃色斑點,磨耗比很差,基本無使用價值。
    造成欠燒的主要原因有:
  ①原材料受到污染
  在市購的金剛石微粉中,總會包含著葉蠟石、石墨、鐵磁性物質和灰份等雜質。如果未處理干凈或在存放過程中受污染,那么在燒結過程中,這些污染物將對金剛石產生熱侵蝕,促使金剛石氧化和加速金剛石的石墨化,從而阻礙鈷掃越的進行,輕則局部阻礙金剛石的自身燒結,重則只有界面處的金剛石被燒結,留下黃色斑點。因此,對原材料的保存和處理要相當仔細,嚴格按照規程進行。
  ②溫度過低或高溫時間保持不夠
  由于PDC燒結屬于液相燒結,它***要求必須有液相生成。溫度過低時,不能產生足夠的液相,使燒結過程無法持續,只能在界面處產生燒結,而其他部分仍保持原有形態,呈現松散的結構。合成腔體達到預定溫度是需要一定的時間的,由于受工藝條件所限,這個時間不能過長,否則***會相應縮短后期保持高溫的時間,這樣,雖然也產生足夠的液相,但在相對較短的時間里,掃越式再結晶進行的不很完全,而造成PDC的局部不燒結。要避免這些情況的產生,除了要防止設備故障(如壓機的絕緣墊損壞或壓機的加熱電源漏電等)外,還要不斷加強對操作人員的培訓,提高操作人員的技術水平。
  ③襯底結合劑含量不足
  PDC的燒結是需要在襯底中的結合劑參與下有條件進行的,當襯底中結合劑的含量不足時,***會影響PDC的燒結質量,輕則一般會在超硬層表面留下較深的虛點,虛點處基本上沒有磨耗比;重則***只能是廢品。

  3 針眼、黑點
  所謂針眼***是指在PDC的金剛石表面存在象針扎過一樣的小孔洞。它們有多有少或聚或散,是影響成品率的一大缺陷。我們認為這些小孔洞實際***是氣孔。吸附氣體或蒸汽是固體與氣體界面上***重要的特征性質之一,金剛石亦不例外。由于合成PDC所使用的是金剛石微粉,通常只有幾十微米或幾微米,因而比表面積極大,所吸附氣體的量***更為驚人。在燒結過程中,由于液相的產生,氣體分子逐漸聚集,形成或大或小的氣泡,隨著溫度的升高,顆粒的粒界開始移動,粒子長大并搭接,氣泡逐漸遷移到粒界上消失,燒結體密度增高,并可能***終排除氣泡,得到充分致密的燒結體。但困難的是我們不知道氣泡什么時候能被完全排除,因而總會有個別的氣泡隨著燒結結束形成氣孔留在金剛石層中。
  黑點實際上是一種顏色不均勻,它總是出現在PDC表面的中心部位,而且隨著PDC尺寸的大小而變化,PDC的尺寸越小,它***越不明顯。它形成的原因***是由于存在著壓力溫度梯度。在超高壓、高溫狀態下,壓力、溫度在各處并不均等,且總是邊緣的溫度和壓力高,越往中心***越低,這種不均勻性***會在燒結體上體現出來,要想消除這種缺陷,***應當從組裝和配料等工藝上進行改進,才能解決。

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