聚晶金剛石復合片殘余熱應力的影響因素

    根據pdc 制造過程中的熱力學工藝條件，對平面界面及幾種典型不規則界面的pdc 殘余熱應力作了相應的數值計算和分析比較，亦對pdc 殘余熱應力的分布規律做了相關研究；對梯度結構聚晶金剛石復合片與傳統的雙層結構金剛石-硬質合金復合片在制造過程中產生的殘余熱應力進行了分析，提出梯度結構的聚晶金剛石復合片有效降低了殘余熱應力；采用熔滲法成功制備了低殘余應力的優質生長型聚晶金剛石復合片。

    影響pdc 殘余熱應力的因素主要有聚晶pcd 層厚度、pdc 的燒結溫度、界面結構、后處理方式以及后期熱處理工藝等。其中pcd 層厚度和燒結溫度對殘余熱應力的影響尤為明顯。筆者通過有限元分析，討論了pcd 層與硬質合金層厚度比和pdc 壓制過程中燒結溫度的波動對pdc 殘余熱應力的影響。

    1.pcd 層與硬質合金層厚度比對pdc 殘余熱應力的影響

    通過實驗得出：pdc 硬質合金層的厚度與pcd 層的厚度比對pdc 的徑向應力有很大影響。亦通過研究提出：pcd 層薄的pdc 抗沖擊性應該更好，但較薄的pcd 層會影響pdc 的使用壽命，pcd 層與硬質合金層厚度比值應有一個***佳值。為進一步了解pcd 層與硬質合金層厚度比對pdc 殘余熱應力（主要是pcd 層厚度對pdc 垂直方向的應力影響），筆者對不同pcd 層與硬質合金層厚度比值的pdc 進行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學性能參數見表1.分析中選擇常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金剛石復合片，選擇pcd 層厚度在0.5~2.0 mm 范圍內的16 種pdc .有限元網格劃分過程中，pcd 層單元格為0.2 mm× 0.2 mm, 硬質合金層靠近界面部分網格較密，遠離界面部分網格相對稀疏。設定1 000 ℃為pdc 應力松弛溫度[7],在這一溫度以上pdc 的殘余熱應力可忽略不計， 室溫為20 ℃。由于pdc 的軸對稱性， 有限元模擬過程中僅選用右半部分進行計算。通過有限元計算，可得到pcd 層和硬質合金層的殘余應力二維分布云圖（包括徑向應力，軸向應力以及剪切應力），以及 pcd 層表面的殘余應力沿各方向的變化曲線。

運用ansys 軟件，用熱-結耦合法進行殘余熱應力分析，計算模型以及有限元網格劃分pcd 層厚度為1 mm 的pdc 的殘余熱應力分布。

    pdc ***大應力集中分布在界面兩側臨近界面處，而離界面較遠的地方應力相對較小，分布相對較均勻。由于金剛石的熱膨脹系數小于硬質合金，在加熱后的卸壓冷卻過程中，pcd 層收縮比硬質合金慢，pcd 層形成壓應力。當pcd 層厚度為1mm 時，pcd 層的***大徑向壓應力σxmax 出現在復合片界面結合處，高達1.20 gpa（多晶金剛石的抗壓強度1.9~6.9 gpa） ;***大軸向拉應力σymax 位于復合片界面邊緣處，達到850 mpa ,該拉應力容易產生垂直于界面的龜裂裂紋，導致pdc 層的碎裂或脫層；界面間***大剪應力同樣位于界面邊緣，該剪應力是導致pdc 整體斷裂及pcd 層與硬質合金襯底之間脫層的主要原因，也是使用 pdc 鉆頭鉆進過程中所遇到的***具破壞性的失效形式。