聚晶復(fù)合片的鈷管理研究進展

黃海芳,黃 凱

(北京科技大學(xué)，冶金與生態(tài)工程學(xué)院，100083 北京)

1 前言

聚晶金剛石復(fù)合片是一種將金剛石微粉和少量粘結(jié)劑混合后與硬質(zhì)合金襯底在高溫、超高壓下燒結(jié)而成的超硬復(fù)合材料[1]。它既具有聚晶金剛石的超高硬度和耐磨性，又兼?zhèn)溆操|(zhì)合金的可焊接性和韌性，在油氣鉆采、地質(zhì)勘探、礦物開采及硬質(zhì)材料加工、金屬材料加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。在聚晶金剛石復(fù)合片的燒結(jié)過程中，常用的粘結(jié)劑為金屬鈷，其作用為促進金剛石微粒之間D-D鍵的形成。但是粘結(jié)劑鈷的存在也是導(dǎo)致PDC在實際鉆探切削使用過程中失效的重要因素，因為鈷在高溫低壓下與碳具有較強的親和力，會促使金剛石轉(zhuǎn)化為石墨，導(dǎo)致復(fù)合片耐磨性降低，并且鈷與金剛石的熱膨脹系數(shù)差異較大，在研磨、焊接以及鉆探的高溫過程中容易導(dǎo)致應(yīng)力增加，使PDC內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，造成磨損、崩片、斷齒等失效形式[5]。由此可見，對于鈷這個因素的管理和調(diào)控，是深刻影響聚晶復(fù)合片品質(zhì)的一個重要因素，值得做深入的探索和考察。因此本文從PDC的生產(chǎn)合成、精細加工、釬焊連接以及鉆探進程四個方面，對目前已有的研究成果進行總結(jié)整理，并整理了現(xiàn)有PDC脫鈷的工藝，以期為復(fù)合片質(zhì)量提高提供參考。

2 Co的角色分析

2.1 合成階段

聚晶金剛石復(fù)合片的一般合成工藝為將金剛石微粉(或與少量的鈷粉)混合均勻后，與硬質(zhì)合金襯底在高溫(1000℃～2000℃)、超高壓(5～10GPa)下進行燒結(jié)[6]。在燒結(jié)過程中，鈷的來源分為兩種：一、添加鈷粉作為直接鈷源；二、硬質(zhì)合金碳化鎢鈷襯底為燒結(jié)提供鈷源。在超高壓燒結(jié)過程啟動時，金剛石微粉堆積層會發(fā)生一個粉體的滑移壓縮、變形壓縮、碎裂壓縮的過程，歷經(jīng)這三個階段，粉體堆變得致密，每一顆晶粒都基本處于固定狀態(tài)，晶粒之間可能以點、棱、面的形式接觸，而在晶粒之間必然不可避免地存在大量的拱橋孔洞，這些孔洞的內(nèi)表面由于缺少另一個晶粒的支撐，因此幾乎處于零壓力的狀態(tài)，在燒結(jié)溫度升上來，但是鈷液還沒有滲透進來的時刻，這部分金剛石的朝向孔洞的晶面將會率先碳化。隨著壓力提升，鈷液滲透進來，孔洞中則填充了鈷液，使得孔洞中的壓力也隨之提高，則碳化現(xiàn)象終止，而先前低壓階段形成的碳化物會溶解在鈷液中，并會在超高壓及高溫作用下，析出金剛石晶粒D'，粘附在既有的金剛石晶粒D表面，即形成D-D'-D結(jié)合形式。當(dāng)然這是個理想過程，實際過程中鈷/碳比例、壓強溫度值等諸多參數(shù)，都會對D-D'-D的結(jié)合形式造成或多或少的影響，比如也可能形成D-CoCx-D的結(jié)合形式，但因其鍵強遠不如D-D'-D結(jié)合形式，那么就成為導(dǎo)致PCD層弱化的一個因素。因此，這個合成過程中，鈷的存在主要起著傳遞壓強、溶解、析晶的作用。這個鈷的引入，如果采用外添鈷粉的形式，好處是可以根據(jù)特殊需要進行定點、定量的精確摻添，但是容易出現(xiàn)的問題是摻混不均勻、鈷粉氧化、分散不開等情況，因此，在實際生產(chǎn)中，這種摻鈷形式主要當(dāng)做輔助手段來使用，因為無論如何，合金座中的鈷都會熔滲掃越到粉體層來，跟外摻的鈷液會匯合一起影響壓燒反應(yīng)過程，從這個意義上說，外摻的鈷量即使再精確，也會被熔滲上來的鈷影響，也就難以保證絕對的精準和定量化固定乃至產(chǎn)品性能的精確控制。鈷粉的摻入，其均勻分布性，往往隨著摻入量的加大，而愈加惡化，比如大尺寸鈷團的數(shù)目會明顯增多、鈷粉聚集區(qū)域會顯著增多，這就會顯著惡化PDC的耐熱性和耐磨性。由上分析可知，在合成階段，Co扮演著十分重要的角色，探究Co在復(fù)合片的合成過程中的反應(yīng)機理是非常有必要的。

Walmsley J C[7]認為Syndite中存在的鈷溶劑催化劑可以促進高度共生，從而在金剛石晶粒之間形成大面積的牢固鍵合區(qū)域。Bobrovnitchii G S 等人[8]認為以WC、Co、金剛石為原料，通過粉末冶金合成的復(fù)合材料在切割巖石中表現(xiàn)出最佳性能。趙云良[9]認為在復(fù)合片的燒結(jié)過程中，燒結(jié)時間的長短應(yīng)該以PCD與PDC結(jié)合劑能充分融溶浸潤金剛石顆?；蛘叱浞謷咴浇饎偸瘜訛樵瓌t。王坤[10]采用了在金剛石微粉上放置Co片的形式來燒結(jié)合成聚晶金剛石復(fù)合片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)燒結(jié)溫度過低、燒結(jié)時間過短時，Co無法完全熔化滲入金剛石微粒之間，當(dāng)燒結(jié)溫度過高、燒結(jié)時間過長時，金剛石顆粒會發(fā)生石墨化，出現(xiàn)晶粒異常長大。鄧福銘和陳啟武[11]研究了在PDC材料燒結(jié)過程中鈷在金剛石層中的擴散熔滲遷移機制，認為硬質(zhì)合金基底中鈷的掃越熔滲作用受到金剛石微粉原料粒度的影響。原料越細，則熔滲阻力越大，燒結(jié)中鈷熔滲作用時間越長。王德新等人[12]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石微粉和Co粉純凈度越高，Co在金剛石微粉中的潤濕性就越好，在生產(chǎn)合成過程中所需要的Co量也就越少。鄧福銘等人[13]認為燒結(jié)過程中鈷熔體中析出的金剛石碳原子在原始金剛石接觸表面沉積生長彌合而形成的D-D結(jié)合晶界結(jié)構(gòu)，且作為粘結(jié)相的金屬鈷與金剛石之間的結(jié)合強度相對較小，對PCD層抗彎強度的貢獻較小，說明它在燒結(jié)過程中主要起熔煤作用而不是通常所說的“粘結(jié)”作用。李季陽[14]認為在PDC從燒結(jié)溫度降低至室溫時，由于Co的存在會導(dǎo)致PDC內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，若燒結(jié)過程中加壓不均勻，則會大幅度增加內(nèi)部的殘余應(yīng)力，極大降低抗沖擊性能。陳晶晶等人[15]采用生長法，以鈷和陶瓷材料作為粘結(jié)劑合成聚晶金剛石復(fù)合片，選取不同含鈷量的樣品進行微結(jié)構(gòu)和性能測試。結(jié)果顯示改變粘結(jié)劑的種類和含量可以改變金剛石與鈷相的分布，提高聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性能。吉林大學(xué)的劉時琦等人[4]通過添加一些陶瓷或金屬粉末來減少粘結(jié)劑鈷含量，來降低PDC在工作環(huán)境下粘結(jié)劑對耐熱性的影響。他們在以Ni-B-Ti為粘結(jié)劑合成的PDC的SEM以及EDS結(jié)果中發(fā)現(xiàn)PCD層也存在Co元素，驗證了硬質(zhì)合金基體中的Co在高溫高壓合成中可掃越到PCD層。王適等人[16]對金剛石原始粒度與金屬含量Co的配比不同的復(fù)合片進行了熱穩(wěn)定性表征溫度的確定，發(fā)現(xiàn)不同樣品之間的熱穩(wěn)定性表征溫度存在很大差異，而金屬Co含量的影響起了決定性作用。黃志強等人[17]通過添加不同配比的納米Co制備PDC復(fù)合片，并進行一系列測試來探究不同納米Co添加量對復(fù)合片性能的影響。結(jié)果表明：納米Co含量在3%～5%之間時，PDC復(fù)合片綜合性能呈現(xiàn)最好的狀態(tài)。邵華麗等人[18]以Co粉和W粉的混合粉作為粘結(jié)劑來提高PDC的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：在合成過程中生成的WC-Co相，改變了聚晶金剛石中殘留Co的存在狀態(tài)，使得復(fù)合片耐熱性相對提高。谷繼騰等人[19]對鈷在PDC使用過程中扮演的角色進行了探索，認為其熱膨脹致裂是復(fù)合片諸種破壞形式的根源，并分析討論了合成后期(卸壓降溫階段)鈷成分相、尺寸、形狀等特征的“淬冷保留”情況將直接影響復(fù)合片的綜合性能。

可見，大量的工作都對鈷在PDC壓燒過程中扮演的角色進行了多角度、多層次的探討，總結(jié)而言，這些研究都承認鈷在復(fù)合層微粉壓燒反應(yīng)過程中扮演的晶粒表面潤濕、拱橋內(nèi)孔空間增壓、溶解碳-再析晶等多個特征作用的不可或缺。至于各家怎么去精細調(diào)節(jié)鈷的特征行為，則各有各的領(lǐng)悟力和具體方法，這也是各個廠家的調(diào)控復(fù)合片性能的所謂的技術(shù)訣竅或技術(shù)秘密所在。相信隨著國內(nèi)外研發(fā)水平的不斷提高，一定會發(fā)展出越來越精細和精巧的技術(shù)手段。

2.2 噴砂、研磨、倒角、拋光等后加工階段

合成出來的聚晶金剛石復(fù)合片的表面加工，包括噴砂去金屬杯層、研磨令表面平整、倒角以獲合適的啃嚙作用力分布、拋光以光滑表面。這些加工過程，都是外機械力作用于復(fù)合片產(chǎn)品表面，通過作相對運動過程來完成這些表面加工。而這些加工過程，無疑都會發(fā)生作用面的局部生熱現(xiàn)象，也就是要經(jīng)歷一個表面熱作用，而鈷在這些加工過程中的熱發(fā)生、熱作用形式下的表現(xiàn)，將會對產(chǎn)品質(zhì)量和性能造成一定程度的影響。

噴砂，是將硬質(zhì)磨料顆粒通過高壓壓縮空氣流急速地噴向復(fù)合片表面，形成集中的沖擊力，以快速去除表面的金屬杯子殘留包裹層、以及未燒結(jié)良好的疏松聚晶層表面。由于高速噴砂，除了強大的局部沖擊力之外，還會造成PDC表面急速升溫，雖未有人實際測定過這個噴砂作用點上溫度會達到多高，但是其在噴砂過程中表面顯著升溫卻是事實。顯然，PDC聚晶層乃至合金座的鈷，都會引起鈷受熱而膨脹、并因在空氣中操作而發(fā)生表面鈷的氧化、以及高溫下PCD層表面鈷的熱催化轉(zhuǎn)金剛石相為石墨相等多種反應(yīng)的交互作用，雖然這個作用過程時間很短，大約只有1分鐘左右，但是其可能造成的微裂紋、裂紋乃至肉眼可見的缺陷，卻不是可以忽略的事情。而這個階段發(fā)生的高速沖擊力乃至升溫?zé)崞茐?，其實也是對?fù)合片中間品的一個檢驗、檢查過程，如果不能表現(xiàn)良好，則屬于次品或不合格品，直接淘汰。研磨/拋光，是將PDC的聚晶層表面用硬質(zhì)磨料進行專門平整化、光潔化過程，在研磨過程中往往采用濕磨操作，則聚晶層由于表面研磨/拋光而局部升溫現(xiàn)象會顯著少，而表層的晶界之間的鈷，會隨著研磨作用而脫離聚晶層。這個階段，不可避免會出現(xiàn)一個情況是，由于盛放硬質(zhì)磨料的容器多用鐵質(zhì)材料，則會出現(xiàn)一定程度的熱催化，可能會導(dǎo)致聚晶層表面存在一些碳化物相。不過由于這個石墨物相層很薄，且含量低，絕不會影響整個聚晶層，因此倒不用擔(dān)心。倒角，則采用砂輪進行加工，會存在一個倒角作用接觸處的局部升溫，因此會造成不可忽視的熱損傷問題。以上研磨、拋光、倒角操作，因受PDC本身材料的高硬度、高耐磨性的影響，已成為一大難題。目前已有的PDC加工方法有磨削加工、研磨加工、電火花加工、激光加工、化學(xué)加工、超聲加工和復(fù)合加工等，均有大量開展了探索工作的研究[20]。

金剛石砂輪磨削加工機理是利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪對PCD表面材料進行摩擦和撞擊，使其表面部分晶粒解理、脫落。但是在激烈摩擦的同時，磨削的溫度會急劇上升，在溫度700℃以上時，會引起PCD層的部分金剛石出現(xiàn)石墨化，此時Co會催化金剛石向石墨轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致復(fù)合片性能降低。同樣的，鄧福銘等人[21]發(fā)現(xiàn)在采用電火花對PDC進行粗加工時，不同放電參數(shù)加工的PCD表層存在黑色變質(zhì)層，且變質(zhì)層深度隨放電參數(shù)升高而增大，這與Co的逆催化作用有很大關(guān)系。高速鋼盤研磨PCD層時，在壓力作用下PCD表面與鋼盤摩擦表面升溫，會使PCD表面的金剛石微晶粒發(fā)生氧化、擴散、石墨化、熱應(yīng)力破碎和粘結(jié)等作用[22]。盧學(xué)軍等人[23]發(fā)現(xiàn)放電加工不可避免地導(dǎo)致PCD材料表層石墨化的出現(xiàn)，并且石墨化程度隨放電能量的減少而降低。

總而言之，這些操作既是對復(fù)合片表面加工的過程，也實際上是對復(fù)合片品質(zhì)檢查檢驗的過程，噴砂、研磨、拋光、倒角過程均存在不同程度的熱膨脹、熱催化、熱氧化作用，因此，了解這些過程反應(yīng)的特征，對于優(yōu)化和完善復(fù)合片的加工細節(jié)，具有積極意義。

2.3 焊接階段

經(jīng)過合成、研磨等步驟得到聚晶金剛石復(fù)合片后，需要將硬質(zhì)合金層鑲焊在高強鋼基體的凹槽內(nèi)，達到化學(xué)冶金的高強度結(jié)合，才能構(gòu)成鉆探所用的PDC鉆頭，其中常用的釬焊方法有感應(yīng)釬焊、火焰釬焊等。

由于聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金襯底的熱膨脹系數(shù)差異較大，在釬焊受熱以及冷卻的過程中，很容易在兩者結(jié)合的界面處出現(xiàn)殘余應(yīng)力，使聚晶金剛石層受到壓應(yīng)力，而同時硬質(zhì)合金層產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致復(fù)合片的強度降低。也由于Co的存在，金剛石很容易在700℃左右時被石墨化、氧化，造成復(fù)合片耐熱磨性差。因此，為了消除在釬焊過程中Co所產(chǎn)生的不良影響，很多改進的焊接方案被提了出來。

趙云良[24]認為在制作鉆頭時，將PDC高溫釬焊到鉆頭體上，由于受到700℃左右的高溫，會使原本存在的裂紋或界面分層進一步擴大，直接形成破壞。朱海旭[25]提出了一種新型的適用于高頻感應(yīng)釬焊的銀基釬焊膏制備工藝，這種釬焊膏屬于低熔點合金釬料，熔化溫度在580℃～880℃，且該釬料在680℃～700℃便能很好地浸潤金剛石，而聚晶金剛石層開始石墨化的溫度在空氣中為700℃，因此能夠有效控制金剛石層的石墨化程度。賈乾忠等人[26]采用AgZnCuMnNi釬料對PDC與YG8硬質(zhì)合金進行高頻感應(yīng)釬焊連接，研究恒溫時間對刀具焊接性能的影響，結(jié)果表明在PDC的高溫感應(yīng)釬焊中，應(yīng)采用較短的恒溫時間，有利于減少PDC的熱損傷。

2.4 鉆探階段

PDC鉆頭具有硬度高、耐磨性好、強度高、自銳性好的優(yōu)勢，在中軟以及硬質(zhì)地層中都有廣泛的應(yīng)用。但是PDC鉆頭也存在熱穩(wěn)定性差、抗沖擊性差的缺點，由于碳化鎢硬質(zhì)合金與聚晶金剛石在熱膨脹系數(shù)、彈性模量上存在較大差異，在冷卻時容易在結(jié)合界面處出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象[27]。鉆頭破碎巖石的過程是兩者相互作用的過程，在切削巖石的過程中會產(chǎn)生大量的摩擦熱，當(dāng)溫度過高時鉆頭所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會超過材料的許用強度時，就會造成鉆頭失效[14]。且當(dāng)鉆頭溫度超過700℃時，切削齒會產(chǎn)生顯著的內(nèi)應(yīng)力，使得復(fù)合片崩裂。隨著高速鉆進過程中溫度的持續(xù)升高，復(fù)合片中的Co也會加劇PCD層的石墨化程度，導(dǎo)致磨損、斷裂等失效形式[28]。

王兵[29]認為由于金剛石和粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致PDC對溫度變化有一定的敏感性，在實際鉆探過程中，由于摩擦生熱會造成內(nèi)應(yīng)力超過物質(zhì)間的結(jié)合力，產(chǎn)生熱物理磨損，使金剛石顆粒剝落。藍紅[30]認為當(dāng)金屬粘結(jié)劑Co熱膨脹不能破壞金剛石之間的化學(xué)鍵時，金屬Co向切削齒的磨口處遷移并黏附在磨口上，隨著磨口溫度的上升，金屬粘結(jié)劑成為反催化劑，導(dǎo)致聚晶金剛石層的石墨化或氧化反應(yīng)，最終迅速降低了其使用壽命。汪冰峰等人[31]對粘結(jié)劑Co的分布及形貌對PDC受熱時性能變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)Co的熱脹冷縮和氧化產(chǎn)生的熱龜裂裂紋是導(dǎo)致PDC刀具機械性能降低的重要原因。王適等人[32]認為PCD受熱時，主要是金剛石和金屬鈷與氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，且PCD熱損傷的形式有4種：金剛石表面的微裂紋、金剛石表面的“皺紋”、球狀凸起、微孔洞。吳海東[33]認為金剛石的磨損機理分為沖擊碎裂磨損、研磨磨損和熱損傷磨損，其中熱損傷會加劇沖擊碎裂磨損和研磨磨損，甚至直接導(dǎo)致金剛石材料的碎裂。M.Yahiaoui等人[34]探究了PCD燒結(jié)過程中添加不同含量的粘結(jié)劑鈷對PDC復(fù)合片性能的影響，認為鈷只是金剛石形成的前驅(qū)體而非催化劑，金剛石復(fù)合片中殘留的鈷越多，樣品磨損越嚴重。Jianxin D 等人[35]發(fā)現(xiàn)PCD表面的損壞發(fā)生在600℃左右，同時伴隨著大量的Co相從PCD中擠出。Mehan R L 等人[36]認為金剛石失效是由間隙鈷和其他金屬元素引起的。鉆探過程，由于實際地層的地質(zhì)特征復(fù)雜多樣，對復(fù)合片鉆頭的沖擊、研磨、啃嚙作用，往往是交互、復(fù)雜作用的，這是一般實驗室測試方法在均勻性力場下獲得的測試結(jié)果所難以比擬的。而加強對這個鈷在復(fù)合片各種典型破損形式的分類研究，將可從材料微觀結(jié)構(gòu)和成分特征信息與鉆井勘探過程中典型鉆進模式相結(jié)合，可以推斷出對復(fù)合片設(shè)計具有指導(dǎo)性的有用信息，從而用于優(yōu)化PDC的生產(chǎn)設(shè)計。

3 消除Co不良影響的對策

為了降低粘結(jié)劑鈷在合成后引發(fā)聚晶金剛石層的熱膨脹、熱催化、熱氧化等負面影響，在合成之后進行復(fù)合片聚晶層脫鈷已經(jīng)非常普遍，常用的方法有酸浸法、電解法以及使用其他粘結(jié)劑的方法等。以下是對目前已有的脫鈷方法的總結(jié)整理。

3.1 酸浸脫鈷法

Bovenkerk等人[37]使用高濃度酸(例如王水)來脫除PDC中的鈷，結(jié)果使復(fù)合片獲得了較好的耐熱性，但耐磨性、強度卻降低了。方海江等人[38]以硝酸(65wt%)、氫氟酸(35wt%)、過氧化氫(40wt%)、純水的混合液為脫鈷試劑，在室溫(23℃)下進行脫鈷工作，當(dāng)脫鈷深度增加到550微米以上，PDC的耐磨性能可獲得顯著的提升。仝斐斐等人[39]設(shè)計了以路易斯酸—氯化鐵(FeCl3)—鹽酸作為脫鈷試劑對金剛石復(fù)合片進行脫鈷試驗，脫鈷深度比傳統(tǒng)的使用王水的工藝脫鈷深度大，還減少了對非脫鈷部分的腐蝕損害。王潛龍[40]發(fā)明了一種基于人造聚晶金剛石復(fù)合片的脫鈷復(fù)合酸的脫鈷方法，具有脫鈷深度大、成本低的優(yōu)勢。藍紅等人[30]在進行PDC脫鈷時采用了先快洗后慢洗的操作方法，在快洗階段主要采用單一高濃度強酸放入恒溫水浴鍋中加熱并添加硫酸鹽，在慢洗階段主要采用強酸加銨鹽和鹽酸鹽。許立[41]發(fā)明了一種用于脫鈷的溶液體系，該體系由酸性溶液A和堿性溶液B組成，其中酸性溶液A包括強酸、H2O2和H2O，堿性溶液包括強堿、K3[Fe(CN)6]、H2O。

3.2 電解脫鈷法

范萍等人[42]采用了一種在堿性電解液中電解聚晶金剛石內(nèi)金屬鈷的方法，研究后發(fā)現(xiàn)此法能夠使聚晶金剛石復(fù)合片的殘余熱應(yīng)力降低到原來的1/10。劉寶昌等人[43]發(fā)明了一種電解法脫除聚晶金剛石復(fù)合片中部分金屬鈷的方法，以硼酸、氯化鈉和硫酸鈷組成電解液，以聚晶金剛石層為陽極、惰性金屬為陰極，具有脫鈷工作時間短，對聚晶金剛石復(fù)合片的其他結(jié)構(gòu)影響小，無污染的優(yōu)勢。張巖等人[44]以焦磷酸鹽、硫化銨、氯化鈉和水為電解液，聚晶金剛石層為陽極，惰性金屬為陰極對金剛石復(fù)合齒進行改性，可使聚晶金剛石層的鈷含量低于1.2%，脫鈷深度可以達到0.7～0.8mm。

3.3 采用其他添加劑替代鈷

De Beers 公司以陶瓷材料β-SiC為粘結(jié)劑合成聚晶金剛石復(fù)合片，此產(chǎn)品能夠在惰性氣氛下加熱至1200℃[3]，以Si-Ti-B為粘結(jié)劑合成的產(chǎn)品在惰性氣氛下可加熱至1100℃～1300℃[45]。Hong SM[46]以TiC為粘結(jié)劑獲得的復(fù)合片，在900℃～1400℃條件下連續(xù)熱處理30分鐘，復(fù)合材料內(nèi)或復(fù)合材料上均未發(fā)現(xiàn)石墨化或開裂，說明該產(chǎn)品耐熱性良好。Jaworska L[47]以Ti3SiC2為粘結(jié)劑可以獲得孔隙率極低的聚晶金剛石復(fù)合片。Westraadt J E等人[48]以CaCO3為燒結(jié)劑獲得的復(fù)合片在1200℃加熱后的耐磨性比以Co為燒結(jié)劑的復(fù)合片的耐磨性高得多。

孫毓超[49]認為鈷粘結(jié)劑的加入會影響PDC的耐熱性，實驗證明不添加粘結(jié)劑的聚晶金剛石復(fù)合片的耐熱性更好。劉寶昌等人[50]按6Ni-4Ti-2B比例將Ni、Ti、B等粉末與金剛石微粉混合，采用溶滲-粉末混合燒結(jié)的方法制備聚晶金剛石復(fù)合片。經(jīng)過SEM、EDS及XRD的檢測分析發(fā)現(xiàn)樣品中生成了CoxWxC固溶體和TiB2-Ni金屬陶瓷復(fù)合相等耐熱相，并且差重?zé)嶂胤治鼋Y(jié)果顯示添加Ni、Ti、B的PDC耐性溫度為920℃，比傳統(tǒng)PDC相比提高了160℃。段植元等人[51]通過摻入碳納米管促使大量聚晶金剛石顆粒實現(xiàn)直接連接，實現(xiàn)以“金剛石-金剛石”的連接形式替代了“金剛石-粘接劑-金剛石”的連接形式，將復(fù)合片的抗沖擊韌性提高大約9倍。賈洪聲等人[52]以不同鐵基合金(Fe55Ni26Mn14Co5、Fe55Ni26Co19、FeNi36)為燒結(jié)助劑(熔滲質(zhì))，采用高壓熔滲技術(shù)制備了金剛石復(fù)合片(PDC)。

4 總結(jié)與展望

本論文通過對Co在聚晶金剛石復(fù)合片中作用的分析，大致在復(fù)合片的合成、研磨、焊接、鉆探過程這四個階段對現(xiàn)有的關(guān)于鈷控制方面的研究進行了整理總結(jié)，介紹了Co在聚晶金剛石復(fù)合片的整個生命周期中各階段所扮演角色的行為特征，進而明確提出了“鈷管理”這樣一個全新概念。這個概念的首次提出，乃是基于鈷是一個對聚晶復(fù)合片的設(shè)計、生產(chǎn)、加工、使用乃至各種破壞形式之全生命周期過程中至始至終都貫穿于其中這樣一個事實的認知，以及對其在各個階段的具體表現(xiàn)形式的理解而形成的深刻概念。

具體而言，Co的角色分為對PDC有利和不利兩個方面：有利的一面是Co是聚晶金剛石合成中必不可少的催化劑、傳壓劑、粘接劑，能夠促進金剛石微粒之間的鍵合，形成D-D鍵；不利的一面是在聚晶金剛石復(fù)合片由燒結(jié)溫度降低至室溫的過程中(卸壓降溫)，由于Co與金剛石之間的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，會導(dǎo)致聚晶層與合金基底之間、聚晶層內(nèi)部晶粒之間產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，埋下后續(xù)加工、使用過程中的各種瑕疵或缺陷，致使綜合性能惡化——在研磨加工及鉆探過程中，由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，Co的存在會成為金剛石向石墨轉(zhuǎn)變的催化劑、引發(fā)熱氧化乃至熱膨脹導(dǎo)致微裂紋發(fā)生及擴展的重要誘因，因此導(dǎo)致復(fù)合片性能降低；在焊接的過程中，由于焊接溫度的影響，Co也會使金剛石向石墨轉(zhuǎn)化、氧化及被熱膨脹破壞等。

為了盡量避免Co在合成之后的諸環(huán)節(jié)中所帶來的不利影響，本文還總結(jié)了一些現(xiàn)有的脫除鈷的方法和專利。通過查閱整理有關(guān)鈷對于復(fù)合片性能影響的文章，本文認為要想制備高性能的復(fù)合片，可以從鈷的添加量、鈷的添加形式以及合成之后脫除鈷的方法等方面進行研究?？刂柒挼奶砑恿渴亲钪苯佑行Ц淖働DC的耐磨性能的手段，這一點可以通過工藝的調(diào)控實現(xiàn)；改變鈷的添加形式，可以調(diào)整鈷的分布和鈷的成分和形狀，這對于復(fù)合片能否具有良好的耐磨性、耐熱性乃至耐沖擊性等十分重要；合成之后對復(fù)合片進行脫鈷，能夠降低鈷帶來的不利影響，但是如何避免脫鈷方法對基體造成損傷亦是亟待解決的問題。此外，采用其他粘結(jié)劑或者采用鈷與其他材料混合的形式，可提高復(fù)合片質(zhì)量，但是作為非主流的粘結(jié)劑形式，需要考慮大量、充分、反復(fù)使用后的情況才能確定其可取性。這是今后聚晶工具材料界需要注意的方向。

希望本文能夠為廣大的聚晶金剛石復(fù)合片研究工作者提供一些便利，對Co之于復(fù)合片的影響有所重視，以更好地解決目前所存在的問題，研制出性能更優(yōu)良的聚晶金剛石復(fù)合產(chǎn)品。