聚晶金剛石復(fù)合片殘余熱應(yīng)力的影響因素
發(fā)布時(shí)間：
2021-11-13
聚晶金剛石復(fù)合片殘余熱應(yīng)力的影響因素是什么？
根據(jù)pdc 制造過程中的熱力學(xué)工藝條件，對(duì)平面界面及幾種典型不規(guī)則界面的pdc 殘余熱應(yīng)力作了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算和分析比較，亦對(duì)pdc 殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律做了相關(guān)研究；對(duì)梯度結(jié)構(gòu)聚晶金剛石復(fù)合片與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片在制造過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出梯度結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片有效降低了殘余熱應(yīng)力；采用熔滲法成功制備了低殘余應(yīng)力的優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)型聚晶金剛石復(fù)合片。
影響pdc 殘余熱應(yīng)力的因素主要有聚晶pcd 層厚度、pdc 的燒結(jié)溫度、界面結(jié)構(gòu)、后處理方式以及后期熱處理工藝等。其中pcd 層厚度和燒結(jié)溫度對(duì)殘余熱應(yīng)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(zhì)合金層厚度比和pdc 壓制過程中燒結(jié)溫度的波動(dòng)對(duì)pdc 殘余熱應(yīng)力的影響。
1.pcd 層與硬質(zhì)合金層厚度比對(duì)pdc 殘余熱應(yīng)力的影響
通過實(shí)驗(yàn)得出：pdc 硬質(zhì)合金層的厚度與pcd 層的厚度比對(duì)pdc 的徑向應(yīng)力有很大影響。亦通過研究提出：pcd 層薄的pdc 抗沖擊性應(yīng)該更好，但較薄的pcd 層會(huì)影響pdc 的使用壽命，pcd 層與硬質(zhì)合金層厚度比值應(yīng)有一個(gè)佳值。為進(jìn)一步了解pcd 層與硬質(zhì)合金層厚度比對(duì)pdc 殘余熱應(yīng)力（主要是pcd 層厚度對(duì)pdc 垂直方向的應(yīng)力影響），筆者對(duì)不同pcd 層與硬質(zhì)合金層厚度比值的pdc 進(jìn)行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學(xué)性能參數(shù)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(fù)合片，選擇pcd 層厚度在0.5~2.0 mm 范圍內(nèi)的16 種pdc .有限元網(wǎng)格劃分過程中，pcd 層單元格為0.2 mm× 0.2 mm, 硬質(zhì)合金層靠近界面部分網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離界面部分網(wǎng)格相對(duì)稀疏。設(shè)定1 000 ℃為pdc 應(yīng)力松弛溫度[7],在這一溫度以上pdc 的殘余熱應(yīng)力可忽略不計(jì)， 室溫為20 ℃。由于pdc 的軸對(duì)稱性， 有限元模擬過程中僅選用右半部分進(jìn)行計(jì)算。通過有限元計(jì)算，可得到pcd 層和硬質(zhì)合金層的殘余應(yīng)力二維分布云圖（包括徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力），以及 pcd 層表面的殘余應(yīng)力沿各方向的變化曲線。
運(yùn)用ansys 軟件，用熱-結(jié)耦合法進(jìn)行殘余熱應(yīng)力分析，計(jì)算模型以及有限元網(wǎng)格劃分pcd 層厚度為1 mm 的pdc 的殘余熱應(yīng)力分布。
pdc大應(yīng)力集中分布在界面兩側(cè)臨近界面處，而離界面較遠(yuǎn)的地方應(yīng)力相對(duì)較小，分布相對(duì)較均勻。由于金剛石的熱膨脹系數(shù)小于硬質(zhì)合金，在加熱后的卸壓冷卻過程中，pcd 層收縮比硬質(zhì)合金慢，pcd 層形成壓應(yīng)力。當(dāng)pcd 層厚度為1mm 時(shí)，pcd 層的大徑向壓應(yīng)力σxmax 出現(xiàn)在復(fù)合片界面結(jié)合處，高達(dá)1.20 gpa（多晶金剛石的抗壓強(qiáng)度1.9~6.9 gpa） ;大軸向拉應(yīng)力σymax 位于復(fù)合片界面邊緣處，達(dá)到850 mpa ,該拉應(yīng)力容易產(chǎn)生垂直于界面的龜裂裂紋，導(dǎo)致pdc 層的碎裂或脫層；界面間大剪應(yīng)力同樣位于界面邊緣，該剪應(yīng)力是導(dǎo)致pdc 整體斷裂及pcd 層與硬質(zhì)合金襯底之間脫層的主要原因，也是使用 pdc 鉆頭鉆進(jìn)過程中所遇到的具破壞性的失效形式。
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