聚晶金剛石復(fù)合材料是將聚晶金剛石薄層附著黏結(jié)在硬質(zhì)合金襯底上的復(fù)合材料。聚晶金剛石復(fù)合片兼有聚晶金剛石極高的耐磨性以及硬質(zhì)合金的高抗沖擊性。金剛石層刃口鋒利而且具有自銳性，能夠始終保持切削刃的銳利，因此非常適用于石油和地質(zhì)鉆探中的軟地層直至中硬地層的勘探，效果非常好。聚晶金剛石復(fù)合片中的金剛石含量高達99%，故金剛石層硬度極高、耐磨性極好，其努氏硬度為6.5×104~7.0×104MPa，甚至更高。
硬質(zhì)合金基體克服了聚晶金剛石硬而脆的不足，大大提高了產(chǎn)品整體的抗沖擊韌性。硬質(zhì)合金的易焊接性則解決了聚晶金剛石很難通過焊接方法與其他材料結(jié)合的難題，可以使聚晶金剛石復(fù)合片豎直鑲焊在鉆頭上。聚晶金剛石復(fù)合片因自身性能優(yōu)越，國內(nèi)外競相研制和生產(chǎn)，從而品種規(guī)格日益繁多，如圖1所示。
主要特性：
1 ) 具有極高的硬度。聚晶金剛石的硬度為HV7500~9000，僅次于天然金剛石。而且其硬度和耐磨性各向同性，不需選向。其強度由于有韌性較高的硬質(zhì)合金支撐，復(fù)合抗彎強度可達1500 MPa。
2 ) 具有很高的耐磨性。聚晶金剛石的耐磨性一般為硬質(zhì)合金的60~80倍。在切削硬度較高(>HV1500)的非金屬材料時，耐用度極高。
3) 具有較低的摩擦因數(shù)。聚晶金剛石與有色金屬的摩擦因 數(shù)為0.1~0.3，而硬質(zhì)合金與有色金屬的摩擦因數(shù)是0.3~0.6。由聚晶金剛石(簡稱PCD)材料制作的PCD刀具，與硬質(zhì)合金刀具相比可降低切削力和切削溫度約1/2~1/3。
4) 具有很高的導(dǎo)熱性。聚晶金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)是硬質(zhì)合金的1.5~7倍，可以大大降低切削區(qū)的溫度，提高刀具耐用度。
5) 具有較小的膨脹系數(shù)。聚晶金剛石的線膨脹系數(shù)很小，約為一般鋼的1/10。另外，因為刀刃鋒利，已加工表面加工硬化程度僅為硬質(zhì)合金刀具的1/3左右，所以加工精度好。
6) 可以根據(jù)需要制作成各種尺寸和形狀。
7) 表現(xiàn)出比單晶金剛石明顯優(yōu)越的韌性和抗沖擊性能，在一定程度上彌補了單晶金剛石脆性大、易解理破裂的缺點。
發(fā)展簡史：
人們對制造聚晶金剛石的設(shè)想大概來源于對天然“卡布納多”金剛石的認識——這種金剛石由無數(shù)微小的金剛石顆粒組成，含有少量的雜質(zhì)，顆粒呈無序排列、無解理面，具有很高的硬度、強度和耐磨性，在自然界很稀少。
從20世紀60 年代起，美國與前蘇聯(lián)的科學(xué)家就嘗試人工合成“卡布納多”。
1964 年GE 公司的Delai 首次以“某些金屬添加劑能使金剛石與金剛石之間產(chǎn)生直接結(jié)合”申請了美國專利。
1966 年Blainley 等人提出用親和性金屬為結(jié)合劑制取金剛石聚結(jié)體。
1967 年前蘇聯(lián)斯拉烏季契的金剛石與硬質(zhì)合金的混合燒結(jié)體以及由石墨相變聚結(jié)的人造“巴拉斯”和人造“卡布納多”的報告相繼發(fā)表。
1970 年美國Hall 和Stromberg 完成燒結(jié)金剛石的試驗。
1971年katzman 公布金剛石微粒通過鈷融熔再結(jié)晶聚結(jié)的報告。
1971 年GE 公司發(fā)明了由硬質(zhì)合金支撐的聚晶金剛石復(fù)合片(簡稱PDC)。
1972—1973 年正式用于商品化生產(chǎn)，起初應(yīng)用于機械加工刀具。
1976年正式向市場提供石油、地質(zhì)鉆頭專用系列產(chǎn)品。
1981 年該產(chǎn)品獲美國近海技術(shù)工程特別貢獻獎。
在英國，De Bees 公司于1977 年研制成功適合于機械加工用的PDC，1983年向市場出售石油、地質(zhì)鉆頭專用系列PDC 產(chǎn)品。
而美國的合成公司于1983 年才進入PDC 市場，經(jīng)過卓有成效的研發(fā)工作及堅持不懈的努力，使其產(chǎn)品的耐磨性、抗沖擊性大為提高，從而在1997 年成為了鉆井PDC 市場份額的領(lǐng)先者。
另外美國的梅加金剛石公司、丹尼斯工具以及鳳凰晶體公司也分別向鉆頭公司及其他鉆井工具服務(wù)公司或一些定向的終端用戶提供PDC、牙輪鉆頭專用的一些異形PDC 齒及軸承用PDC。
多年來PDC 在諸多應(yīng)用領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)證明，這無疑是材料科學(xué)領(lǐng)域具有劃時代意義的發(fā)明。
主要分類：
結(jié)合劑類型的不同導(dǎo)致聚晶金剛石的顯微組織結(jié)構(gòu)中金剛石相的結(jié)合方式及其性能出現(xiàn)明顯差異。劃分聚晶金剛石類型對實際應(yīng)用具有重要意義。從合成工藝、產(chǎn)品宏觀特性及顯微結(jié)構(gòu)特點的角度出發(fā)，聚晶金剛石可以分為三種類型。
1) 生長-燒結(jié)型聚晶金剛石。
金剛石顆粒被燒結(jié)在一起，晶粒之間界面上以金剛石—金剛石鍵合方式結(jié)合，金剛石相形成整體的剛性骨架結(jié)構(gòu)。作為燒結(jié)助劑的鐵族金屬或合金則以孤島形態(tài)彌散分布在骨架內(nèi)。該類聚晶金剛石常用的結(jié)合劑是Co或Co合金、Ni或Ni合金。燒結(jié)過程中以金剛石顆粒長大和顆粒間燒結(jié)頸的生長為主，該種聚晶金剛石具有耐磨性好、硬度高等特點，但其熱穩(wěn)定性較差，耐熱溫度一般在700℃左右。圖2為生長-燒結(jié)型聚晶金剛石的顯微組織示意圖。
2) 燒結(jié)型聚晶金剛石。
結(jié)合相主要是碳化物相，它將金剛石顆粒包覆結(jié)結(jié)在一起，形成典型的粉末冶金液相燒結(jié)材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，見圖3。常用的結(jié)合劑有Si、Ti、Si-Ti、Si-Ni、Si-Ti-B等。燒結(jié)型聚晶金剛石有很好的耐熱性，耐熱溫度可達1200℃。與生長-燒結(jié)型聚晶金剛石相比，其耐磨性較差，但成本低，對于一些對耐磨性要求不高或?qū)δ蜔嵝砸筝^高的應(yīng)用場合燒結(jié)型聚晶金剛石有其優(yōu)勢。
3) 生長型聚晶金剛石。
以石墨和觸媒金屬為原料，在超高壓高溫條件下使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸⒁揽拷饎偸纳L使金剛石顆粒燒結(jié)在一起。由于石墨不能完全轉(zhuǎn)變，聚晶金剛石的性能很難控制。該種類型的聚晶金剛石僅限實驗室試制，還未見商品化產(chǎn)品。
制造工藝：
聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片一般由靜態(tài)超高壓-高溫方法制造，所用設(shè)備主要有六面頂金剛石專用液壓機和年輪式兩面頂壓機，這些超高壓設(shè)備與合成人造金剛石單晶所用設(shè)備完全相同。
1) 聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片生產(chǎn)工藝流程，見圖4和圖5。
圖5 聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片生產(chǎn)工藝流程
2) 靜態(tài)超高壓設(shè)備。
目前生產(chǎn)聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片的靜態(tài)超高壓設(shè)備有兩種類型：中國(包括少部分國外廠家)普遍采用鉸鏈式六面頂超高壓設(shè)備(或稱作六面頂壓機)作為主要設(shè)備；國外則主要采用年輪式兩面頂壓超高壓設(shè)備(或稱作兩面頂壓機)。六面頂超高壓設(shè)備生產(chǎn)聚晶金剛石或金剛石復(fù)合片的優(yōu)點是：產(chǎn)生的壓力場更接近水靜壓力，合成腔內(nèi)的應(yīng)力場狀態(tài)更為合理；機器工作效率高，設(shè)備造價相對低廉。缺點是合成腔體大型化困難。兩面頂超高壓設(shè)備生產(chǎn)聚晶金剛石或金剛石復(fù)合片的優(yōu)點是：壓力和溫度的控制精度較高；合成腔體大型化易于實現(xiàn)，適合于生產(chǎn)大尺寸產(chǎn)品或單次合成多個產(chǎn)品。缺點是設(shè)備運行成本高。
性能指標：
1) 耐磨性。
聚晶金剛石作為切削或鉆削工具材料使用時，其耐磨性與工具的壽命具有直接的對應(yīng)關(guān)系，因此耐磨性成為聚晶金剛石最重要的性能指標。聚晶金剛石的耐磨性通常用磨耗比來表示。目前聚晶金剛石磨耗比的測定方法采用的是行業(yè)標準“人造金剛石燒結(jié)體磨耗比測定方法”。
2) 熱穩(wěn)定性。
熱穩(wěn)定性也被稱為耐熱性，一般用耐熱溫度表示，是指聚晶金剛石要保持性能基本不變所能承受的最高熱處理溫度。熱穩(wěn)定性是聚晶金剛石重要的性能指標之一，它涉及到制作聚晶金剛石工具的工藝過程以及工具的使用環(huán)境，是工具制造者必須重點考慮的性能參數(shù)。加工制造時所用溫度過高或工具在過高溫度下使用，都會使聚晶金剛石工具使用效果變差。
3) 抗沖擊韌性。
抗沖擊韌性是指聚晶金剛石或金剛石復(fù)合片在沖擊載荷作用下不發(fā)生破壞的最大能力。該性能指標對于聚晶金剛石工具能否發(fā)揮其具有硬度高、耐磨性好、壽命長等特點至關(guān)重要。
4) 抗彎強度。
采用三點彎曲試驗測定聚晶金剛石的抗彎強度。聚晶金剛石試樣可以制成棒狀，也可以是圓片狀。
5) 硬度。
聚晶金剛石的硬度值很高，僅次于單晶金剛石，一般用努氏(Knoop)硬度來測量。
6) 導(dǎo)電性。
一般來講，聚晶金剛石導(dǎo)電性不是很好，電阻值很大。普通的電火花加工設(shè)備很難勝任對聚晶金剛石的加工，必須有專用的電火花加工電源才能夠獲得可以接受的加工速度。即使如此，專用電火花設(shè)備加工聚晶金剛石仍比普通電火花設(shè)備加工金屬材料要慢很多。
7) 耐腐蝕性。
生長-燒結(jié)型聚晶金剛石在酸液或堿液中長時間加熱處理后，其力學(xué)性能(硬度、耐磨性等)基本保持不變。生長-燒結(jié)型聚晶金剛石在強酸處理后，由于作為結(jié)合劑的金屬相與酸反應(yīng)后從聚晶金剛石(簡稱PCD)中被浸出，PCD的導(dǎo)電性明顯下降。
燒結(jié)型聚晶金剛石的主相金剛石和結(jié)合相碳化物都具有耐酸堿腐蝕的特性。聚晶金剛石在酸液或堿液中長時間加熱處理后，其力學(xué)性能和物理性能基本保持不變。
應(yīng)用領(lǐng)域：
1) 聚晶金剛石鉆頭。
適用于石油鉆探、地質(zhì)勘探的小直徑聚晶金剛石鉆頭(圖6)成本相比于天然金剛石非常低廉，且耐磨性高。
2) 聚晶金剛石噴嘴。
目前五金和機械行業(yè)進行噴砂噴丸加工時普遍使用的是氧化鋁陶瓷噴嘴、硬質(zhì)合金噴嘴和碳化硼噴嘴。由聚晶金剛石材料制成的噴嘴比普通材料噴嘴的壽命提高了10~200倍，獲得了前所未有的長使用壽命。采用聚晶金剛石噴嘴能夠大幅降低材料消耗，明顯提高工作效率，還可以大大減少市場對陶瓷磨料和碳化物的需求，具有明顯的節(jié)能和環(huán)保的社會效益。聚晶金剛石噴嘴具有性能可靠、壽命極長的特點，適用于很多耐磨性要求高的場合。同時因為具有耐酸、耐堿、耐腐蝕的特點，聚晶金剛石噴嘴還適用于水切割、酸堿液噴口、泥漿噴射口等場合，市場和應(yīng)用前景極為可觀。
3) 金剛石復(fù)合片止推軸承。
螺桿鉆具是石油鉆井中以泥漿為動力的一種井下動力鉆具。新型螺桿鉆具的傳動軸總成采用了硬質(zhì)合金徑向軸承和金剛石復(fù)合片的平面止推軸承(圖7)，使其壽命更長承載能力更高。
4) 石材加工。
將鉆探用金剛石復(fù)合片切割成四方形或長條形應(yīng)用于軟石材的開采和切割工具，可以得到更高的加工效率。
5) 其他耐磨器件的應(yīng)用。
聚晶金剛石用于電子元器件貼片封裝貼片機的吸嘴、要求高耐磨的V形槽表面、要求高耐磨或低粗糙度的模具或夾具部件等都取得了好的使用效果。
未來發(fā)展方向：
1) 聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片的尺寸大型化。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，可能對聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片工具或刀具的尺寸大型化要求會越來越強烈。目前，某些國外公司可批量生產(chǎn)直徑達50.8~ 80.0 mm的規(guī)格產(chǎn)品。甚至有國外廠家聲稱已制造出可以商品化的直徑120 mm的金剛石復(fù)合片。
近年來，國內(nèi)刀具用金剛石復(fù)合片生產(chǎn)技術(shù)研究也取得了長足的進步，目前市場上已可提供最大直徑尺寸達40~50 mm規(guī)格的質(zhì)量優(yōu)良的產(chǎn)品。聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片的尺寸大型化能夠擴大其應(yīng)用范圍，加工出更多或形狀更復(fù)雜的小單元。更重要的是對于刀具和拉絲模這類用途，大直徑產(chǎn)品可以大大降低聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片小單元的成本，將更受歡迎。
2) 聚晶金剛石和金剛石復(fù)合片的晶粒細化。
金剛石晶粒細化可以顯著提高材料的抗彎強度，同時使金剛石復(fù)合片工具獲得更低的加工表面粗糙度。目前的切削刀具用金剛石復(fù)合片和拉拔工具用聚晶金剛石的金剛石晶粒度都在微米級水平。對亞微米級甚至更細的聚晶金剛石的研究已有二、三十年歷史，大部分研究采用的是爆炸法。雖有一定的研究成果，但整個研究水平未見明顯提高。另外，因為其制作的高難度和性能的局限，至今還未出現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。
晶粒的細化會給聚晶金剛石帶來更好、更特別的性能，因此它仍然是未來聚晶金剛石發(fā)展的方向。近十幾年來納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，也促使專家學(xué)者關(guān)注并投入到納米晶粒度多晶金剛石的研究中。工業(yè)應(yīng)用也一直期待著由穩(wěn)定的制造工藝得到穩(wěn)定的納米聚晶金剛石產(chǎn)品。
3) 金剛石復(fù)合片層間內(nèi)界面的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計。
非平面結(jié)合是指硬質(zhì)合金基體與聚晶金剛石層間采用波浪形、鋸齒形等曲面結(jié)合，后來又進一步發(fā)展為臺階形、同心圓、螺旋、間斷的圓弧或其他更復(fù)雜的立體幾何形式結(jié)合。這些措施在一定程度上提高了復(fù)合片的機械結(jié)合強度，降低了硬質(zhì)合金基體與聚晶金剛石層間的殘余應(yīng)力，提高了鉆齒的整體抗沖擊強度，取得了很好的使用效果。
通過有限元計算可以得到不同形狀層間內(nèi)界面下金剛石復(fù)合片的殘余應(yīng)力分布，從而判斷所設(shè)計的層間內(nèi)界面結(jié)構(gòu)是否合理。從20世紀90年代起，金剛石復(fù)合片石油鉆齒出現(xiàn)了非平面結(jié)合的革命性改變。因此，如何設(shè)計出更合理更有效的界面結(jié)構(gòu)，是改進和提高金剛石復(fù)合片性能質(zhì)量的重要技術(shù)，也是未來金剛石復(fù)合片的研究發(fā)展方向之一。
4) 金剛石復(fù)合片表面狀態(tài)的改性研究。
20世紀90年代中后期，開始大量采用鏡面拋光的鉆探用金剛石復(fù)合片鉆齒。經(jīng)過拋光的金剛石表面被認為更有利于金剛石復(fù)合片鉆齒的排屑，降低了金剛石復(fù)合片鉆頭發(fā)生泥包的概率，能夠明顯提高鉆進速度，延長鉆頭使用壽命。將金剛石復(fù)合片中的鈷去除可以提高耐熱性的研究早在20世紀80年代已有報道。美國NOV公司重新利用該成果近幾年推出脫鈷金剛石復(fù)合片，并得到專利保護。
脫鈷金剛石復(fù)合片是將金剛石復(fù)合片表面深約0.3 mm的鈷相從金剛石相間去除，消除了金剛石復(fù)合片工作在較高溫度下鈷的危害作用，大大提高了金剛石復(fù)合片鉆齒的耐磨性，據(jù)稱可以比未脫鈷的金剛石復(fù)合片壽命提高三倍。
5) 異型端面金剛石復(fù)合片技術(shù)研究。
鉆探用外齒型金剛石復(fù)合片鉆齒是將金剛石復(fù)合片鉆齒的金剛石端面由平面改為齒面，齒面可以是波浪形、鋸齒形或梯形。焊接金剛石復(fù)合片鉆頭時應(yīng)使金剛石端面上異型溝槽指向巖石面，在巖石鉆探工作中帶溝槽鉆齒的工作部位(刃口)逐漸形成了一排“牙齒”，這排齒的切巖能力和效果要遠勝過平面無齒的金剛石復(fù)合片鉆齒，而且這種效果基本上可以一直保持到整個鉆齒失效。用這種新型鉆齒制作成鉆頭，可以明顯改進金剛石復(fù)合片鉆齒的破巖效率，特別是對付軟弱型巖層，解決了金剛石復(fù)合片易打滑的技術(shù)難題。
6) 少添加或無添加黏結(jié)相聚晶金剛石技術(shù)的研究。
在少添加乃至無添加黏結(jié)相的條件下，將金剛石燒結(jié)在一起，是超高壓合成聚晶金剛石(PCD)研究領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者長期以來要實現(xiàn)的目標。自從透明的聚晶立方氮化硼研制成功以來，一直期待著純的、一定厚度的透明PCD能夠誕生。因為純PCD不但會在工具材料的性能上產(chǎn)生飛躍，也會在功能材料上迎來廣闊的應(yīng)用空間。
免責(zé)聲明：本文整理自賈成廠、李尚劼的《聚晶金剛石復(fù)合片》，其原創(chuàng)性以及文中表達的觀點和判斷不代表愛銳網(wǎng)，愛銳網(wǎng)本著傳播知識、有益學(xué)習(xí)和研究的目的進行摘錄，僅供讀者參考交流，如有著作權(quán)人或出版方提出異議，將立即刪除。如果您對文章轉(zhuǎn)載有任何疑問請告之我們，以便我們及時糾正。
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