聚晶金剛石復合片殘余熱應力的影響因素（下篇）

    為了解pdc 殘余熱應力隨pcd 層與硬質合金層厚度比的變化規律，采用熱-結構耦合法對pcd層厚度為0.5~2.0 mm 的16 種pdc 進行了分析，隨pcd 層厚度由0.5 mm 增加到2.0 mm, 即pcd 層與硬質合金層厚度比由0.067 增加到0.333,pcd 層***大徑向壓應力逐漸降低，由1.61 gpa 降低到1.03 gpa;pcd 表面中心壓應力也逐漸降低，由1.61 gpa 下降到380 mpa ;軸向拉應力云圖顯示，隨著pcd 層與硬質合金層厚度比值的增加，pcd 層界面邊緣的***大軸向拉應力由 697 mpa 增加到了1.01 gpa;位于界面邊緣處的***大剪應力則從106 mpa 增加到136 mpa .在模擬計算中，pdc 總高度為8 mm,因此，pcd 層加厚，一方面使硬質合金基體相對變薄，同時pcd 層與硬質合金層厚度比值逐漸增加。  

    隨著pcd 層與硬質合金層厚度比的增加，pcd 層***大徑向壓應力和pcd 層表面中心的壓應力均明顯下降，同時pcd 層***大軸向拉應力逐漸增大， ***大徑向應力出現在界面結合處，***大軸向應力出現在pdc 邊緣靠近界面處。bertagnolli 等人的研究表明，pcd 層表面具有較大壓縮應力的pdc 在達到金剛石抗拉極限前能夠承受更大的載荷 .壓應力的存在不會引起復合片龜裂和脫層，對復合片在鉆進時抵抗外力也是有利的，而較大的軸向拉應力的存在對脆性材料是非常有害的。但pcd 層太薄會嚴重影響pdc 的使用壽命。因此，應該在保證pdc 使用壽命的前提下盡量降低pcd 層與硬質合金層厚度比值。

    2.pdc 壓制過程中燒結溫度的波動對殘余熱應力的影響

    利用六面頂壓機， 在高溫高壓條件下（1 300~ 1 500 ℃，6 gpa） 壓制pdc 的過程中，溫度的控制是一個非常重要的很難控制，也很難解釋其出現的原因。復合片的燒結溫度范圍一般在1 300~1 500 ℃， 鈷-碳液相共晶溫度為1 320 ℃。在生產過程中，主要是原材料個體差異以及操作原因，燒結溫度常常不能較準確地控制在有效溫度范圍內，且燒結過程中溫度的測量非常困難，很難直接通過實驗的方法研究燒結溫度對pdc 應力的影響。

為研究pdc 燒結溫度的波動對殘余熱應力的影響，對不同燒結溫度條件下的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，計算模型及模型有限元網格劃分。對燒結溫度在1 000~1 500℃范圍內的11 種燒結溫度條件下的pdc 的殘余應力進行了數值模擬，模擬過程中的室溫為20 ℃。燒結溫度對pcd 層的殘余應力的影響關系。隨著pdc 燒結溫度的不斷增加，pcd 層的***大徑向壓應力也不斷增加。***大徑向壓應力由燒結溫度為1 000 ℃時的1.2 gpa 增加到1 500 ℃時的1.81 gpa,這種壓應力的存在對提高界面結合力是有利的；在***大徑向壓應力逐漸增加的同時，pcd 層***大軸向應力由燒結溫度為1 000 ℃ 時的850 mpa 增加到1.28 gpa,且出現在pdc 靠近界面的邊緣位置，這種pcd 層較大的軸向拉應力容易導致pcd 層從基體上剝落；pcd 層表面中心壓應力同樣也隨燒結溫度的增加而增加。由此可見，燒結溫度對pdc 殘余熱應力確實有較大影響。在pdc 壓制過程中，若燒結溫度太高，雖然pcd 層的壓應力增大，有利于界面結合，但同時pcd 層***大剪應力以及邊緣位置的拉應力也越大，使得pdc 邊緣越容易產生裂紋或其它缺陷；若燒結溫度過低，pcd 層的壓應力太小，界面結合力不強，pcd 層容易從基體上脫落?？梢?，pdc 的壓制過程對溫度是十分敏感的，在生產過程中，除了進一步研究新的合成工藝外，必須確保每道工序的有效執行，盡量切斷原材料對溫度的影響，合理操作，使溫度嚴格控制在***佳范圍內。

    3.結論

    分析結果表明，隨著pcd 層與硬質合金層厚度比的增加，pcd 層表面中心的壓應力明顯下降，pcd 層***大徑向壓應力逐漸降低，而***大軸向拉應力逐漸增大；隨著pdc 壓制過程中燒結溫度的不斷升高，pcd 層的***大徑向壓應力、***大軸向拉應力以及***大剪應力等均逐漸增大。因此，在保證pdc 使用壽命的前提下，應盡量降低pcd 層與硬質合金層厚度比值，盡量切斷原材料以及人為操作對溫度的影響。