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聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

发布日期:2015-10-25 16:17:59  信息来源:本站原创

    根据pdc 制造过程中的热力学工艺条件,对平面界面及几种典型不规则界面的pdc 残余热应力作了相应的数值计算和分析比较,亦对pdc 残余热应力的分布规律做了相关研究;对梯度结构聚晶金刚石复合片与传统的双层结构金刚石-硬质合金复合片在制造过程中产生的残余热应力进行了分析,提出梯度结构的聚晶金刚石复合片有效降低了残余热应力;采用熔渗法成功制备了低残余应力的优质生长型聚晶金刚石复合片。
    影响pdc 残余热应力的因素主要有聚晶pcd 层厚度、pdc 的烧结温度、界面结构、后处理方式以及后期热处理工艺等。其中pcd 层厚度和烧结温度对残余热应力的影响尤为明显。笔者通过有限元分析,讨论了pcd 层与硬质合金层厚度比和pdc 压制过程中烧结温度的波动对pdc 残余热应力的影响。
    1.pcd 层与硬质合金层厚度比对pdc 残余热应力的影响
    通过实验得出:pdc 硬质合金层的厚度与pcd 层的厚度比对pdc 的径向应力有很大影响。亦通过研究提出:pcd 层薄的pdc 抗冲击性应该更好,但较薄的pcd 层会影响pdc 的使用寿命,pcd 层与硬质合金层厚度比值应有一个***佳值。为进一步了解pcd 层与硬质合金层厚度比对pdc 残余热应力(主要是pcd 层厚度对pdc 垂直方向的应力影响),笔者对不同pcd 层与硬质合金层厚度比值的pdc 进行了有限元分析。分析中采用的材料物理力学性能参数见表1.分析中选择常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金刚石复合片,选择pcd 层厚度在0.5~2.0 mm 范围内的16 种pdc .有限元网格划分过程中,pcd 层单元格为0.2 mm× 0.2 mm, 硬质合金层靠近界面部分网格较密,远离界面部分网格相对稀疏。设定1 000 ℃为pdc 应力松弛温度[7],在这一温度以上pdc 的残余热应力可忽略不计, 室温为20 ℃。由于pdc 的轴对称性, 有限元模拟过程中仅选用右半部分进行计算。通过有限元计算,可得到pcd 层和硬质合金层的残余应力二维分布云图(包括径向应力,轴向应力以及剪切应力),以及 pcd 层表面的残余应力沿各方向的变化曲线。
运用ansys 软件,用热-结耦合法进行残余热应力分析,计算模型以及有限元网格划分pcd 层厚度为1 mm 的pdc 的残余热应力分布。
    pdc ***大应力集中分布在界面两侧临近界面处,而离界面较远的地方应力相对较小,分布相对较均匀。由于金刚石的热膨胀系数小于硬质合金,在加热后的卸压冷却过程中,pcd 层收缩比硬质合金慢,pcd 层形成压应力。当pcd 层厚度为1mm 时,pcd 层的***大径向压应力σxmax 出现在复合片界面结合处,高达1.20 gpa(多晶金刚石的抗压强度1.9~6.9 gpa) ;***大轴向拉应力σymax 位于复合片界面边缘处,达到850 mpa ,该拉应力容易产生垂直于界面的龟裂裂纹,导致pdc 层的碎裂或脱层;界面间***大剪应力同样位于界面边缘,该剪应力是导致pdc 整体断裂及pcd 层与硬质合金衬底之间脱层的主要原因,也是使用 pdc 必赢官方网站登录钻进过程中所遇到的***具破坏性的失效形式。