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(kāi)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(guò)程中，常用的粘結(jié)劑為金屬鈷，其作用為促進(jìn)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(shí)際鉆探切削使用過(guò)程中失效的重要因素，因?yàn)殁捲诟邷氐蛪合屡c碳具有較強(qiáng)的親和力，會(huì)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(guò)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(jiàn)，對(duì)于鈷這個(gè)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(gè)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(xì)加工、釬焊連接以及鉆探進(jìn)程四個(gè)方面，對(duì)目前已有的研究成果進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)[6]。在燒結(jié)過(guò)程中，鈷的來(lái)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(guò)程啟動(dòng)時(shí)，金剛石微粉堆積層會(huì)發(fā)生一個(gè)粉體的滑移壓縮、變形壓縮、碎裂壓縮的過(guò)程，歷經(jīng)這三個(gè)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(diǎn)、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(gè)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(lái)，但是鈷液還沒(méi)有滲透進(jìn)來(lái)的時(shí)刻，這部分金剛石的朝向孔洞的晶面將會(huì)率先碳化。隨著壓力提升，鈷液滲透進(jìn)來(lái)，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(huì)溶解在鈷液中，并會(huì)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(gè)理想過(guò)程，實(shí)際過(guò)程中鈷/碳比例、壓強(qiáng)溫度值等諸多參數(shù)，都會(huì)對(duì)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(qiáng)遠(yuǎn)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(gè)因素。因此，這個(gè)合成過(guò)程中，鈷的存在主要起著傳遞壓強(qiáng)、溶解、析晶的作用。這個(gè)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(jìn)行定點(diǎn)、定量的精確摻添，但是容易出現(xiàn)的問(wèn)題是摻混不均勻、鈷粉氧化、分散不開(kāi)等情況，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，這種摻鈷形式主要當(dāng)做輔助手段來(lái)使用，因?yàn)闊o(wú)論如何，合金座中的鈷都會(huì)熔滲掃越到粉體層來(lái)，跟外摻的鈷液會(huì)匯合一起影響壓燒反應(yīng)過(guò)程，從這個(gè)意義上說(shuō)，外摻的鈷量即使再精確，也會(huì)被熔滲上來(lái)的鈷影響，也就難以保證絕對(duì)的精準(zhǔn)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(tuán)的數(shù)目會(huì)明顯增多、鈷粉聚集區(qū)域會(huì)顯著增多，這就會(huì)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(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理是非常有必要的。

Walmsley J C[7]認(rèn)為Syndite中存在的鈷溶劑催化劑可以促進(jìn)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(rèn)為以WC、Co、金剛石為原料，通過(guò)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(rèn)為在復(fù)合片的燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)該以PCD與PDC結(jié)合劑能充分融溶浸潤(rùn)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(lái)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(guò)低、燒結(jié)時(shí)間過(guò)短時(shí)，Co無(wú)法完全熔化滲入金剛石微粒之間，當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高、燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，金剛石顆粒會(huì)發(fā)生石墨化，出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大。鄧福銘和陳啟武[11]研究了在PDC材料燒結(jié)過(guò)程中鈷在金剛石層中的擴(kuò)散熔滲遷移機(jī)制，認(rèn)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(xì)，則熔滲阻力越大，燒結(jié)中鈷熔滲作用時(shí)間越長(zhǎng)。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(rùn)濕性就越好，在生產(chǎn)合成過(guò)程中所需要的Co量也就越少。鄧福銘等人[13]認(rèn)為燒結(jié)過(guò)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(zhǎng)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(qiáng)度相對(duì)較小，對(duì)PCD層抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，說(shuō)明它在燒結(jié)過(guò)程中主要起熔煤作用而不是通常所說(shuō)的“粘結(jié)”作用。李季陽(yáng)[14]認(rèn)為在PDC從燒結(jié)溫度降低至室溫時(shí)，由于Co的存在會(huì)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(guò)程中加壓不均勻，則會(huì)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(zhǎng)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(jìn)行微結(jié)構(gòu)和性能測(cè)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(shí)琦等人[4]通過(guò)添加一些陶瓷或金屬粉末來(lái)減少粘結(jié)劑鈷含量，來(lái)降低PDC在工作環(huán)境下粘結(jié)劑對(duì)耐熱性的影響。他們?cè)谝訬i-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(yàn)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(duì)金剛石原始粒度與金屬含量Co的配比不同的復(fù)合片進(jìn)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(qiáng)等人[17]通過(guò)添加不同配比的納米Co制備PDC復(fù)合片，并進(jìn)行一系列測(cè)試來(lái)探究不同納米Co添加量對(duì)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(shí)，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(lái)提高PDC的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：在合成過(guò)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(duì)提高。谷繼騰等人[19]對(duì)鈷在PDC使用過(guò)程中扮演的角色進(jìn)行了探索，認(rèn)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(jiàn)，大量的工作都對(duì)鈷在PDC壓燒過(guò)程中扮演的角色進(jìn)行了多角度、多層次的探討，總結(jié)而言，這些研究都承認(rèn)鈷在復(fù)合層微粉壓燒反應(yīng)過(guò)程中扮演的晶粒表面潤(rùn)濕、拱橋內(nèi)孔空間增壓、溶解碳-再析晶等多個(gè)特征作用的不可或缺。至于各家怎么去精細(xì)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(gè)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(guó)內(nèi)外研發(fā)水平的不斷提高，一定會(huì)發(fā)展出越來(lái)越精細(xì)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(lái)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(guò)程，都是外機(jī)械力作用于復(fù)合片產(chǎn)品表面，通過(guò)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)完成這些表面加工。而這些加工過(guò)程，無(wú)疑都會(huì)發(fā)生作用面的局部生熱現(xiàn)象，也就是要經(jīng)歷一個(gè)表面熱作用，而鈷在這些加工過(guò)程中的熱發(fā)生、熱作用形式下的表現(xiàn)，將會(huì)對(duì)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(guò)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(qiáng)大的局部沖擊力之外，還會(huì)造成PDC表面急速升溫，雖未有人實(shí)際測(cè)定過(guò)這個(gè)噴砂作用點(diǎn)上溫度會(huì)達(dá)到多高，但是其在噴砂過(guò)程中表面顯著升溫卻是事實(shí)。顯然，PDC聚晶層乃至合金座的鈷，都會(huì)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(gè)作用過(guò)程時(shí)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(jiàn)的缺陷，卻不是可以忽略的事情。而這個(gè)階段發(fā)生的高速?zèng)_擊力乃至升溫?zé)崞茐?，其?shí)也是對(duì)復(fù)合片中間品的一個(gè)檢驗(yàn)、檢查過(guò)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(jìn)行專門平整化、光潔化過(guò)程，在研磨過(guò)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(huì)顯著少，而表層的晶界之間的鈷，會(huì)隨著研磨作用而脫離聚晶層。這個(gè)階段，不可避免會(huì)出現(xiàn)一個(gè)情況是，由于盛放硬質(zhì)磨料的容器多用鐵質(zhì)材料，則會(huì)出現(xiàn)一定程度的熱催化，可能會(huì)導(dǎo)致聚晶層表面存在一些碳化物相。不過(guò)由于這個(gè)石墨物相層很薄，且含量低，絕不會(huì)影響整個(gè)聚晶層，因此倒不用擔(dān)心。倒角，則采用砂輪進(jìn)行加工，會(huì)存在一個(gè)倒角作用接觸處的局部升溫，因此會(huì)造成不可忽視的熱損傷問(wèn)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(kāi)展了探索工作的研究[20]。

金剛石砂輪磨削加工機(jī)理是利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪對(duì)PCD表面材料進(jìn)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(shí)，磨削的溫度會(huì)急劇上升，在溫度700℃以上時(shí)，會(huì)引起PCD層的部分金剛石出現(xiàn)石墨化，此時(shí)Co會(huì)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(duì)PDC進(jìn)行粗加工時(shí)，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(shí)，在壓力作用下PCD表面與鋼盤摩擦表面升溫，會(huì)使PCD表面的金剛石微晶粒發(fā)生氧化、擴(kuò)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(duì)復(fù)合片表面加工的過(guò)程，也實(shí)際上是對(duì)復(fù)合片品質(zhì)檢查檢驗(yàn)的過(guò)程，噴砂、研磨、拋光、倒角過(guò)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(guò)程反應(yīng)的特征，對(duì)于優(yōu)化和完善復(fù)合片的加工細(xì)節(jié)，具有積極意義。

2.3 焊接階段

經(jīng)過(guò)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(qiáng)鋼基體的凹槽內(nèi)，達(dá)到化學(xué)冶金的高強(qiáng)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(guò)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(shí)硬質(zhì)合金層產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致復(fù)合片的強(qiáng)度降低。也由于Co的存在，金剛石很容易在700℃左右時(shí)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(guò)程中Co所產(chǎn)生的不良影響，很多改進(jìn)的焊接方案被提了出來(lái)。

趙云良[24]認(rèn)為在制作鉆頭時(shí)，將PDC高溫釬焊到鉆頭體上，由于受到700℃左右的高溫，會(huì)使原本存在的裂紋或界面分層進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)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(rùn)金剛石，而聚晶金剛石層開(kāi)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(duì)PDC與YG8硬質(zhì)合金進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊連接，研究恒溫時(shí)間對(duì)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(shí)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(qiáng)度高、自銳性好的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)，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(shí)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(guò)程是兩者相互作用的過(guò)程，在切削巖石的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)鉆頭所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)超過(guò)材料的許用強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成鉆頭失效[14]。且當(dāng)鉆頭溫度超過(guò)700℃時(shí)，切削齒會(huì)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(jìn)過(guò)程中溫度的持續(xù)升高，復(fù)合片中的Co也會(huì)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(rèn)為由于金剛石和粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致PDC對(duì)溫度變化有一定的敏感性，在實(shí)際鉆探過(guò)程中，由于摩擦生熱會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力超過(guò)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(lán)紅[30]認(rèn)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(shí)，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(duì)粘結(jié)劑Co的分布及形貌對(duì)PDC受熱時(shí)性能變化進(jìn)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(jī)械性能降低的重要原因。王適等人[32]認(rèn)為PCD受熱時(shí)，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(rèn)為金剛石的磨損機(jī)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(huì)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(guò)程中添加不同含量的粘結(jié)劑鈷對(duì)PDC復(fù)合片性能的影響，認(rèn)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(yán)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(shí)伴隨著大量的Co相從PCD中擠出。Mehan R L 等人[36]認(rèn)為金剛石失效是由間隙鈷和其他金屬元素引起的。鉆探過(guò)程，由于實(shí)際地層的地質(zhì)特征復(fù)雜多樣，對(duì)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法在均勻性力場(chǎng)下獲得的測(cè)試結(jié)果所難以比擬的。而加強(qiáng)對(duì)這個(gè)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(guò)程中典型鉆進(jìn)模式相結(jié)合，可以推斷出對(duì)復(fù)合片設(shè)計(jì)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(jì)。

3 消除Co不良影響的對(duì)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(fù)面影響，在合成之后進(jìn)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(duì)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(lái)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(qiáng)度卻降低了。方海江等人[38]以硝酸(65wt%)、氫氟酸(35wt%)、過(guò)氧化氫(40wt%)、純水的混合液為脫鈷試劑，在室溫(23℃)下進(jìn)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(jì)了以路易斯酸—氯化鐵(FeCl3)—鹽酸作為脫鈷試劑對(duì)金剛石復(fù)合片進(jìn)行脫鈷試驗(yàn)，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(duì)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(shì)。藍(lán)紅等人[30]在進(jìn)行PDC脫鈷時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)酸、H2O2和H2O，堿性溶液包括強(qiáng)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(lái)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(yáng)極、惰性金屬為陰極，具有脫鈷工作時(shí)間短，對(duì)聚晶金剛石復(fù)合片的其他結(jié)構(gòu)影響小，無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)。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(yáng)極，惰性金屬為陰極對(duì)金剛石復(fù)合齒進(jìn)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(dá)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(kāi)裂，說(shuō)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(rèn)為鈷粘結(jié)劑的加入會(huì)影響PDC的耐熱性，實(shí)驗(yàn)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(guò)SEM、EDS及XRD的檢測(cè)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(guò)摻入碳納米管促使大量聚晶金剛石顆粒實(shí)現(xiàn)直接連接，實(shí)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(guò)對(duì)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(guò)程這四個(gè)階段對(duì)現(xiàn)有的關(guān)于鈷控制方面的研究進(jìn)行了整理總結(jié)，介紹了Co在聚晶金剛石復(fù)合片的整個(gè)生命周期中各階段所扮演角色的行為特征，進(jìn)而明確提出了“鈷管理”這樣一個(gè)全新概念。這個(gè)概念的首次提出，乃是基于鈷是一個(gè)對(duì)聚晶復(fù)合片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、使用乃至各種破壞形式之全生命周期過(guò)程中至始至終都貫穿于其中這樣一個(gè)事實(shí)的認(rèn)知，以及對(duì)其在各個(gè)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(duì)PDC有利和不利兩個(gè)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(jìn)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(guò)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(huì)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(guò)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(guò)程中，由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，Co的存在會(huì)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(kuò)展的重要誘因，因此導(dǎo)致復(fù)合片性能降低；在焊接的過(guò)程中，由于焊接溫度的影響，Co也會(huì)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(lái)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(guò)查閱整理有關(guān)鈷對(duì)于復(fù)合片性能影響的文章，本文認(rèn)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(jìn)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(diǎn)可以通過(guò)工藝的調(diào)控實(shí)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(duì)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(duì)復(fù)合片進(jìn)行脫鈷，能夠降低鈷帶來(lái)的不利影響，但是如何避免脫鈷方法對(duì)基體造成損傷亦是亟待解決的問(wèn)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?yàn)閺V大的聚晶金剛石復(fù)合片研究工作者提供一些便利，對(duì)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(wèn)題，研制出性能更優(yōu)良的聚晶金剛石復(fù)合產(chǎn)品。