1 引言

　　金刚石作为自然界已知最硬的材料，在工业上有着广泛的应用。1973年美国G.E公司成功地研制出聚晶金刚石复合片Compax，引起了世界各国的广泛关注[1-2]。聚晶金刚石复合片(Polycrystalline diamond compacts，简称PDC)是以金刚石微粒与硬质合金基体在高温高压下烧结而成的，避免了单晶的各向异性，克服了单晶金刚石受冲击易解理破损的缺陷，并具有硬质合金的韧性和易加工的特性。因此PDC在有色金属切削加工、木材加工等方面得到广泛的应用[3-5]。

　　聚晶金刚石刀具较合金类刀具昂贵，主要表现在刀具的材料成本和制造成本上。增大PDC的直径和提高PDC的导电性是降低金刚石刀具成本的有效手段，前者可提高切割时的出材率，后者可提高刀具生产效率。所以刀具用金刚石复合片正朝着规格尺寸大型化、质量优化、性能均匀化的方向发展[6]。

　　美国的DI公司和英国的元素六公司在该类产品上代表了世界先进水平，他们采用两面顶技术可以生产Ф58mm和Ф74mm的大直径PDC复合片。我公司采用独特的六面顶技术，在国内率先试验成功并量产Ф51mm直径的聚晶金刚石复合片。近期，我们在国产六面顶压机上，又成功合成出Ф58mm直径的聚晶金刚石复合片，并进行了一系列的性能检测，取得了较好的结果。

　　2 实验

　　2.1样品制备

　　实验采用CS-XIII型国产铰链式六面顶压机,利用旁热式组装加热,整体组装结构如图1所示。将特殊配比的金刚石微粉按图1组装好,在一定的压力和温度下保持一定的时间后，先缓慢降至室温后再缓慢卸至常压。取出样品，依次进行喷砂、磨外圆、电火花、抛光、平磨等加工。样品最终尺寸为直径≥58mm,总厚度2.0mm，其中金刚石层厚度0.5mm(如图2所示)，之后对样品进行超声波无损探伤、超声波测量厚度以及导电性能等检测。

　　2.2样品表征

　　2.2.1超声波无损探伤

　　由于金刚石、钴以及硬质合金三者的热膨胀系数相差很大，PDC在高压下烧结完成后的卸压冷却过程中不可避免地会产生热残余应力。残余应力的存在会降低PDC的强度，甚至在PDC内部出现分层和裂纹等缺陷，从而导致PDC失效[7-9]。对于内部的缺陷，常规方法很难检测，目前国外检测PDC内部质量主要采用超声波无损检测方法[10]。

　　四方达采购了目前世界上最新的超声波扫描设备C-SAM(Scannng Acoustic Microscope)，该设备运用超声波微成像(Acoustic Micro Imaging)技术，可以精确的检测出200埃厚度的分层，配备特殊软件，还可以测量PDC中金刚石层的厚度分布情况。

　　图3是具有代表性的三张超声波检测图像，左图是正常无缺陷的情况，中间的是边缘分层的情况，箭头所指的亮环处即为分层的位置，右图是内部有裂纹的情况，箭头所指黑色条纹处即为裂纹的位置。通过实验和试产发现，并未批量出现图中的分层和裂纹等现象。

　　2.2.2超声波测量厚度

　　为了避免在加工和运输过程中出现PCD掉边现象，大直径PDC边缘的金刚石层一般都不外露，这样的处理方法给测量金刚石层的厚度带来了一定的难度，一般的光学测量方法已不再适用，只能采用超声波无损检测的方法。

　　传统的便携式超声波设备只能用A扫描模式对样品进行单点式的厚度测量，而C-SAM可以用C扫描模式加上特殊的软件对样品进行面扫描，从而得出样品整体的厚度分布情况。

　　图4 是利用C-SAM得出的PDC的金刚石层厚度分布图，图中右侧不同色条代表不同的厚度，左侧则是相应厚度的分布情况。可以看出，图中仅有四种颜色，对应右侧色条的读数能够看出该样品的厚度范围在0.40～0.60mm之间，这说明该样品PCD层的厚度在0.50±0.10mm之间，金刚石层无明显厚薄不均的现象。

　　2.2.3导电性测试

　　将四方达单一粒度和混合粒度的PDC刀坯、其他厂商A和B相对应的PDC刀坯各取一片，用AgieCharmilles CA20慢走丝机床，沿直径方向切割，每隔1mm记录一个切割速度，根据切割速度来判断刀片的导电能力，速度越快则导电性越好。对比图如下：

　　从图5、6和表1的数据看，

　　单一粒度导电性从高到低的顺序是：

　　Competitor B-1500=Competitor A-025≈58GD-025〉58GA-025;

　　混合粒度导电性从高到低的顺序是：

　　58GM-253〉Competitor A-302〉Competitor B-1800。

　　2.2.4切削测试

　　将四方达单一粒度和混合粒度的PDC刀坯、其他厂商A和B相对应的PDC刀坯各取一粒制成T80/4.3型刀片，将刀片装夹在MWLNR2020-K08刀杆上之后，在CAK6185型数控车床上切削高硅铝合金的试验，切削液进行冷却。以恒定线速度，连续外圆车削高硅铝合金，每隔一段固定的时间取下刀片，测量后刀面磨损量，磨损越小则刀片越耐磨，寿命越长。对比情况如下：

　　图9 后刀面磨损对比图

　　Fig.9 Flank wear comparative graph

　　从图7、8和表4可以看出，

　　单一粒度耐磨性从高到低的顺序是：

　　58GA-025〉58GD-025〉Competitor A-025〉Competitor B-1500;

　　混合粒度耐磨性从高到低的顺序是：

　　Competitor A-302〉Competitor B-1800≈51-GM253。

　　Competitor A-302耐磨性高的原因与其粒度有关，其最大粒度为30微米，而我公司与Competitor B的最大粒度为25微米，通常来说，金刚石粒度越粗越耐磨，所以Competitor A-302在此仅做为参考。

　　3 结论

　　利用国产铰链式六面顶压机，合成出了直径为Ф58mm的国内最大的聚晶金刚石复合片。

　　超声波微成像分析表明，样品无分层、裂纹、金刚石层厚度不均等缺陷。

　　导电性及切削测试综合显示，在用慢走丝切割时，我公司25微米单一粒度的58GD-025刀片的切割速度与其他厂家相当，但耐磨性超过其他厂家。我公司混合粒度的58GM-253的切割速度远远超过其他厂家，耐磨性与另外一个厂家相当。

　　58mm直径聚晶金刚石复合片在客户实际使用中表明与试验数据一致，耐磨性最优，综合使用成本最低，性能稳定、均匀一致，可广泛用于金属领域的精加工与粗加工。

　　参考文献：

　　[1] Minyoung Lee. Polycrystalline diamond and cemented carbide substrate and synthesizing process therefore[P].USP4,380,471.

　　[2] Tetsuji O, Hirokazu K. Cost reduction of polycrystalline diamond compact bits through improved durability[J].Geothermics,2002,31:245-262.

　　[3] Cook M W.Wear-resisting properties and application examples of PCD[J].Industrial Diamond Review,1996(4):107-111.

　　[4]Gittel H J. Cutting tool materials for high performance machining[J]. Industrial Diamond Review,2001(1):17-21.

　　[5]Clark I E, Bex P A. The Use of PCD for Petroleum and Mining Drilling[J]. Industrial Diamond Review,1999(1):43-49.

　　[6] 刘进，胡娟，李丹，寇自力.金刚石聚晶的性能特征及应用[J].工具技术，2006，40(7)：8-11

　　[7] Lin T P, Michael Hood. Residual stress in polycrystalline diamond compacts[J]. J Am Ceram Soc, 1994, 77(6):1562−1568.

　　[8] 徐国平, 尹志民, 陈启武. 聚晶金刚石复合片残余应力的检测方法[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2007, 158(2): 30−33.

　　[9] LIN T P. Material characterization of polycrystalline diamond compacts (PDC)[D].Berkeley: University of California, 1992:71−87.

　　[10]赵大钢.PDC的超声检测[J].金刚石与磨料磨具工程，2004(4)：68-71.

　　作者简介：李思成(1982-)，男，硕士，河南四方达超硬材料股份有限公司研发中心副主任兼PCD刀片产品研发经理，主要从事PCD刀片的研究和开发。Email：lisicheng_1982@163.com

　　作者简介：屈继来(1985 -)，男，硕士，河南四方达超硬材料股份有限公司研发中心研究员，主要从事PCD刀片的研究和开发。Email：laiji1919@163.com

　　通讯作者：方海江(1968-)，男，硕士，河南四方达超硬材料股份有限公司董事长兼总经理，主要从事超硬材料及制品的研究和开发。Email：fang@sf-diamond.com