金刚石复合片PDC用途与制造

01

金刚石的世界

宝石之王—钻石（天然金刚石）

金刚石是最硬的物质，而且对光的折射能力最强，因此大粒的天然金刚石早成了“宝石之王”。

最大的钻石为年南非出产的钻石原石Cullinan，重达克拉，切割和琢磨成九颗宝石。其中有世界第一大钻石CullinanⅠ(克拉)及第三大钻石CullinanⅡ(克拉)。

天然金刚石多产自从地球深处冒出地表的金伯利岩矿脉。金伯利岩原埋在地下公里以下，其中所含的碳在5万大气压以上的压力下逐渐转化为金刚石。

金伯利岩在接近地表时因压力降低而形成喇叭口状的矿脉，每10吨矿石才产出钻石1克左右，其中宝石级更只占1/10。

金刚石的特性

性能

用途

硬度最大

耐磨工具

弹性模量最大

高弹性弹簧

抗压强度最大

高压压头

摩擦系数最小

高速轴承

声速最高

喇叭振动膜

折射率最大

钻石饰品

透光性最好

X光观察窗

热膨胀系数最小

硅晶垫片

热传导率最强

散热薄片

化学惰性最好

表面防护，化学品器具

能隙最大

下一代半导体材料

耐磨材料之冠

金刚石的硬度和耐磨性远远高于其他硬质材料，是目前加工高耐磨工件不可或缺的材料。见图：磨料的物理性质

金刚石晶体的特点

硬度最高，各向各异，不同晶向的物理性能相差很大。

优质天然单晶金刚石:多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状。

02

金刚石的制造

金刚石的制造历史

由于天然金刚石产于地底深处，年起，从高压技术着手，以铁等金属为催化剂，在高温高压西下将石墨转化为金刚石颗粒，大小约40um-1mm。

年起，美国杜邦公司利用爆炸所产生的高温高压，把石墨在瞬间转化为金刚石颗粒（10um）。

年起，在高温常压下，由氢原子分解的原子将甲烷分解的碳催化成为金刚石，形成了低压气相沉积的金刚石薄膜（厚度1mm），揭开了金刚石发展崭新的一页。

人造金刚石的合成

主要设备是大吨位油压机，在装置中心产生几万个大气压的高压。压机通常为两面顶和六面顶结构。

六面顶压机采用六个对向压的硬质合金顶锤，向位于中心的立方体合成块施压。该压机制造成本不高，易于投资。

两面顶压机是国际上进行高温高压合成的主体设备。采用两个硬质合金钉锤和压缸配合形成体积较大的高压区。当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨。（随着现代科技的发展，近几年已经制造出吨位更大的设备）

压缸通常用硬质合金制造，但压缸本身的强度不足以承受几万大气压的拉力，因此需要在外围另加几层高强度的过盈配合的钢环，使压缸受压到接近其抗压强度。工作时，钉锤上下加压，压缸胀回到接近其抗拉强度。此时压缸内组装块的压力可达到5万大气压以上。

大颗粒人造金刚石在超高温、高压下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。

聚晶金刚石

聚晶金刚石的制造

大型的金刚石单晶合成时间往往达到几十个小时，并且金刚石的机械性能具有极强的方向性，随着方向的不同，硬度和耐磨性有极大的差异，这往往导致金刚石寿命降低或工件精度变差。

通过高温高压方式，将小颗粒的金刚石烧结成块（PCD），时间大约半个小时，制造成本大大降低。

聚晶金刚石（PCD）通过结合剂或自身粘结，晶粒之间的结晶方向是随机的，在使用时个方向的磨损时均匀的，与磨损方向差异极大的金刚石单晶不同。

从年起，PCD开始大量生产。大部分PCD烧结时以钴作为烧结助熔剂。有的PCD以硬质合金为基体，形成金刚石—硬质合金复合片（PDC）。这种产品兼有PCD的硬度和硬质合金的韧性，堪称两种材料的完美组合。

制造PCD及WC的复合体（PDC）时，先将细粒的金刚石或微粉与已成型的WC基体（含钴13~16%）组装在金属杯中。为使压力均匀，金属杯外需套较软的传压介质如叶蜡石、食盐等。由于传压介质不导电，不能直接通电加热，因此组装块需要另加导电管进行加热。

组装块放入高压装置，加压到5万大气压通电加热，温度超过0°C时钴开始熔化并渗入到金刚石颗粒之间。碳熔融再结晶形成结合力极强的金刚石-金刚石（D-D）键。

聚晶金刚石的机械性能

在PDC内，原始的金刚石晶粒的边界已经消失，所有的颗粒基体上连为一体，形成以D-D键结合的多晶体。

由于PDC内的金刚石颗粒是本体相连，并且排列没有方向，PDC耐磨性接近于单晶金刚石，但抗冲击性却远远超出。

PDC内的粘结金属钴源于硬质合金基体，并促使与基体紧密相连，更提高了PDC的韧性。

改进粘结剂含量和金刚石粒度配比，PDC的耐磨性和抗冲击性都会有一定程度的改变。

聚晶金刚石的热性能

PDC在制成工具时常承受高温条件，而且在使用时，切削点也会摩擦生热。PDC在°C以上的高温时，由于金属钴、铁等的催化作用，金刚石转化为石墨，其硬度和耐磨性会急剧降低。

由于PCD和WC的热膨胀系数相差较大，在较高的温度下，会形成较大的热应力，严重时还会导致产品断裂。

聚晶金刚石的成形加工

PDC经过高温高压后，形状较不规则，需要加工成较为规整的形状。较为典型的加工工序如下：

聚晶金刚石的应用

PCD的主要应用如下

切削工具

有色金属：铝、铜、镁、锌等及其合金

硬质合金：半烧结件、烧结件

陶瓷：半烧结件、烧结件

非金属：塑料、硬质橡胶、碳棒、木材等

耐磨工具

拉丝模：拉制有色金属、不锈钢丝、钨丝等

修整工具：修整刚玉砂轮、碳化硅砂轮

钻探：石油/天然气钻头、地质钻头、工程钻头

聚晶金刚石复合片（PDC）主要作为PDC钻头的切削齿，通过高温钎焊的方式焊接在钻头体上。

复合片在PDC钻头钻进主要起剪切和刮削作用。

PDC钻头主要适于加工软到中硬地层，特别是均质地层的钻进。