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聚晶金刚石复合片的合成的机理

一、聚晶金刚石复合片的概念及优点

聚晶金刚石复合片 PDC （ polycrystalline diamond compact ）是以金刚石微粉为原料，硬质合金作为基体，通过特定的合成工艺在高温高压条件下烧结而成的一种超硬复合材料。

与单晶金刚石相比，聚晶金刚石（PCD）及聚晶金刚石复合片具有以下优点：

1、在硬质合金上烧结一层金刚石微粉，金刚石晶体呈无序排列、各向同性，无解理面。所以它不像单晶金刚石那样体积小、有解理面、各向异性、在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大差别，以及因解理面的存在而呈脆性。

2、具有较高的抗冲击强度，硬质合金作为PCD的基体材料既具有良好的韧性和一定的硬度，同时还具有可焊性、可加工性以及与PCD的兼容性。聚晶金刚石复合片在冲击较大时只会产生小晶粒破碎，而不会像单晶金刚石那样大块崩碎。金刚石复合片兼有金刚石硬度高、摩擦系数低及硬质合金冲击韧性好等优点。

3、通过合理的工艺，聚晶金刚石复合片尺寸可以大型化，可满足大尺寸刀具的要求。

4、通过激光切割，可制成特定形状以满足不同的加工要求。

5、可通过调整合成配方设计特殊性能，使材料适应不同的用途。

聚晶金刚石复合片广泛应用于地质钻探、矿床勘探、非铁金属及合金、硬质合金、石墨、塑料、橡胶、陶瓷和木材等材料的机械加工等领域。逐渐取代单晶金刚石成为超硬材料家族中重要的一员。

二、聚晶金刚石复合片的合成的机理

英国的Debeers公司早期的PCD产品就是先将金刚石微粉烧结成聚晶金刚石块，然后通过高温钎焊或者二次高压烧结的办法将PCD与硬质合金或者其它基体材料焊接在一起。再后来该公司的Syndite产品取消二次烧结工艺，采用超高压高温一次烧结成型。

以加入Co为粘结剂的PDC的合成机理为例，在超高温高压烧结过程中，硬质合金基底中的Co、W向金刚石层扩散、渗透，使WC-Co与金刚石层的物理结合变成WC-Co-D的化学结合。

在超高温高压烧结过程中，当温度升高到800℃左右时，由于WC-Co层中的钴原子开始向金刚石方向扩散，扩散的钴原子与金刚石表面的碳原子相互作用，使WC-Co面附近的金刚石表面发生石墨化。金刚石表面的石墨化，一方面有利于金刚石粉末相对滑动，使金刚石颗粒重排致密化；一方面有利于随后的钴-碳共晶液在金刚石颗粒间的扩散渗透。烧结温度升高到钴碳共晶点 (1336℃)，形成钴碳共晶液，在超高压力和毛细管作用力下，钴液向金刚石层渗透。在渗透过程中一方面溶解金刚石表面已石墨化的碳，另一方面由于钴液与金刚石浸润性好，钴液与金刚石表面碳原子相互作用强烈，使尚处于低压的金刚石颗粒表面迅速石墨化，此时金刚石颗粒在钴液的作用下再一次发生颗粒重排；烧结系统进入金刚石的稳定区后，石墨被钴液浸润并形成间隙固熔体或CoxC间隙相。钴熔体中的碳原子在浓度和温度梯度的共同作用下，向WC-Co 界面方向扩散，在扩散过程中不同原子或原子团之间进一步相互作用形成 sp 3 结构的碳原子或原子团。

在金刚石 - 钴液烧结体系中，金刚石 - 石墨的转变是可逆的相变过程，其相变几率、相变程度与相变驱动力△ p 密切相关。在远离 WC-Co 界面的区域压力低温度高， G--D 相变驱动力小 ; 在 WC-Co 界面区域附近压力高温度低， G--D 相变驱动力大，更有利于 G--D 过程的发生，析晶过程更能稳定地进行，因此，远离 WC-Co 界面区域附近的钴熔体将不断溶解石墨，并不断地扩散至 WC-Co 界面区域，使该区域钴熔体过饱和不断地析出 sp 3 结构的碳原子。这些 sp 3 原子可以吸附在原始金刚石表面上生长，也可以以三维成核的再结晶金刚石表面沉积生长。当生长面间钴熔体中的碳浓度超过碳的临界浓度时，金刚石 - 钴液之间的固 - 液界面能将大于金刚石颗粒间的固 - 固界面能，晶粒间的钴熔体将被挤出颗粒间隙，使生长面直接接触。从而实现了金刚石 - 金刚石的直接结合，形成聚晶金刚石结构。

金刚石微晶是由于金刚石在超高温高压烧结过程中，金刚石在钴熔体中溶解-析出造成的。这种金刚石微晶搭接在原料金刚石颗粒之间以结合桥的方式出现，形成直接的D-D结合，金刚石微晶与钴液一起滞留在晶粒间处，则形成所谓的D-M-D结合。