硬質合金-聚晶金剛石複合球齒

硬質合金球齒具有較高的硬度以及良好的抗衝擊性能，在一些鑿岩鑽探等一些衝擊回轉作業中所用到的潛孔鑽頭中得到了廣泛的運用。潛孔鑽頭依靠泥漿泵提供的衝擊功，並以鑽頭端面的球齒對岩石進行破碎，鑽孔的深度可達1000米以上，可實現深部複雜地層的破碎和鑽進，因此其對於球齒的力學性能要求也更為嚴格，尤其是抗衝擊性能。但是在一些堅硬研磨性岩層的鑽探中，硬質合金球齒由於耐磨性不足容易過早發生磨損，導致失效。因此，在原有的硬質合金球齒的基體上添加鍍層的方式也就應運而生。硬質合金-聚晶金剛石複合球齒就是其中的一種，其以硬質合金基體為襯底塗覆上聚晶金剛石塗層。硬質合金對聚晶金剛石起支撐作用，而聚晶金剛石具有高於硬質合金的硬度以及耐磨性，但是抗衝擊性能較差，這也成為了相關研究人員的重點研究方向。

為了提高硬質合金-聚晶金剛石複合球齒的抗衝擊韌性，國外的研究人員提出了功能梯度結構複合球齒，即在硬質合金基體和聚晶金剛石層之間施加一層碳化物的金剛石過渡層可以有效減小聚晶金剛石層與硬質合金襯底間的內應力；或是採用與聚晶金剛石熱膨脹係數較為接近的矽或矽合金滲入到酸洗過的金剛石孔洞中，經實驗表明聚晶金剛石的韌性以及抗斷裂能力有了較為明顯的提升。國外學者還嘗試採用立方氮化硼作為硬質合金襯底與聚晶金剛石層間的過渡層，其體積比為1（立方氮化硼）:4（聚晶金剛石）。立方氮化硼在高溫下的熱膨脹係數介於聚晶金剛石和硬質合金之間，這就有效地減小了二者間的熱應力，並且這種良好的相容性也減小了熱應力造成的微裂紋，極大地提高了複合球齒的抗衝擊韌性。

國內的研究機構則通過減少合成聚晶金剛石的粘結劑含量，同時增大壓力及增加燒結時間使得聚晶金剛石顆粒間D-D鍵的結合得到增加，從而提高硬質合金-聚晶金剛石複合球齒的抗衝擊性。聚晶金剛石D-D鍵是化學鍵的結合，其結合強度遠大於粘合劑的物理結合強度，D-D鍵的結合度越高則在鑽探中複合球齒的抗衝擊韌性越好。此外，在聚晶金剛石的燒結過程中加入鎳基或鈦基添加劑，其對聚晶金剛石顆粒有良好的潤濕性，能在燒結過程中包覆在聚晶金剛石顆粒的周圍，促使更多聚晶金剛石顆粒熔化而有利於更多D-D鍵的結合。美國學者設計了一種雙層聚晶金剛石複合片，最外層採用較粗顆粒的聚晶金剛石，具有較高的抗衝擊性；而內層採用較細顆粒的金剛石，有效地改善耐磨性。內層金剛石摻入鈷Co作為燒結劑，外層粗顆粒金剛石含有少量或不含鈷；燒結時，硬質合金內的金屬鈷通過掃越式擴展，經過內層細顆粒金剛石層到達外層粗顆粒金剛石層。由於有內層細顆粒金剛石層做襯底，在燒結時鈷在外層金剛石層內均勻分佈，從而避免了外層金剛石層因鈷分佈不均而導致的欠燒和軟化。

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