聚晶金刚石复合片摩擦学行为的钴含量依赖性

《Diamond and Related Materials》：Cobalt content dependent tribological behaviors of polycrystalline diamond compact

　　

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  钴含量主导了PDC/Si?N?从磨蚀到润滑的摩擦学行为转变。
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  随着钴含量增加，摩擦系数从3 wt%时的约0.14降至15 wt%时的约0.034。
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  在3 wt% Co时，弱的结合力导致金刚石剥落和严重的磨粒磨损。
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  在6–15 wt% Co时，增加的Co促进了石墨化和碳质转移膜的形成。
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  6 wt%钴含量在低摩擦和适中的PDC磨损率之间取得了最佳平衡。

引言

多晶金刚石复合片（PDC）是一种通过在高压高温（HPHT）条件下用金属粘结剂（通常为钴）烧结金刚石颗粒而制成的合成超硬材料[1], [2], [3]。极高的硬度、优异的热导率和出色的耐磨性的独特组合，使PDC成为石油和天然气钻探、采矿以及推力轴承和拉丝模等各种工业应用中不可或缺的材料[4], [5], [6], [7]。在钻探行业中，PDC钻头通过实现比传统牙轮钻头高得多的穿透率，彻底改变了硬性和磨蚀性岩石地层的开挖方式[8], [9]。

钴粘结相在HPHT烧结过程中对催化金刚石-金刚石键的形成至关重要，但同时也是摩擦学载荷下的主要薄弱环节来源[2], [3]。金刚石和钴之间热膨胀系数的大幅度不匹配（分别约为3.2 × 10^?6/K和14.4 × 10^?6/K）在烧结后冷却过程中于晶界处产生显著的残余热应力[10]。这些残余应力与钴在摩擦加热下促进金刚石石墨化的催化活性相结合，促进了微裂纹的萌生和合并，最终加速了磨损过程并导致工具的早期失效[1], [11], [12]。人们进行了大量研究以减轻这些不利影响，包括通过酸处理去除钴[13]、材料设计优化[14]、表面涂层沉积[15]、晶粒细化[16]以及烧结后退火工艺[17], [18]。Zhang等人利用WC晶粒尺寸差异作为驱动力，开发了一种功能梯度硬质合金基体以抑制钴的迁移[19]。该方法将多晶金刚石层中的钴含量降低了16.35%，将富钴界面区缩小了64.5%，最终使耐磨性提高了30.64%。Liu等人证明，通过酸浸去除内部残余金属相显著提高了PDC的耐磨性，但由于浸出过程引入了孔隙，其机械强度和韧性有所降低[20]。尽管这些实验室规模上的结果令人鼓舞，但其中许多策略受到制造复杂性增加、成本高或可扩展性差的限制，其在实际条件下的有效性仍存在争议[2]。

钴含量是决定PDC微观结构和力学行为的最基本参数之一[21]。先前的研究已确立了其对硬度、断裂韧性和热稳定性的影响[22], [23]。Huang等人研究了钴含量与PDC切削齿耐磨性之间的关系，发现降低多晶金刚石层中残余钴含量可显著提高耐磨性[24]。Zhou等人通过脱钴工艺将PDC的钴含量从9 wt%降至1 wt%，有效抑制了沿切削刃的微裂纹萌生和扩展，从而提高了耐磨性[13]。然而，在前刀面边缘附近仍观察到崩刃现象。过低的钴含量可能会削弱晶间结合强度，并损害PDC在切削过程中的结构完整性。因此，确定最合适的钴含量对于提高PDC的综合性能和服务寿命至关重要。

本工作系统地变化了五种组成的烧结后钴含量，并将名义钴含量和实测钴含量与在持续干滑动条件下摩擦、磨损率和磨损机制的演变进行关联。这与先前的研究不同，先前的研究主要通过烧结后脱钴来改变钴含量以提高硬度或热稳定性，或者研究外部钻井液环境对PDC摩擦学行为的影响[13], [17], [19]。此外，本研究揭示了钴含量、剥落金刚石碎片尺寸以及Si?N?对磨面上连续碳质转移膜存在与否之间的机制关系，这是以前未曾报道过的。随着钴含量降低，剥落金刚石碎片尺寸变小，降低了在对磨面上形成连续碳质膜的可能性。

在本研究中，我们通过多种表面表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、拉曼光谱和X射线衍射（XRD），系统地研究了钴含量对PDC摩擦学行为和磨损机制的影响。结果表明，钴含量关键性地决定了从低浓度下磨粒磨损主导行为到高浓度下转移膜润滑主导行为的转变。这些发现为理解钴在PDC摩擦学性能中的作用提供了新的见解，并为优化钴含量以提高地质钻头钻探效率和服务寿命提供了实际指导。

章节摘要

样品制备

本研究中使用的PDC试样是通过传统的高压高温（HPHT）烧结方法制备的。如图1(a)所示，原材料由合成金刚石颗粒（中位粒径D50 ≈ 25 μm，中南钻石有限公司）放置在碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金基体上组成。WC-Co基体中的名义钴含量设计为五个名义水平：3、6、9、12和15 wt%，以系统地研究钴的影响

PDC的摩擦与磨损行为

图2展示了不同钴含量（3–15 wt%）的PDC试样摩擦系数的演变情况。所有试样在初始滑动阶段均表现出明显的跑合期，随后逐渐过渡到稳态摩擦阶段。值得注意的是，跑合期的持续时间和稳态摩擦系数均受到钴浓度的强烈影响。如图2(a)所示，跑合阶段的持续时间逐渐缩短

结论

本研究的主要发现如下：

• (1)
  增加钴含量持续降低了摩擦系数，从3 wt%时的约0.14降至15 wt%时的0.034。然而，PDC的磨损行为表现出非单调趋势。具体而言，PDC盘片的磨损率最初降低，在6 wt%钴含量（名义值；实测多晶金刚石层含量8.0 wt%）时达到最小值，然后在更高钴含量下增加。Si₃N₄对磨面经历了最严重的

CRediT作者贡献声明

Xiaohua Sha：撰写-原始草稿、方法论、数据整理、概念构思。Xiaoxiong Zhao：可视化、调查、形式化分析、数据整理。Zhiqiang Fu：撰写-审阅与编辑、验证、资源。Wenju He：形式化分析、数据整理。Dezhong Meng：撰写-审阅与编辑、验证、资源。Wen Yue：撰写-审阅与编辑、监督、方法论、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了宁夏自然科学基金（2026AAC030470）、国家自然科学基金（42402327）、宁夏青年拔尖人才项目以及"西部之光"访问学者计划的资助。

Xiaohua Sha|Xiaoxiong Zhao|Zhiqiang Fu|Wenju He|Dezhong Meng|Wen Yue