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聚晶金刚石复合片功能的微结构调控研究

聚晶金刚石复合片功能的微结构调控研究

  • 分类:行业动态
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  • 来源:
  • 发布时间:2014-07-14
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【概要描述】摘要:随着聚晶金刚石复合片的推广使用,对复合片的整体性能和某些特殊功能的要求均有提高.文章根据金刚石复合片不同使用环境的要求,结合金刚石复合片的主要性能指标,提出了功能型聚晶金刚石复合片的概念。由于聚晶金刚石复合片不同的显徽结构可反映其不同的功能性,结合其影响因素对金刚石复合片的显微结构进行调控,实验结果表明,通过对聚晶金刚石复合片功能的微结构调控,可以优化和突出其磨耗性能、抗冲击性能或者耐热性能,从而满足PDC钻采工具切削齿对不同工况微环境的功能性要求.

聚晶金刚石复合片功能的微结构调控研究

【概要描述】摘要:随着聚晶金刚石复合片的推广使用,对复合片的整体性能和某些特殊功能的要求均有提高.文章根据金刚石复合片不同使用环境的要求,结合金刚石复合片的主要性能指标,提出了功能型聚晶金刚石复合片的概念。由于聚晶金刚石复合片不同的显徽结构可反映其不同的功能性,结合其影响因素对金刚石复合片的显微结构进行调控,实验结果表明,通过对聚晶金刚石复合片功能的微结构调控,可以优化和突出其磨耗性能、抗冲击性能或者耐热性能,从而满足PDC钻采工具切削齿对不同工况微环境的功能性要求.

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  摘要:随着聚晶金刚石复合片的推广使用,对复合片的整体性能和某些特殊功能的要求均有提高.文章根据金刚石复合片不同使用环境的要求,结合金刚石复合片的主要性能指标,提出了功能型聚晶金刚石复合片的概念。由于聚晶金刚石复合片不同的显徽结构可反映其不同的功能性,结合其影响因素对金刚石复合片的显微结构进行调控,实验结果表明,通过对聚晶金刚石复合片功能的微结构调控,可以优化和突出其磨耗性能、抗冲击性能或者耐热性能,从而满足PDC钻采工具切削齿对不同工况微环境的功能性要求.

  1.引言

  聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,简称PDC)是由聚晶金刚石层与硬质合金层构成的超硬复合材料,广泛应用于难加工材料的切削、钻削加工领域【1】。复合片兼具金刚石硬度高、耐磨性好以及硬质合金抗冲击性能强的优点,现已从深井钻探的使用扩大到矿床勘探及机械加工等各个领域,复合片也逐渐取代单晶金刚石并成为超硬材料家族中重要的一员。

  聚晶金刚石复合片的性能指标是耐热性、耐磨性和冲击强度,而硬度、强度、加工性、焊接性等在某些情况下也较重要,不同用途对金刚石的性能要求也不相同【2】。目前将耐磨性、耐热性与抗冲击韧性作为衡量PDC质量好坏的主要指标。但因为各个性能指标存在相互制约的因素,在复杂的地质环境中,有时需要凸显某一性能,因而根据钻采设备和地质条件的针对性以较低的成本突出钻头切削齿PDC的某一功能特性而不是全面的综合性能,有的放矢地采用功能型PDC可以获得更高性价比的钻头,本文主要从微结构调控原理和应用角度首次提出功能型聚晶金刚石复合片概念并进行了实验研究。

  2. PDC显微结构对主要功能间的影响及其调控实验

  2.1功能型PDC

  所谓功能型聚晶金刚石复合片是指通过调整配方和催化与合成工艺对PDC的微结构和组成进行调控,实现PDC复合片功能的调控和优化,从性能上进一步将PDC细分为抗冲击型、耐磨型和耐高温型三类,以满足钻采工具切削齿对不同工况微环境的功能性要求。可以显著提高钻头的地层适应性和性价比,使钻探的效率和钻头寿命得到更合理兼顾,更好地发挥PDC的性能,节约硬质合金资源。

  2.2 PDC主要功能间的制约关系

  根据影响聚晶金刚石复合体的性能因素,国内外学者进行了大量的研究:如衬底与复合界面的研究、原材料的选择、添加剂的种类、金刚石表面石墨化、织构细化以及烧结工艺等均能影响复合片的性能【3】。从技术角度说,PDC的抗冲击性和耐磨性在一定的技术条件下是互为制约和矛盾的(见图1),而功能型PDC就是通过调整PDC原材料配方和催化与合成工艺参数,实现对PDC微观组织结构特别是晶界微结构和第二相组成与分布的控制,从而强化了PDC的不同特性和功能,如高抗冲击性或耐高温性等。

  2.3显微结构调控实验

  根据以上讨论的原理和因素,通过调整PDC原材料配方和催化与合成工艺参数,着重实现对PDC微观组织结构特别是晶界微结构和第二相组成与分布的控制,从而强化了PDC的不同特性和功能,如耐磨性或耐高温性等。

  

 

  图1 PDC复合片主要功能的一般关系

  Fig.1 Relationship of main performances of PDC

  2.3.1 调整PDC原材料配方

  粘结剂是影响复合片热稳定性的重要因素之一,不同的粘结剂具有不同的效果【4】,例如,Syndite(De Beers公司的注册商标)是以Co作为粘结剂的,一般认为其受热不宜超过700。C。De Beers公司的产品Syndax3是以陶瓷材料p—SiC作为粘结剂的,此粘结剂化学性稳定,且其热膨胀系数与金刚石接近。因而,在惰性气氛中,其热稳定性可以达1200℃。而以Ni基合金作为粘结剂的SDBl000产品比以co作为粘结剂的SDA产品具有高的热稳定性。长期以来国内都用钴作为粘接剂,来获得较高的对金刚石磨粒的把持力。王凤荣等【5】的实验研究认为,钴是金属中与碳相容性最好的金属之一,钴的润湿角Ø=50-70º,能够润湿金刚石和石墨。

  2.3.1.1实验

  实验采用生长法,以钴和陶瓷材料作为粘结剂合成聚晶金刚石复合片,选取A、B两种配方,所含钴量不同,且前者含量大于后者。样品分别编号为1、2。每种样品合成10套,然后对其进行微结构和性能测试。

  2.3.1.2实验结果及分析

  用JSM一5610LV型扫描电镜研究使用不同配方所合成的金刚石复合片表面的形貌变化。由图2可以看到,聚晶金刚石复合片表面的显微结构有所不同,图中较暗部分为金刚石颗粒,而较亮部分为金属钴,且样品2的SEM显示的金刚石颗粒较样品1均匀,表面的金属含量较少。图像分析得知,样品1、2表面的含钴量不同,样品1表面钴含量(面积比)为9.1%,样品2表面钴含量为3.6%,可见不同配方所压制得到的复合片表面显微结构有所不同。

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