金剛石復(fù)合片的性能檢測及發(fā)展趨勢
金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamondcompact PDC)作為一種新型復(fù)合材料,其發(fā)展歷史僅有十幾年怖现,但其應(yīng)用范圍已發(fā)展到各行各業(yè)茁帽,廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)鉆探、非鐵金屬及合金屈嗤、硬質(zhì)合金潘拨、石墨、塑料饶号、橡膠铁追、陶瓷和木材等材料的切削加工等領(lǐng)域。它的表層為金剛石粒度不同的粉末燒結(jié)而成的多晶金剛石对轴,具有極高的硬度溺硼、耐磨性和較長的工作壽命;底層一般為鎢鈷類硬質(zhì)合金,它具有較好的韌性亮史,為表層聚晶金剛石提供良好的支撐触晃,且容易通過釬焊焊接到各種工具上。目前國內(nèi)外一般都采用超高壓高溫?zé)Y(jié)的方法制造聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片俱报。由于它的使用范圍擴(kuò)大,對其性能的要求提高演侍,因而相應(yīng)的性能檢測方法也經(jīng)過了一個(gè)快速的發(fā)展過程哼狰,在檢測的準(zhǔn)確性和有效性方面都趨于成熟。
1金剛石復(fù)合片的性能
金剛石復(fù)合片之所以應(yīng)用如此廣泛色递,主要是因?yàn)槠渚哂衅渌牧蠠o與倫比的優(yōu)越的性能痊追。
(1)高的硬度和耐磨性(磨耗比)祷书。復(fù)合片的硬度高達(dá)10 000 HV左右,是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料蛆狱,比硬質(zhì)合金及工程陶瓷的硬度高得多舔艾。由于硬度極高,并且各向同性洪囤,因而具有極佳的耐磨性徒坡。一般通過磨耗比來反映復(fù)合片的耐磨性,在20世紀(jì)80~90年代中期瘤缩,復(fù)合片磨耗比為4~6萬(國外為8~12萬); 20世紀(jì)90年代中期至現(xiàn)在喇完,復(fù)合片的磨耗比為8~30萬(國外10~50萬)。
(2)熱穩(wěn)定性剥啤。復(fù)合片的熱穩(wěn)定性確定了其使用范圍锦溪,復(fù)合片的熱穩(wěn)定性即為耐熱性,與其強(qiáng)度和磨耗比一樣府怯,是衡量PDC質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一刻诊。耐熱穩(wěn)定性是指在大氣環(huán)境(有氧氣存在)下加熱到一定的溫度,冷卻以后聚晶層化學(xué)性能的穩(wěn)定性(金剛石墨化的程度)牺丙、宏觀力學(xué)性能的變化和對復(fù)合層界面結(jié)合牢固程度的影響则涯。熱穩(wěn)定性的變化在750℃燒結(jié)以后,國內(nèi)部分廠家產(chǎn)品表現(xiàn)為磨耗比上升5% ~20%赘被,抗沖擊韌性變化不大是整,部分廠家產(chǎn)品磨耗比下降,抗沖擊性能下降砍篇,這與各個(gè)單位所采用的配方和工藝不同有關(guān)以叛,國外復(fù)合片的磨耗比和抗沖擊韌性燒結(jié)前后變化不大。
(3)抗沖擊韌性笛蛋。PDC作為切削工具疼喝,被廣泛地應(yīng)用于油氣鉆井作業(yè)中。在鉆井過程中绢拓,由于軸向力和水平切削力的聯(lián)合作用我值、鉆具與孔壁的摩擦、鉆桿柱的彎曲然怕、孔底不平及殘留巖粉岸零、鉆機(jī)振動等因素的影響,使得鉆頭上的PDC受到極大的沖擊力鱼灶。PDC抗沖擊性能反映了復(fù)合片的韌性和粘結(jié)強(qiáng)度竞蹲,是一綜合性指標(biāo),也是決定其使用效果好壞的關(guān)鍵所在信高。在20世紀(jì)80~90年代中期闸衫,復(fù)合片的抗沖擊韌性為100~200 J(國外為200~300 J); 20世紀(jì)90年代中期至現(xiàn)在涛贯,抗沖擊韌性為200~400 J(國外大于400 J)。
2復(fù)合片的性能檢測方法
2.1耐磨性
復(fù)合片的耐磨性一般是通過磨耗比這個(gè)指標(biāo)來衡量的蔚出,但迄今為止國際上也沒有制定統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)弟翘,幾個(gè)主要的PDC生產(chǎn)國均有其自己的測試方法。美國的GE公司采用的方法是用PDC來車削一種結(jié)構(gòu)均勻的花崗巖棒骄酗,切削速度為180 m/min稀余,切深為1 mm,進(jìn)給量為0. 28 mm/r酥筝。車削時(shí)用測力計(jì)測PDC的受力大小滚躯。車削一定數(shù)量的花崗巖后,觀察PDC的磨損量嘿歌。磨損量是用投影顯微鏡測量被磨損部位的長寬尺寸掸掏,然后用計(jì)算機(jī)算出其體積,進(jìn)行比較宙帝。英國De Beers公司的方法與GE公司類似丧凤。前蘇聯(lián)對PDC耐磨性的測定是用PDC來刨削指定地區(qū)采來的石英砂巖。石英砂巖采自頓涅茨地區(qū)托列茲露采廠步脓,尺寸為500 mm×300 mm×250 mm晰奉。PDC固定在牛頭刨床的刀具上,測試時(shí)空崇,切削速度為0. 55m/s措抒,切深為0. 5mm,橫向進(jìn)給量為2. 8m/行程居绸,每片PDC樣品檢測的切削長度為501 m精克。PDC磨耗值為其金剛石層磨損面中心部分的線高度(用工具顯微鏡測量,誤差為0.03mm)因登。這2種方法各有優(yōu)點(diǎn):用砂輪可統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)硅魁,即使不能完全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),也相差不大步鸣,且能通過計(jì)算求出較準(zhǔn)確的磨削值枯昂。用花崗巖更加符合應(yīng)用范疇。但它們的缺點(diǎn)也是很明顯的:只對復(fù)合片局部測試醒囊,不能判斷整個(gè)復(fù)合片的質(zhì)量;只能判斷復(fù)合片的耐磨性能優(yōu)劣霸瘾,不能找到磨耗比大小的原因,是一種破壞性實(shí)驗(yàn)通熄。國內(nèi)通過6面頂合成出來的復(fù)合片一開始是采用工具磨床進(jìn)行磨耗比測定否淤,但誤差甚大。鄭州磨料所和桂林金剛石廠首先提出要研制專用儀器,后由桂林金剛石廠陳朝華和彭為云等研制設(shè)備石抡,鄭州磨料所汪榮華、黃祥芬助泽,桂林金剛石廠方嘯虎等進(jìn)行測試方法和標(biāo)準(zhǔn)的研究啰扛,得到了現(xiàn)在普遍使用的磨耗比測定儀和測定方法。這種檢測方法自動化程度高嗡贺、檢測效率高隐解,且可大大降低勞動強(qiáng)度。目前還有一種測試方法诫睬,主要是通過XRD煞茫、Raman光譜法及SEM等對復(fù)合片進(jìn)行綜合測試,這幾種方法綜合使用可對復(fù)合片金剛石層的耐磨性能做出準(zhǔn)確的判斷摄凡,不僅可判斷復(fù)合片質(zhì)量的優(yōu)劣续徽,還能給出復(fù)合片金剛石層耐磨性能優(yōu)劣的原因及改進(jìn)方法,這種方法還未普遍使用蘑慕。
2.2熱穩(wěn)定性
由于復(fù)合片受熱后袒忿,其使用性能會受到很大影響,因此很自然地從受熱前后復(fù)合片性能地改變來研究其熱穩(wěn)定性蕊欣。目前蓖桅,測量加熱后復(fù)合片性能改變量成為測定其熱穩(wěn)定性的主要手段。目前愈秕,在世界范圍內(nèi)舍稽,測定復(fù)合片耐熱性的測試方法主要有如下3種:
(1)英國DeBeers公司是將其置于空氣中用馬弗爐加熱,同時(shí)將其置于還原氣氛( 95%H2+5%N2)中用還原爐加熱至某一溫度言盼,并保持一段時(shí)間发液,然后測定其失重、耐磨性蛀家、石墨化程度和抗沖擊性能;
(2)英國DeBeers公司還有用熱重-差熱分析儀(DSC-DTA )浊待,并配以高溫顯微鏡,來測定其初始氧化溫度馅溉,以此來確定氧化度和耐熱性;
(3)美國GE公司是將加熱過的燒結(jié)體缔类,用掃描電鏡作斷口分析及車削試驗(yàn),切削速度為107~168 m/min劲阎,進(jìn)給量為0. 13 mm/r绘盟。國內(nèi)的測試方法大多類似于方法(2),采用差熱-熱重法悯仙。主要是用差熱-熱重曲線來分析溫度點(diǎn)龄毡,以此來確定復(fù)合片的氧化溫度和石墨化溫度等。而且目前測試復(fù)合片熱穩(wěn)定性時(shí)所采用的加熱方式多是爐中加熱。
2.3抗沖擊性能檢測方法
由于復(fù)合片自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)沦零,以及在實(shí)際使用過程中的受破壞方式祭隔,使得復(fù)合片一般都是受沖擊破壞而失效,因此抗沖擊性能也是衡量復(fù)合片質(zhì)量優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)路操。對其重視程度也越來越高疾渴,抗沖擊性能的檢測方法也在不斷提高。
2. 3. 1高速運(yùn)動顆粒沖蝕法
(1)基本原理屯仗。用硅粉或玻璃粉作為拋射材料搞坝,利用電容放電原理使這些粒子獲得動能,進(jìn)而形成高速粒子流魁袜,沖擊被測試樣品的表面桩撮,使其產(chǎn)生侵蝕破壞,測得試樣受沖擊前后的質(zhì)量損失筛毡,根據(jù)試驗(yàn)所采用噴射物的種類仆腐、粒子流的速度及質(zhì)量損失比曲線,作為其抗沖擊性能的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)饼尾。
(2)測試用儀器挽沧。高能電容器組、發(fā)射裝置谐昌、高速分副測速相機(jī)及拋射體糙官。
(3)缺點(diǎn)。對設(shè)備的要求較高筒啄,不易推廣應(yīng)用鱼催。
(4)實(shí)際使用。主要是美國GE公司用來測定其產(chǎn)品的抗沖擊性能贤方。
2. 3. 2PDC車削帶槽花崗巖棒轉(zhuǎn)撞擊法
(1)基本原理见毒。先將PDC制成車刀,以一定的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給力橫切帶軸向溝槽的花崗巖棒献甘,以車刀發(fā)生崩刃吴攒、分層或破碎時(shí)所經(jīng)受的沖擊次數(shù)作為其抗沖擊性能指標(biāo)。
(2)缺點(diǎn)砂蔽。很難找到各項(xiàng)性能指標(biāo)完全相同的花崗巖棒洼怔,使測試結(jié)果的可信度大大降低;另外測試時(shí)還必須將PDC焊在刀架上,比較麻煩左驾。
(3)實(shí)際使用镣隶。英國De Beers公司采用硅鋁合金做材料,制成圓形的工件诡右,工件上每180度間隔有一V形槽安岂,檢測時(shí)采用100 mm/min的切削速度轻猖,單次切削深度為1 mm。以試樣失效時(shí)所經(jīng)過V形槽的次數(shù)作為測試指標(biāo)域那,來比較PDC的抗沖擊性能和粘結(jié)質(zhì)量咙边。
2. 3. 3重砣沖擊法
(1)基本原理。重砣沖擊是在吊線沖擊架上進(jìn)行的琉雳,沖擊架由一拋光的鋼板和液壓系統(tǒng)組成样眠。液壓系統(tǒng)可以進(jìn)行平穩(wěn)地調(diào)節(jié),在試樣上產(chǎn)生500~1000 N的軸向壓力;重砣可沿拉緊的鋼絲移動翠肘,動載荷靠不同的重砣產(chǎn)生,其范圍在0. 1~500 J虏向。試驗(yàn)采用的測試參數(shù)一般是档广,軸向壓力為1 000 N,單次沖擊功為0. 6 J皇腮,試驗(yàn)時(shí)將試樣放于沖擊架的鋼板上悄针,并通過一直徑為20 mm的鋼桿向試樣施加1 000 N的軸向壓力,然后多次拋落沖錘据值,直至試樣完全破壞铛邦。以試樣破壞時(shí)的拋落次數(shù)(沖擊總能量)作為衡量PDC抗沖擊性能的指標(biāo)。
(2)缺點(diǎn)瘾歉。這種方法測出的是在一定的條件下紫鳄,試樣完全破碎的沖擊次數(shù)或沖擊功,但實(shí)際上沧宠,PDC切削工具在井下工作時(shí)灸蛤,往往受沖擊剪切力而部分或邊緣失效,而不是整體破壞蕾奴,因此這種方法不能很好地模擬PDC的實(shí)際受力狀態(tài)险毁。
2. 3. 4可變換沖擊功落球式?jīng)_擊法
這種方法是趙爾信等人研究出來的,在國內(nèi)得到了一定程度的應(yīng)用们童。
(1)基本原理畔况。將鋼球在一定高度自由落下,鋼球的勢能轉(zhuǎn)化為動能(沖擊能)慧库,利用該能量沖擊試樣進(jìn)行測試跷跪。測試時(shí),使沖球逐次沖砸PDC的邊緣部分(單次沖擊能量一般為0. 2 J)完沪,以試樣表面出現(xiàn)可見裂紋或產(chǎn)生破碎時(shí)域庇,得到?jīng)_擊功值作為衡量其抗沖擊性的定量指標(biāo),用沖擊功表示覆积,單位為焦耳听皿。
(2)缺點(diǎn)。在原理上是完全可行的,測試誤差也能滿足要求(<5% )尉姨,是一種比較理想的測試方法庵朝,但隨著PDC制造技術(shù)的不斷進(jìn)步, PDC的質(zhì)量得到了大幅度的提高卓召,測試一個(gè)試樣往往需要上百次甚至數(shù)百次的沖擊改阳。這種方法雖然操作簡便,但重復(fù)性的工作量太大伶摄,另外采用人工記錄沖擊次數(shù)骚目,也是比較繁瑣的。上述這些方法都有其局限性历劣,后來由張祖培等人在1996年研制成功的《DFZY型單晶及復(fù)合片沖擊破碎能測定儀》在國內(nèi)受到普遍應(yīng)用冷沿。這種儀器能很好地模擬PDC在井下工作時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài),還能自動完成檢測和記錄工作根丈。
2.4超聲檢測
金剛石復(fù)合片的內(nèi)部燒結(jié)質(zhì)量問題病唁,即金剛石層與硬質(zhì)合金層的結(jié)合是否牢固,一直是PDC生產(chǎn)廠家和用戶備受關(guān)注的問題抹寿。作為新型的超硬材料產(chǎn)品券听,目前國內(nèi)PDC的產(chǎn)量不斷擴(kuò)大,應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬馆寇,對外也開始呈現(xiàn)較大批量的出口骨唇。在此情況下,如何更好地檢測PDC的內(nèi)部質(zhì)量姐赡,生產(chǎn)出質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品莱预,成了擺在PDC生產(chǎn)廠家面前的一個(gè)需要解決的新問題。現(xiàn)在项滑,國內(nèi)的部分廠家已開始研究尋找解決的方法依沮。目前在國外檢測PDC內(nèi)部質(zhì)量時(shí)都采用超聲波檢測方法。檢測原理為:用超聲波檢測PDC的內(nèi)部質(zhì)量枪狂,實(shí)際上是使用超聲波技術(shù)進(jìn)行探傷的過程危喉。目前使用的超聲探傷原理中,脈沖反射法應(yīng)用最為廣泛州疾。
3檢測方法發(fā)展趨勢
目前復(fù)合片的使用范圍越來越廣辜限,在實(shí)際使用過程中對其各項(xiàng)性能的要求也越來越高,相應(yīng)的檢測方法也要能滿足要求严蓖。隨著復(fù)合片檢測方法研究的不斷深入薄嫡,其發(fā)展有以下幾個(gè)趨勢:
(1)耐磨性。從復(fù)合片的微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行其耐磨性的檢測颗胡,用X射線衍射方法毫深、Raman光譜法及電鏡法等對復(fù)合片進(jìn)行綜合測試吩坝。不僅可以準(zhǔn)確測得復(fù)合片的耐磨性,更能找出影響其耐磨性的內(nèi)在原因径以,提高復(fù)合片的耐磨性姐硬。
(2)熱穩(wěn)定性。現(xiàn)在研究復(fù)合片的熱穩(wěn)定性不可避免地要涉及到熱損傷的概念夺疹,它是指PDC由于受熱引起的損傷柄豹。可以采用對熱處理前后的復(fù)合片進(jìn)行SEM觀察应康,以了解損傷的形貌橱狗、程度和特點(diǎn),這種方法可以用來判斷復(fù)合片的熱穩(wěn)定性坝贿,其優(yōu)點(diǎn)是可以分析復(fù)合片產(chǎn)生損傷的原因饮协,進(jìn)而找到解決的辦法,相應(yīng)地可以提高復(fù)合片的熱穩(wěn)定性瓣硼。
(3)沖擊性能。由于復(fù)合片在實(shí)際使用中受沖擊破壞一般有2種猿文,一種是受到多次沖擊而破壞聂映,還有一種是突然受到巨大沖擊力而破壞。因此一般在檢測復(fù)合片沖擊性能時(shí)棚贾,要同時(shí)檢測其最大抗沖擊性能及抗沖擊韌性窖维。由于復(fù)合片自身的特點(diǎn)決定了其最大抗沖擊能很大,需要的設(shè)備儀器要求很高妙痹,一般都只檢測復(fù)合片的抗沖擊韌性铸史,也就是一種疲勞試驗(yàn),而疲勞試驗(yàn)的明顯缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生誤差怯伊。因此抗沖擊性能檢測方法會向著大沖擊力琳轿,高精確性的方向發(fā)展。
(4)殘余應(yīng)力檢測耿芹。金剛石復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響復(fù)合片的熱穩(wěn)定性及抗沖擊性能崭篡,而且主要以熱殘余應(yīng)力為主,通過中子衍射法可以對復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力進(jìn)行表征吧秕,并得到具體數(shù)值琉闪。
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