金剛石復合片的机能檢測

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2020-02-19

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金剛石復合片(polycrystallinediamondcompactPDC)作為一種新型復合原料,其開展汗青僅有十幾年,但其應用范疇已開展到各行各業,普各處應用于地質鉆探、非鐵金屬及合金、硬質合金、石墨、塑料、橡膠、陶瓷和木材等原料的切削加工等范疇。它的表層為金剛石粒度差此外粉末燒結而成的多晶金剛石,具有極高的硬度、耐磨性和較長的工作壽命;底層一般為鎢鈷類硬質合金,opebet体育app下载它具有較好的韌性,為表層聚晶金剛石供應優良的撐持,且容易通過釬焊焊接到各類東西上。當前國表里一般都采納超高壓高溫燒結的法子制造聚晶金剛石-硬質合金復合片。由于它的使用范疇擴大,對其機能的要求先進,因而相應的機能檢測法子也顛末了一個快速的開展進程,在檢測的準確性和有效性方面都趨于成熟。

(1)高的硬度和耐磨性(磨耗比)。復合片的硬度高達10000HV閣下,是當前世界上人造物質中最硬的原料,比硬質合金及工程陶瓷的硬度高得多。由于硬度極高,并且各向同性,因而具有極佳的耐磨性。一般通過磨耗比來反映復合片的耐磨性,在20世紀80~90年代中期,復合片磨耗比為4~6萬(國外為8~12萬);20世紀90年代中期至如今,復合片的磨耗比為8~30萬(國外10~50萬)。

(2)熱不變性。復合片的熱不變性確定了其使用范疇,復合片的熱不變性[2]即為耐熱性,與其強度和磨耗比一樣,是權衡PDC質量的重要機能目的之一。耐熱不變性是指在大氣環境(有氧氣存在)下加熱到必定的溫度,冷卻以后聚晶層化學機能的不變性(金剛石墨化的程度)、宏觀力學機能的變化和對復合層界面別離結實程度的影響。熱不變性的變化在750℃燒結以后,國內局部廠家產品表示為磨耗比上升5%~20%,抗突擊韌性變化不大,局部廠家產品磨耗比下降,抗突擊機能下降,這與各個單元所采納的配方和工藝不同有關,國外復合片的磨耗比和抗突擊韌性燒結前后變化不大。

(3)抗突擊韌性。PDC作為切削東西,被普各處應用于油氣鉆井功課中。在鉆井進程中,由于軸向力和程度切削力的聯協感化、鉆具與孔壁的摩擦、鉆桿柱的曲折、孔底不服及殘留巖粉、鉆機振動等因素的影響,使得鉆頭上的PDC遭到極大的突擊力。PDC抗突擊機能反映了復合片的韌性和粘結強度,是一綜合性目的,也是決議其使用效果黑白的關鍵所在。在20世紀80~90年代中期,復合片的抗突擊韌性為100~200J(國外為200~300J);20世紀90年代中期至如今,抗突擊韌性為200~400J(國外大于400J)。

復合片的耐磨性一般是通過磨耗比這個目的來權衡的,但迄今為止國際上也沒有制定統一的測驗標準,幾個次要的PDC消費國均有其本人的測驗法子。美國的GE公司采納的法子是用PDC來車削一種構造均勻的花崗巖棒,切削速度為180m/min,切深為1mm,進給量為0.28mm/r。車削時用測力計測PDC的受力大小。車削必定命量的花崗巖后,察看PDC的磨損量。磨損量是用投影顯微鏡測量被磨損部位的長寬尺寸,然后用計較機算出其體積,停止比力。英國DeBeers公司的法子與GE公司類似。前蘇聯對PDC耐磨性的測定是用PDC來刨削指定地區采來的石英砂巖。石英砂巖采自頓涅茨地區托列茲露采廠,尺寸為500mm×300mm×250mm。PDC固定在牛頭刨床的刀具上,測驗時,切削速度為0.55m/s,切深為0.5mm,橫向進給量為2.8m/行程,每片PDC樣品檢測的切削長度為501m。PDC磨耗值為其金剛石層磨損面中心局部的線高度(用東西顯微鏡測量,誤差為0.03mm)。這2種法子各有長處:用砂輪可統一標準標準,即使不克完全標準標準,也相差不大,且能通過計較求出較準確的磨削值。用花崗巖愈加契合應用范疇。但它們的缺點也是很顯著的:只對復合片局部測驗,不克推斷整個復合片的質量;只能推斷復合片的耐磨機能好壞,不克找到磨耗比大小的原因,是一種毀壞性嘗試。國內通過6面頂合成出來的復合片一開端是采納東西磨床停止磨耗比測定,但誤差甚大。鄭州磨料所和桂林金剛石廠首先提出要研制公用儀器,后由桂林金剛石廠陳朝華和彭為云等研制設施,鄭州磨料所汪榮華、黃祥芬,桂林金剛石廠方嘯虎等停止測驗法子和標準的研究,獲得了如今遍及使用的磨耗比測定儀和測定法子。這種檢測法子主動化程度高、檢測效率高,且可大大降低勞動強度。當前還有一種測驗法子,次要是通過XRD、Raman光譜法及SEM等對復合片停止綜合測驗,這幾種法子綜合使用可對復合片金剛石層的耐磨機能做出準確的推斷,不只可推斷復合片質量的好壞,還能給出復合片金剛石層耐磨機能好壞的原因及改良法子,這種法子還未遍及使用。

由于復合片受熱后,其使用機能會遭到很大影響,因而很天然地從受熱前后復合片機能地改動來研究其熱不變性。當前,測量加熱后復合片機能改動量成為測定其熱不變性的次要手段。當前,活著界范疇內,測定復合片耐熱性的測驗法子次要有如下3種:

(3)美國GE公司是將加熱過的燒結體,用掃描電鏡作斷口闡發及車削試驗,切削速度為107~168m/min,進給量為0.13mm/r。國內的測驗法子大多類似于法子(2),采納差熱-熱重法[8]。次要是用差熱-熱重曲線來闡發溫度點,以此來確定復合片的氧化溫度和石墨化溫度等。并且當前測驗復合片熱不變性時所采納的加熱方式多是爐中加熱。

由于復合片本身構造的特征,以及在實際使用進程中的受毀壞方式,使得復合片一般都是受突擊毀壞而失效,因而抗突擊機能也是權衡復合片質量好壞的一項重要目的。對其重視程度也越來越高,抗突擊機能的檢測法子也在不竭先進。

(1)基本原理。用硅粉或玻璃粉作為拋射原料,操縱電容放電原理使這些粒子獲得動能,進而構成高速粒子流,突擊被測驗樣品的外表,使其產生侵蝕毀壞,測得試樣受突擊前后的質量喪失,依據試驗所采納噴射物的品種、粒子流的速度及質量喪失比曲線,作為其抗突擊機能的標準目的。

(3)實際使用。英國DeBeers公司采納硅鋁合金做原料,制成圓形的工件,工件上每180度間隔有一V形槽,檢測時采納100mm/min的切削速度,單次切削深度為1mm。以試樣失效時所顛末V形槽的次數作為測驗目的,來比力PDC的抗突擊機能和粘結質量。

(1)基本原理。重砣突擊是在吊線突擊架長停止的,突擊架由一拋光的鋼板和液壓系統構成。液壓系統可以停止平穩地調度,在試樣上產生500~1000N的軸向壓力;重砣可沿拉緊的鋼絲挪動,動載荷靠差此外重砣產生,其范疇在0.1~500J。試驗采納的測驗參數一般是,軸向壓力為1000N,單次突擊功為0.6J,試驗時將試樣放于突擊架的鋼板上,并通過不斷徑為20mm的鋼桿向試樣施加1000N的軸向壓力,然后屢次拋落沖錘,直至試樣完全毀壞。以試樣毀壞時的拋落次數(突擊總能量)作為權衡PDC抗突擊機能的目的。

(2)缺點。這種法子測出的是在必定的條件下,試樣完全破碎的突擊次數或突擊功,但實際上,PDC切削東西在井下工作時,往往受突擊剪切力而局部或邊緣失效,而不是整體毀壞,因而這種法子不克很好地模擬PDC的實際受力形態。

(1)基本原理。將鋼球在必定高度自在落下,鋼球的勢能轉化為動能(突擊能),操縱該能量突擊試樣停止測驗。測驗時,使沖球逐次沖砸PDC的邊緣局部(單次突擊能量一般為0.2J),以試樣外表呈現可見裂紋或產生破碎時,獲得突擊功值作為權衡其抗突擊性的定量目的,用突擊功表示,必威体育首页單元為焦耳。

(2)缺點。在原理上是完全可行的,測驗誤差也能滿足要求(<5%),是一種比力夢想的測驗法子,但跟著PDC制造技術的不竭先進,PDC的質量獲得了大幅度的先進,測驗一個試樣往往需要上百次以致數百次的突擊。這種法子當然操作煩瑣,但反復性的工作量太大,別的采納人工記載突擊次數,也是比力繁瑣的。上述這些法子都有其局限性,后出處張祖培等人在1996年研制成功的《DFZY型單晶及復合片突擊破碎能測定儀》[9]在國內遭到遍及應用。這種儀器能很好地模擬PDC在井下工作時的實際受力形態,還能主動完成檢測和記載工作。

金剛石復合片的內部燒結質量問題,即金剛石層與硬質合金層的別離能否結實,不斷是PDC消費廠家和用戶備受存眷的問題。作為新型的超硬原料產品,當前國內PDC的產量不竭擴大,應用范疇越來越寬,對外也開端呈現較大批量的出口。在此情況下,如何更好地檢測PDC的內部質量,消費出質量更可靠的產品,成了擺在PDC消費廠家面前的一個需要處理的新問題。如今,國內的局部廠家已開端研究尋找處理的法子。當前在國外檢測PDC內部質量時都采納超聲波檢測法子[10]。檢測原理為:用超聲波檢測PDC的內部質量,實際上是使用超聲波技術停止探傷的進程。當前使用的超聲探傷原理中,脈沖反射法應用最為遍及。

(1)耐磨性。從復合片的微觀構造方面停止其耐磨性的檢測,用X射線衍射法子、Raman光譜法及電鏡法等[11-12]對復合片停止綜合測驗。不只可以準確測得復合片的耐磨性,更能找出影響其耐磨性的內在原因,先進復合片的耐磨性。

(2)熱不變性。如今研究復合片的熱不變性不可幸免地要涉及到熱毀傷的概念,它是指PDC由于受熱引起的毀傷。可以采納對熱處置前后的復合片停止SEM察看,以理解毀傷的形貌、程度和特征,這種法子可以用來推斷復合片的熱不變性,其長處是可以闡發復合片產生毀傷的原因,進而找到處理的法子,相應地可以先進復合片的熱不變性。

(3)突擊機能。由于復合片在實際使用中受突擊毀壞一般有2種,一種是遭到屢次突擊而毀壞,還有一種是突然遭到龐大突擊力而毀壞。因而一般在檢測復合片突擊機能時,要同時檢測其最大抗突擊機能及抗突擊韌性。由于復合片本身的特征決議了其最大抗突擊能很大,需要的設施儀器要求很高,一般都只檢測復合片的抗突擊韌性,也就是一種疲憊試驗,而疲憊試驗的顯著缺點就是容易產生誤差。因而抗突擊機能檢測法子會向著大突擊力,高準確性的方向開展。