金剛石燒結(jié)體(PCD與PDC)的發(fā)展概況(四)①

趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

金剛石燒結(jié)體(PCD與PDC)的發(fā)展概況(四)①

趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

簡(jiǎn)單介紹了金剛石燒結(jié)體的發(fā)明、合成機(jī)理、制造方法、品種規(guī)格、性能檢測(cè)、應(yīng)用效果及其發(fā)展前景,可供超硬材料科研與生產(chǎn)人員學(xué)習(xí)參考。

金剛石燒結(jié)體;聚晶;復(fù)合片;鉆頭;刀具;拉絲模

5 PCD與PDC的性能檢測(cè)

無(wú)論是PDC、聚晶PCD都是作為工具的“牙齒”來(lái)使用的,是鉆頭或切削刀具、拉絲模具最主要的工作部位,其性能的好壞直接影響工具的工作性能及使用壽命。性能評(píng)價(jià)是產(chǎn)品供應(yīng)商監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的基本手段之一,同時(shí)也是不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)性工作。

5.1 石油、地質(zhì)鉆頭用PDC的性能及檢測(cè)

5.1.1 PDC金剛石層內(nèi)部及金剛石/硬質(zhì)合金界面的無(wú)損檢測(cè)

以往的PDC檢測(cè)只是檢查產(chǎn)品的外形尺寸和外表缺陷,如直徑、高度、金剛石層表面有無(wú)可見(jiàn)缺陷等等。而PDC真正致命的缺陷卻往往隱藏在金剛石層內(nèi)部或金剛石與硬質(zhì)合金結(jié)合界面處,由于這些位置上的缺陷藏而不露,人們無(wú)法從外觀甄別,如圖21所示,這些內(nèi)部缺陷從而就成為漏網(wǎng)之魚(yú),而且比一些外觀可見(jiàn)的缺陷更具危險(xiǎn)性。如內(nèi)部裂紋和界面分層,在制作鉆頭時(shí),將PDC高溫釬焊到鉆頭體上,由于受到700℃左右的高溫,會(huì)使原本存在的裂紋或界面分層進(jìn)一步擴(kuò)大延伸,直接形成破壞。即使未能充分顯露,在鉆井過(guò)程中不斷周期性地循環(huán)受力,最終會(huì)使金剛石層受到致命破壞,產(chǎn)生脫落。因此,將這些藏有內(nèi)部缺陷的PDC排除掉,對(duì)保證PDC產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,提高PDC切削齒的可靠性至關(guān)重要。

早期的無(wú)損檢測(cè)借助于高頻率的超聲波,當(dāng)金剛石/硬質(zhì)合金界面有燒結(jié)不良存在內(nèi)部分層現(xiàn)象時(shí),超聲波會(huì)有強(qiáng)烈的反射信號(hào)出現(xiàn)。這種“A”超聲模式只能評(píng)價(jià)平面界面的PDC產(chǎn)品,隨著PDC的發(fā)展,現(xiàn)在的PDC產(chǎn)品幾乎都是非平面結(jié)構(gòu)的,只能采用更先進(jìn)的“C”超聲掃描技術(shù)?，F(xiàn)在主流PDC制造商都將此技術(shù)應(yīng)用到油田復(fù)合片的檢查,在100%檢測(cè)的基礎(chǔ)上,有些特殊的PDC,根據(jù)工藝要求進(jìn)行二次內(nèi)部探傷,雖然增加了成本,但對(duì)產(chǎn)品可靠性卻提供了有力的技術(shù)保障。

圖21 PDC典型的內(nèi)部缺陷Fig.21 Typical inner defect of PDC

5.1.2 耐磨性檢測(cè)

“耐磨”是PDC和PCD的基本特征要求,PCD或PDC的耐磨性是其工具在切削、鉆井、拉絲等使用過(guò)程中抗磨損的性能,磨損有單純的磨蝕性磨損及化學(xué)腐蝕性(或粘結(jié)性)磨損兩種。關(guān)于PDC的耐磨性的檢測(cè),國(guó)內(nèi)和國(guó)外分別采用兩種不同的方法。根據(jù)我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T3235-1999,如圖22所示,將 PDC作為車刀來(lái)車削標(biāo)準(zhǔn)試樣(專用SiC砂輪)。此方法有3大問(wèn)題:其一,PDC的工作方式與實(shí)際鉆井時(shí)的狀況條件相差甚遠(yuǎn);其二,被切削材料與實(shí)際鉆井時(shí)所經(jīng)常遇見(jiàn)的地層相差甚遠(yuǎn);其三,由于被切材料所損耗的量較小,導(dǎo)致金剛石被磨損的量太小,只有十萬(wàn)分之幾克,幾乎接近天平的感量,稱量誤差對(duì)最終數(shù)據(jù)的影響太大,甚至有時(shí)會(huì)測(cè)出金剛石的磨損量為負(fù)。

圖22 國(guó)內(nèi)普遍采用的耐磨性檢測(cè)方法Fig.22 Popular method of testing abrasion resistance in China

圖23 國(guó)際流行的重負(fù)荷切削法Fig.23 Popular method of heavy loaded cutting in international market

圖23所示為目前國(guó)際上通行的檢測(cè)耐磨性方法,模擬PDC在鉆頭體上的安裝角度來(lái)切削大尺寸的花崗巖,進(jìn)行重負(fù)荷切削。由于花崗巖具有很高的強(qiáng)度和一定的微沖擊作用,PDC的金剛石磨損體積相當(dāng)大,較容易進(jìn)行磨損量的測(cè)量評(píng)估。

5.1.3 抗沖擊性能檢測(cè)

PDC的抗沖擊性能是另一個(gè)重要指標(biāo),耐沖擊性是指材料承受沖擊載荷的能力,與材料的斷裂韌性有關(guān)。方法之一,使用2～5g的小鋼球落向PDC的邊緣,經(jīng)過(guò)反復(fù)數(shù)百次的微小沖擊,觀察PDC邊緣的破壞情況。這種檢測(cè)方式與PDC切削齒的井下工作實(shí)際出入較大,鉆頭的軸向壓力有數(shù)噸至十幾噸,而不是以克計(jì)算的。因此,有必要使用較大能量進(jìn)行沖擊。圖24為目前國(guó)際上最先進(jìn)的沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)裝置。根據(jù)所測(cè)PDC的大小不同,可設(shè)置不同的沖擊速度,沖擊能量等,該裝置的高靈敏度力傳感器和位移傳感器可將沖擊過(guò)程、沖擊錘頭和PDC金剛石層接觸瞬間力和功隨時(shí)間的變化詳細(xì)記錄,以反映PDC受到?jīng)_擊時(shí)微觀受力狀況和被破壞的時(shí)點(diǎn),對(duì)研究PDC抗沖擊性能有著重要參考價(jià)值。

圖24 沖擊強(qiáng)度檢測(cè)裝置Fig.24 Device for testing impact resistance

5.1.4 耐熱性

耐熱性是指PCD或PDC受熱后組織和性能不發(fā)生變化時(shí)所能承受的溫度與時(shí)間,熱處理溫度越高時(shí)間越短,耐熱性實(shí)質(zhì)上是一系列的溫度與時(shí)間上的組合。絕大多數(shù)PDC切削齒都是通過(guò)焊接方式固定到鉆頭基體上的,焊接溫度一般為700℃左右,而且都是采用手工焊接,施焊過(guò)程中焊槍火焰中心區(qū)的溫度會(huì)高于700℃,很難完全保證PDC切削齒不會(huì)受到大于700℃的過(guò)熱破壞。大部分情況是PDC處在危險(xiǎn)溫度邊緣,雖還不足以使金剛石層碳化失效,但會(huì)引起金剛石層產(chǎn)生裂紋或硬質(zhì)合金層產(chǎn)生裂紋(見(jiàn)圖25)。所以要對(duì)PDC進(jìn)行耐熱性測(cè)試,以觀察PDC切削齒的耐熱性能。

在微觀上也存在耐熱性問(wèn)題,金剛石與巖石接觸點(diǎn)附近,很難得到充分冷卻,PDC中的金剛石顆粒與巖石切削時(shí),接觸的瞬間,溫度可能會(huì)高達(dá)1000℃左右,當(dāng)鉆頭上的切削齒轉(zhuǎn)出該位置時(shí),立即受到鉆井液的冷卻,這樣反復(fù)循環(huán)就會(huì)對(duì)金剛石形成熱疲勞損傷,使金剛石層產(chǎn)生龜裂紋,并不斷延伸擴(kuò)展,造成金剛石碎裂磨損(見(jiàn)圖26)。

耐熱性的檢測(cè)方法通常是將PCD和PDC加熱到某一溫度并保持一段時(shí)間,測(cè)量同一PCD和PDC在加熱前后的耐磨性來(lái)評(píng)價(jià)耐熱性能,或者也可以采用X衍射和掃描電鏡來(lái)分析PCD和PDC的組織是否發(fā)生變化來(lái)確認(rèn)其耐熱性能。

圖25 焊接后合金裂紋Fig.25 Cracks on carbide after brazing

圖26 金剛石層熱疲勞裂紋Fig.26 Thermal fatigue cracks on diamond layer

5.1.5 PCD與PDC殘余應(yīng)力

組成PCD與PDC的主要原材料有金剛石和結(jié)合劑鈷、硅、硬質(zhì)合金,它們的導(dǎo)熱系數(shù)與熱膨脹系數(shù)有很大的區(qū)別。在燒結(jié)過(guò)程與加工過(guò)程中,需經(jīng)歷很大的壓力與溫度變化,不可避免會(huì)在PCD與PDC的表面與內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力包括殘余組織應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力兩種。這種殘余應(yīng)力會(huì)直接影響PCD與PDC的抗沖擊性能和耐熱性能,甚至?xí)孕挟a(chǎn)生斷裂現(xiàn)象,如圖27所示。吉林大學(xué)和中南大學(xué)的學(xué)者用應(yīng)變片或應(yīng)力釋放法、X射線法、Raman光譜法結(jié)合有限元模擬計(jì)算來(lái)研究殘余應(yīng)力的形成機(jī)制、分布規(guī)律,進(jìn)而提出一些減小殘余應(yīng)力的技術(shù)思路和解決方案。例如非平面界面結(jié)構(gòu),結(jié)合界面采用梯度結(jié)構(gòu),適當(dāng)控制金剛石層厚度等證明均是行之有效的技術(shù)手段。

圖27 金剛石燒結(jié)體自行斷裂形式Fig.27 Fracture of sintered diamond compact

5.2 刀具用PDC的性能檢測(cè)

刀具用PDC用于切削刀具的刀尖部位,其工作環(huán)境惡劣程度不及地質(zhì)鉆頭,對(duì)這類材料的性能評(píng)價(jià),大都基于材料本身的一些基本物理性能。

(1)硬度與耐磨性檢測(cè)

PDC的顯微硬度十分接近硬度儀金剛石壓頭的硬度,難以準(zhǔn)確測(cè)定。一般將PDC切割后制成標(biāo)準(zhǔn)的車刀,在諸參數(shù)一定條件下車削某些高抗磨性材料,如高硅鋁合金,碳纖維增韌樹(shù)脂,甚至花崗巖,測(cè)定其后刀面磨損程度,來(lái)評(píng)價(jià)PDC的耐磨性。

(1)抗彎強(qiáng)度的檢測(cè)

采用標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲法,在萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上可以得出PDC的金剛石層抗彎強(qiáng)度,并可通過(guò)SEM觀察斷口形貌,獲取更多有用的信息。此值大多作為PDC開(kāi)發(fā)人員的參考。

[1] 趙云良,趙爽之.金剛石燒結(jié)機(jī)理的探討.

[2] 趙云良,江曉樂(lè),趙爽之.復(fù)合超硬材料發(fā)展概況.

The Development of sintered polycrystalline diamond compact(PCD&PDC)

ZHAO Yun-liang,ZHAO Shuang-zhi,YAN Sen
(Zhengzhou New Asia Superhard Material Composite Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,Henan)

This article briefly describes the invention,the theory of sintering,manufacturing methods,specifications,methods of performance evaluation,application and development prospects of sintered polycrystalline diamond compact.It could be the reference information for scientific research and production of superhard abrasives.

sintered diamond compact;TSP;polycrystalline diamond compact;drill bit; cutting tool;polycrystalline diamond wire die

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0048-04

2013-10-10

趙云良,教授級(jí)高工,鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公共場(chǎng)所司總經(jīng)理,從事PDC、PCD、PcBN研究與工業(yè)化生產(chǎn)。