减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径
张喆
【摘要】聚晶金刚石复合片因具有硬度高、耐磨性佳、冲击韧性好等特性，广泛应用于难加工材料的切削加工、石油开采与地质勘探等多个领域。然而由于金刚石与硬质合金的物理性能差异较大，冷却时易在界面处产生残余应力，从而导致聚晶金刚石层与硬质合金层脱离，这是聚晶金刚石复合片失效的主要原因。因此，文章对近年来减少聚晶金刚石复合片内残余应力的各类途径进行归纳总结，并对其未来发展进行展望。%Due to the characteristics of high hardness,wear resistance and impact tough-ness,polycrystalline diamond compacts are widely used in fields such as difficult-to-cut material machining,oil
exploration,geological exploration etc.However,because of the huge difference of physical property between diamond and cemented carbide,residual stress is easily to be generated at the interfaces during cooling procedure.This tends to cause the delamination of polycrystalline diamond layer and cemented carbide layer,which is the main reason for failure of polycrystalline diamond compacts.This article will sum-marize different kinds of ways to decrease the residual stress in polycrystalline diamond compacts in recent years,and provide an outlook of its future development.
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2016(028)005
【总页数】5页(P49-53)
【关键词】聚晶金刚石复合片;残余应力;脱层
【作者】张喆
【作者单位】桂林特邦新材料有限公司，广西桂林 541004
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)又名聚晶金刚石-硬质合金复合片，是由金刚石微粉、硬质合金和粘结剂作为原材料在高温高压的条件下烧结而成的。该复合晶体材料兼具金刚石与硬质合金的特性，既具有高硬度与耐磨性，也具有高冲击韧性与可加工性。其制成的刀具与钻头主要应用于难加工材料的切削与石油开采、地质勘探等领域[1-3]，有着其他材料难以替代的地位。
残余应力是造成聚晶金刚石复合片产品失效的重要因素之一，产生原因[4]一方面是由于聚晶金刚石层(Polycrystalline diamond,PCD)与硬质合金衬底的热膨胀系数及弹性模量差异较大，如表1所示，在冷却的过程中结合界面处收缩不同步，其为宏观内应力；另一方面为制备过程中聚晶金刚石层存在气孔、夹杂等缺陷，应力易集中于此，其为微观内应力。当这两类应力得不到及时消除，产品就会在使用过程中PCD层与硬质合金层出现脱层甚至有复合片整体断裂的现象，导致刀具与钻头失效。因此，减少或消除残余应力在很大程度上能延长产品使用寿命，降低经济损失，提高工作效率及使用安全性，具有十分重要的现实意义。
准确测量残余应力值大小及分布既为衡量降低应力方法是否有用，也为如何改进方法及工艺指明了方向。目前国内外普遍运用的检测方法主要为应力释放法、射线衍射法及拉曼光谱法三类。
2.1 应力释放法
应力释放法是不断破坏应力平衡而使应力重新分布的测量过程。在该方法中，测量应变量的电阻应力片通常粘贴于PCD层表面中部，也有研究者[5]将其改进，同时粘贴于中部、1/2半径和边缘处提高检测的准确性。然后不断切割复合片的硬质合金层，并记录不同硬质合金厚度下的应变量。由于将聚晶金刚石层视为无应力状态，因此测得的应变量就是该处的残余应力值。
应力释放法是所有测量方法中最为简单、直观、廉价的，但在检测过程中，人为切割的误差会随着切割次数的增加而不断累加，从而造成测量结果的不准确，并对产品造成不可逆的破坏。此外，由于尺寸较小，可粘贴的应力片有限，难以获得整个复合片的应力分布，测量精准度不够。
2.2 射线衍射法
射线衍射法是通过测量结合界面处晶格间距的变化，进而计算出残余应力大小及其分布规律，其主要有X射线衍射法与中子衍射法两种方法。
2.2.1 X射线衍射法
对聚晶金刚石复合片进行轴向和径向扫描，通过反射得到的X射线强度及衍射峰
位移变化来计算残余应力大小及应力分布。
为了减少测量误差，常选用高θ角的衍射面，但测量易受Co峰的干扰。此外，由于金刚石应力常数很大，测量一旦出现偏差，误差则成倍放大，造成测量不准，精确度较低。
2.2.2 中子衍射法
中子衍射法与X射线衍射法原理相似，穿透能力很强，可测量材料内部的残余应力，精确度很高。然而中子衍射强度较弱，离散性大，测量时间长，且对试样体积有所限制[6](≥1mm3)，制约了该方法的应用，但随着科技的进步，它会有更为广阔的发展空间。
2.3 拉曼光谱法
拉曼光谱与固体分子的振动相关，通过测量不同位置因应力而造成的拉曼光谱位移大小及方向来计算材料内部的残余应力大小及种类，其应力值与峰值偏移成正比[7]。此外，通过拉曼光谱中峰的强度和形状还可表征金刚石的组织结构及结晶程度，侧面反应材料内部烧结是否均匀。与其他测量方法相比，拉曼光谱法精度高，且能同时获得材料的多种信息。但与应力释放法相比，成本较高，难以实现大规模应用。
为了减小结合界面及材料内部的残余应力，人们通过减小金刚石粒径、添加适宜的粘结剂、改变界面结构、调整聚晶金刚石层与硬质合金层厚度比、改进工艺等途径进行研究。
3.1 金刚石粒径
金刚石微粉粒径对残余应力大小主要体现在烧结过程中。当粒径较小时，由于金刚石颗粒间的间隙较小，熔融态粘结剂的进入可起到一定的排杂作用，减小非金刚石相的产生，降低了残余应力。而随着粒径增大，颗粒间空隙变大，熔融的粘结剂一部分填充于金刚石颗粒内促进形成D-D键，获得致密烧结体，而另一部分多余的
金属相[8]仍留在间隙内导致残余应力的增大。虽说采用细粒度金刚石微粉烧结存
在一定难度，如钴难以渗透进入金刚石层，易产生金刚石表面杂质高等问题，但也有研究者通过添加更细粒度的钴粉作为粘结剂[9]、采用两种粒度分层组装复合片[10]、减少粉料表面吸附的杂质等方法对其进行改善，从而既降低了PDC内部残
余应力，又提升了其冲击韧性与耐磨性。
3.2 粘结剂
由于金刚石与碳化钨的物理性能差异较大，若单纯进行烧结，不仅烧结困难，还难以在界面处实现有效结合，造成内应力较大易脱层的困扰。因此，人们往往加入与二者润湿性较好的物质作为粘结剂，加强两种材料的结合，并缩小其物理性能差异，减小复合片内部的残余应力。
自PDC面世以来，钴是最早应用且最为常用的粘结剂。在高温高压下，熔融态的钴以中间化合物的形式[11]点状或线状分布于相邻金刚石颗粒空隙之间，促进D-
D键的结合，在一定程度上加强了聚晶层与硬质合金的结合。但这前提是钴在聚
晶金刚石层中均匀分布，一旦钴在某一区域成块状富集，将对产品的制备及性能造成不利。
近年来，也有研究者开始采用与碳化物润湿性好的金属如Ni和Fe等作为粘结剂[12-13]，与钴相比，这类粘结剂有着较好的力学性能和可烧结性，可抑制烧结过
程中晶粒的异常长大现象，易获得均匀致密的烧结体，与此同时还改善了制品脆性大的问题，提高了金刚石与硬质合金界面处的结合强度，减小了界面处的残余应力。此外，研究者还在金刚石与硬质合金基体之间加入梯度过渡层，实现成分连续过渡，将二者之间的机械式结合改进为冶金式结合[14]，增大界面结合强度，提升产品综合性能。而加入的过渡层不仅限于单种材料，还可进行不同材料相互组合叠加。如林峰[15]等人分别将钛粉、钴粉、cBN粉、铝粉、镍片、铝片等作为过渡层进行PDC合成，研究发现当选取cBN+铝+钛作为过渡层时，既能有效抑制钨和钴的渗透，又可减小内部残余应力，改善脱层问题。结合曹品鲁[16]等人对梯度与常规结构的PDC内部残余应力的模拟计算的结果，可以看出，与普通PDC相比，梯度
结构PDC材料结合界面处应力可降低2倍，能有效改善PDC中的应力分布，减
小残余应力。
3.3 界面结构
除了上述方法增强聚晶层与硬质合金层之间的结合外，研究者还通过界面设计，即将原始的平面改进成槽齿面、简单凹凸面或波纹面等非平面连接，增大二者接触面积，分散应力集中，降低残余应力。
槽齿面与简单凹凸面是较早设计出来的一种界面结构，槽齿面式界面通过增加聚晶金刚石层与硬质合金基底结合面积，加强其之间结合力，如图1(a)～(c)。凹凸面
式界面则是通过增加PDC中金刚石含量来减小残余应力，如图1(d)～(e)所示。但这两种界面形式大多为尖角式连接，容易造成应力在连接处集中，抗冲击力较弱。因此，研究者开始采用圆角式连接代替尖角式以提升复合片的抗冲击性。此外，在此基础上，研究者还设计出以波纹式连接的界面结构，如图1(f)～(g)，该种结构可对应力的分布位置及方向起有效调整作用，分散应力，避免应力集中带来的脱层现象。然而目前设计的界面结构虽解决了边缘处剪切应力集中的问题，但仍难以均匀内部应力分布，还需辅以大量的模拟计算不断对界面结构进行细化调整[17]，以获得应力最为均匀的界面结构。
3.4 厚度比
在金刚石复合片的使用过程中，应力主要集中在界面结合和边缘处，其中拉应力和剪应力主要对PDC起破坏作用，使金刚石层断裂或脱层，而压应力则对PDC有利，使界面结合力提高并能抵抗较大的外部载荷。
从金刚石层厚度t(单位为mm)与PDC表面中心与边缘处的应力(单位为MPa)方程可以看出[18]。 PDC表面中心处
σφ,C=758t-2294.5
PDC边缘处
σφ,E=253.8t-366
随着金刚石厚度增大，即金刚石层与硬质合金层厚度比增加，表面中心处的压应力不断减小，而边缘处的应力则由原本的压应力转变为拉应力和剪应力，压应力减小而拉应力和剪应力随之增加，与此同时拉应力的影响范围也逐渐扩大。因此，在保证PDC使用寿命的前提下，结合加工对象及工作环境，应尽可能采用较小的厚度比，以避免PDC脱层或断裂现象的发生。
3.5 工艺
工艺对PDC中应力的影响主要体现在温度上，这包括合成温度和后期热处理。图
2[19]为不同烧结温度下PDC中残余应力的有限元分析图。可见，随着烧结温度的升高，压应力和拉应力随之增大。其中压应力的增加，有助于界面处的结合，而拉应力的增加，加速了PDC边缘处的PCD层与硬质合金层之间的剥离。因此，在
正常合成的条件下，应尽可能采用较低的烧结温度，这不仅节约能耗，还可避免PDC边缘处脱层。
与上述途径不同，热处理是通过消除制备过程中PCD层中的缺陷，从而减少PDC 中的微观残余内应力，其中最为常见的处理手段为退火处理。即在一定温度和时间下，对合成后的PDC进行一系列的升温、保温和降温处理，这一方面可消除或减少PCD层中的气孔，提高PDC致密度，另一方面又可使其内部成分均匀化，避
免元素富集产生不利影响。刘芳[20]等人对不同制备过程的PDC内部残余应力进
行测试，其中A过程为合成-退火-后加工-退火，B为合成-退火-后加工，C为合
成-后加工。研究发现，三种制备方法得到的PDC内部残余应力大小顺序为
C>B>A，且经后续跟踪使用发现，残余应力越小的PDC综合性能越优。
聚晶金刚石复合片的脱层或断裂是其在使用过程中所面临的最大隐患。研究者虽采用多种途径使PDC内部残余应力从整体上有所减少，但仍难以完全消除或是使其有效均匀化，存在部分应力集中现象。而在使用的过程中，外力的施加将加剧这一现象，从而导致从界面处脱层，聚晶金刚石复合片失效。由于残余应力的不可见性，人们难以观察使用过程中内部应力的变化，使得该问题一直悬而未决。随着近年来有限元分析在其他领域的大量应用，研究者将这一技术引入，不但可详尽地观察到应力在使用过程中的变化规律，还可根据其受力情况，采用多种手段对PDC不同位置上应力分布进行调整，削弱外力对PDC的破坏性。此外，该技术还具有一定的预见性，不仅为研究PDC提供了一定的理论支撑，还可大大减少时间及经济上的浪费，对推动PDC的广泛应用具有重要意义。
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聚晶金刚石的精密镜面磨削 1前言 聚晶金刚石（PolycrystallineDiamond，简称PCD）是由特别处理的单晶金刚石微粉与少量粘结剂在高温高压条件下烧结而成的新型超硬 材料。采纳K类硬质合金刀片为基底，在基底上面压制而成的PCD称之 为PCD复合片。PCD中无序排列的金刚石颗粒使其具有均匀的高硬度和 高耐磨性，被广泛应用于刀具、工具和模具等行业。而PCD复合片由于 基底的作用，在保证硬度和耐磨性的前提下又在肯定程度上兼顾了强度 和韧性，从而进一步扩大了应用领域，加之造价低廉，所以更具使用价 值和应用前景。 但是，超硬度和超耐磨性始终是PCD材料精密加工的最大障碍， 传统的加工方法几乎无能为力。随着加工技术的进展，特种工艺渐渐用 于PCD材料的加工，但仍存在很多不足，加工质量更难尽如人意。因此，为充足工业进展对PCD材料日益增长的需要，引入了金属结合剂超硬磨 料砂轮在线电解修整（ELID）精密镜面磨削技术，旨在通过该技术的试 验与讨论，探究PCD材料精密加工的新途径。 2PCD材料的ELID精密镜面磨削试验 1.试验材料试验中采纳美国GE公司生产的PCD—1500系列聚晶金 刚石复合片。其物理机械性能如右表所示。 2.试验条件在MM7120A卧轴矩台精密平面磨床上加装自行开发的ELID磨削电解电极装置，配以自行研制的砂轮、磨削液和电源，构成ELID磨削系统。 试验用砂轮为铸铁纤维结合剂金刚石砂轮CIFB，规格？ 240mm90mm10mm5mm，粒度W5。试验中使用的修整电源是自行研制的 ELID磨削专用高频脉冲电源，电源输出电压为0～140V，电流0～10A，脉冲频率0～500kHz。磨削液使用自行研制的专用磨削液。由于ELID磨削的磨削液兼作电解液，因此，使用碱性水溶型磨削液，除添加防锈剂、
PDC钻头 英文：Polycrystalline Diamond Compact 聚晶金刚石复合片钻头的简称。是石油钻井行业常用的一种钻井工具。 PDC产品性能不断改进。在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。 工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。 除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。 8-1/2TD164A 4刀翼PDC钻 头2TD194B 4刀翼PDC钻头 8-1/2TD165A 5刀翼PDC钻 头 8-1/2TD196A 6刀翼PDC钻 头9TD195A5刀翼PDC钻头 9-1/2TD166A 6刀翼PDC钻 头
最初，PDC 钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC 钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC 钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC 齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。 由于钻头设计和齿的改进，PDC 钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前，PDC 钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。 PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践: 为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC 钻头厚层砾岩钻进技术.在保持普通PDC 钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC 切削 齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用 合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC 钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命.应用该技术实现 了用PDC 钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80 m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深.采用PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用. PDC 钻头工程技术措施石油钻井装备: 1）、首先做好PDC 钻头的选型工作，钻头水眼、流道设计应利于排屑； 2）、下入PDC 钻头之前，应充分循环泥浆，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散； 3)、下钻时钻头不断刮削井壁，井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积，到一定程度便会压实在钻头上，那么下钻中途进行循环，将钻头 冲洗干净也是有其必要的； 4）、下钻过程中还应适当控制速度，防止钻头突然冲入砂桥，钻进一堆烂泥中；另外如果速度恰当，PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行 进，而不是在井壁上划拉下大量泥饼。 5）、每次下钻到底时必须先开泵，尽量提高排量充分冲洗井底和钻头，等排量满足要求后再轻压旋转钻进0.5-1m ，这也是PDC 钻头造型的要求。 6）、下入PDC 前先短起下钻，对井壁泥饼进行刮削、挤压，将厚泥饼拉薄、压实，尽量保证井眼畅通、消除阻卡；在钻头泥包高发区，如果采用了所有方法 也无法避免PDC 钻头泥包，那么先使用牙轮通一趟井就成了必要手段 7）、尽量采用大排量钻进，保证PDC 钻头的充分清洗与冷却； 8）、在软泥岩中钻进，应尽量采用低钻压、高转速、大排量，没有必要盲目使用高钻压去追求那仅高一小点的钻速，那只是牙轮钻头的使用方式； 9）、操作要精细，送钻加压一定要均匀，不能忽大忽小。 *牙轮钻头在使用中的结构特点 牙轮钻头在使用中具有良好的结构特点，下面简单的介绍一下牙轮钻头的结构特点： 1、牙轮钻头采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点的新材料制 成，表面经固体润滑剂处理。在降低轴承副相对线速度的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压或高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。 2、镶齿钻头采用高强度高韧性硬质合金齿，优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的合金齿外形，充分发挥 了镶齿钻头高耐磨性和优异的切削能力。钢齿钻头齿面敷焊新型耐磨材料，在保持钢齿钻头高机械钻速的同时，提高了钻头切削齿寿命。 3、牙轮钻头中的钢球锁紧牙轮，适应高转速，能够在使用中提高工作效率。 4、采用可限制压差并防止钻井液进入润滑系统的全橡胶储油囊，为轴承系统提供了良好的润滑保证。 5、采用可耐250°C 高温、抗磨损的新型润滑脂。 6TD136A 6刀翼PDC 钻头 12-1/4TD166A 6刀翼PDC 钻头 8-1/2TD13A
影响PDC钻头技术性能指标的因素 第一、地层的因素，地层含有灰质、石英质、玄武岩等火成岩及其他质硬的砾石等，极易造成复合片先期磨损、崩齿、断齿，甚至在刀翼上磨出凹槽、断刀翼等严重井下复杂情况的发生；含有吸水性较强的泥质地层，在泥浆性能相同的情况下极易造成钻头泥包，甚至卡钻等复杂情况。 第二、操作的因素，猛提猛刹、顿钻、溜钻、钻井参数匹配不当（钻压、转盘转速、泵压、排量、螺杆转速、螺杆扭矩）、井下落物等，也是造成复合片先期磨损、崩齿、断齿，甚至在刀翼上磨出凹槽、断刀翼等严重复杂情况的重要因素。 第三、钻井液的因素，比重、固相含量、失水量、流变性、粘度、切力也对钻头的性能指标有着密切的关系，比重大、固相含量高机械钻速就变低（权威试验证明，固相含量每升高1%，机械钻速就下降8%），对钻头的冲蚀作用就厉害；粘度高、切力大机械钻速变慢；切力小，携带井底沉砂的能力弱，也降低钻头的机械钻速；失水大，在泥岩段极易造成地层吸水膨胀井眼缩径，在砂岩段容易由于失水大造成虚泥饼增厚而井眼缩径，严重影响机械钻速，加速
对钻头的磨损报废。 第四、随意变更钻头的水力配置，新出厂的钻头一般都按甲方的要求，进行了科学的水力参数设计，当盲目变更钻头水眼的配置后，就人为地改变了钻头的冷却流场环境，为钻头的先期损坏提供了条件。 【摘要】本文在简要介绍了PDC钻头的物质成份，两大类别(胎体钻头和刚体钻头)及其不同物质在钻井作业过程中所起的作用的基础上，归纳、总结了PDC钻头特点，包括其设计特点和结构特点;同时较详细地分析了在打定向井时，PDC钻头的结构特征因素对造斜率的影响;另外也在分析、归纳、总结国内外专家、学者的独特见解的基础上，对PDC钻头的破岩机理，也在一定程度上给予阐述。并在此基础上，最后也提出了一些PDC钻头的选型依据。 【关键词】PDC钻头; 特点; 机理分析 Abstract:This themsis briefly introduces which materials PDC bit is made from，how it is manufactured，and the different types of PDC bits，also shows you the principal functionsof the different materials of PDC bit in drilling----on the basis of these，summaries the characteristics of PDC bit，including its designing characteristics and structural characteristics，and specificly analyses the effect of its structural characteristics on the leaning ration in the controlled directional drilling。At the same time ，after studying the specific ideas of the different experts at home and abroad，to some extent，analyses and summaries the rock breaking mechanism of PDC bit。In the end ，on this basis，gives you some facters that can help you how to choose PDC bit effiently。 Key words: PDC bit; characteristics; Mechanism analysis
聚晶金刚石复合片 贾成厂;李尚劼 【期刊名称】《金属世界》 【年(卷),期】2016(000)003 【总页数】6页(P18-23) 【作者】贾成厂;李尚劼 【作者单位】北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083;深圳市海明润超硬材料股份公司,深圳 518128 【正文语种】中文 内容导读 聚晶金刚石复合片采用金刚石微粉与硬质合金衬底在超高压高温条件下烧结而成。聚晶金刚石复合片既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料，也是功能材料的新突破。 聚晶金刚石复合材料是将聚晶金刚石薄层附着黏结在硬质合金衬底上的复合材料。聚晶金刚石复合片兼有聚晶金刚石极高的耐磨性以及硬质合金的高抗冲击性。金刚石层刃口锋利而且具有自锐性，能够始终保持切削刃的锐利，因此非常适用于石油和地质钻探中的软地层直至中硬地层的勘探，效果非常好。聚晶金刚石复合片中的金刚石含量高达99%，故金刚石层硬度极高、耐磨性极好，其努氏硬度为 6.5×104～ 7.0×104MPa，甚至更高［知识小贴士1］。硬质合金基体克服了聚晶金刚石硬而脆的不足，大大提高了产品整体的抗冲击韧性。硬质合金的易焊接性则
解决了聚晶金刚石很难通过焊接方法与其他材料结合的难题，可以使聚晶金刚石复合片竖直镶焊在钻头上。聚晶金刚石复合片因自身性能优越，国内外竞相研制和生产，从而品种规格日益繁多，如图1所示。 1）具有极高的硬度。聚晶金刚石的硬度为HV7500～9000，仅次于天然金刚石。而且其硬度和耐磨性各向同性，不需选向。其强度由于有韧性较高的硬质合金支撑，复合抗弯强度可达1500 MPa。 2）具有很高的耐磨性。聚晶金刚石的耐磨性一般为硬质合金的60～80倍。在切削硬度较高（＞HV1500）的非金属材料时，耐用度极高。 3）具有较低的摩擦因数。聚晶金刚石与有色金属的摩擦因数为0.1～0.3，而硬 质合金与有色金属的摩擦因数是0.3～0.6。由聚晶金刚石（简称PCD）材料制作 的PCD刀具，与硬质合金刀具相比可降低切削力和切削温度约1/2～1/3。 4）具有很高的导热性。聚晶金刚石的导热系数是硬质合金的1.5～7倍，可以大 大降低切削区的温度，提高刀具耐用度。 5）具有较小的膨胀系数。聚晶金刚石的线膨胀系数很小，约为一般钢的1/10。 另外，因为刀刃锋利，已加工表面加工硬化程度仅为硬质合金刀具的1/3左右， 所以加工精度好。 6）可以根据需要制作成各种尺寸和形状。 7）表现出比单晶金刚石明显优越的韧性和抗冲击性能，在一定程度上弥补了单晶金刚石脆性大、易解理破裂的缺点。 人们对制造聚晶金刚石的设想大概来源于对天然“卡布纳多”金刚石的认识—— 这种金刚石由无数微小的金刚石颗粒组成，含有少量的杂质，颗粒呈无序排列、无解理面，具有很高的硬度、强度和耐磨性，在自然界很稀少。从20世纪60 年代起，美国与前苏联的科学家就尝试人工合成“卡布纳多”。1964 年GE公司的Delai 首次以“某些金属添加剂能使金刚石与金刚石之间产生直接结合”申请了美
PDC钻头的原理和应用 摘要PDC钻头在胜利油田的成功应用,大大地提高了机械钻速。但由于PDC 钻头在结构与钻进参数上的特殊性,造成其在定向井中井眼轨迹控制方面的不足。 关键词PDC;原理;定向井;问题 1对PDC钻头的分析 PDC钻头于20世纪70年代投入应用。在过去的30多年中,大量的技术进步使PDC钻头在钻头市场上占有重要份额,并且成增长趋势。过去,PDC钻头只限于钻软到中硬地层,不能钻研磨性地层。今天,大量的发明和技术突破使PDC钻头的钻速更快、钻井质量更好而且钻井深度更深,其应用范围也扩大到硬地层和研磨性地层。 1.1聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的材料 聚晶金刚石复合片是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则,不存在单晶金刚石所固有的解理面,所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石且不易破碎。但由于多种材料的存在,热稳定性较差,同时脆性较强,不能经受冲击载荷。后来随着PDC钻头的技术进步使得聚晶金刚石薄片与碳化钨圆片接触面的几何形状有了改进,也使PDC钻头的热稳定极限也由原先的700。C提高到1150℃。 1.2聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的结构 与牙轮钻头不同,PDC钻头没有运动部件。按钻头体材料及切削齿结构把PDC钻头分为胎体及钢体两类。胎体钻头的钻头体用碳化钨制成,再将复合片直接焊接在本体;钢体钻头的钻头体用整块的合金钢加工而成,再将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿,然后将切削齿镶嵌在钻头体上。 1.3PDC钻头的水力结构 PDC钻头采用水眼供给钻井液,通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。PDC钻头有刮刀式、单齿式和组合式三种排列及分布方式。 1.4PDC钻头的工作原理 PDC钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。 1)PDC钻头在钻进某些硬地层时,在钻压作用下压入岩石,使与金刚石接触的
第二章 PDC 钻头工作原理及相关特点 PDC 钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。 复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高 硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。 人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿 图1-2 切削齿在钻头上的安装方式 图1-3 复合片的结构 图1-4 PDC 钻头的切削方式
目的。当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。 PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700℃时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。另外PDC钻头应避免在高硬度，高研磨性的地层中高转速钻进，以免造成局部摩擦温度过高。 §2.1 PDC钻头及钻进主要影响因素 §2.1.1 PDC钻头结构介绍 聚晶金刚石复合片分柱式和片式两种，常用的形状有圆形、尖形及半圆形等。通常以柱式方式镶嵌在胎体上。 1. 切削齿的布置 切削齿的布置与所钻地层及钻头类型有关，它将影响到钻头的机械钻速、总进尺和磨损。切削齿布置越多，磨损越慢，钻头寿命越长，但机械钻进速度越低。切削齿的布置应使每个切削齿的切削力、所切削的岩石量、载荷、扭矩、磨损以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨损设计要求。 2. 切削齿出刃与胎体
聚晶金刚石（PCD）和聚晶金刚石复合片 （PDC） 与大单晶金刚石相比，作为刀具材料的聚晶金刚石（PCD）以及聚 晶金刚石复合刀片（PDC）具有以下优点：①晶粒呈无序排列，各向同性，无解理面，因此它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬 度以及耐磨性有较大区分，以及因解理面的存在而呈现脆性。②具有较 高的强度，特别是PDC材料由于有硬质合金基体的支撑而有较高的抗冲 击强度，在冲击较大时只会产生小晶粒碎裂，而不会像单晶金刚石那样 大块崩缺，因而PCD或PDC刀具不仅可以用来进行精紧密削加工和一般 半精密加工，还可用作较大切削量的粗加工和断续加工（如铣削等）， 这大大扩充了金刚石刀具材料的使用范围。③可以制备大块PDC金刚石 复合片刀具坯料，充足大型加工刀具如铣刀的需要。④可以制成特定形 状以适合于不同加工的需要。由于PDC刀具大型化和加工技术如电火花 和激光切割技术的提高，三角形、人字形以及其他异形刀坯均可加工成形。为适应特别切削刀具的需要还可设计成包裹式、夹心式与花卷式PDC刀具坯料。⑤可以设计或推测产品的性能，给与产品必要的特点以 适应它的特定用途。比如选择细粒度的PDC刀具材料可使刀具的刃口的 质量提高，粗粒度的PDC刀具材料能够提高刀具的耐用度，等等。 总之，随着PCD、PDC金刚石复合片刀具材料的讨论进展，其应用 已经快速扩展到很多制造工业领域，广泛应用于有色金属（铝、铝合金、铜、铜合金、镁合金、锌合金等）、硬质合金、陶瓷、非金属材料（塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等）、复合材料（纤维加强塑料、金属基复合材料MMCs等）的切削加工，尤其在木材和汽车加工业，已 经成为传统硬质合金的高性能替代产品。 切削刀具用PDC、PCD材料要求：①金刚石颗粒间能广泛地形成D—D自身结合，残余粘结金属和石墨尽量少，其中粘结金属不能以聚结态或呈叶脉状分布，以保证刀具具有较高的耐磨性和较长的使用寿命。 ②溶媒金属残留量少。最好是在烧结过程中能起溶媒作用，而在烧结过 程完成后将以不起溶媒作用的合金形式充填于烧结金刚石晶粒间隙中，
聚晶金刚石复合片（PDC）的设计方法与应变能的利用 摘要：聚晶金刚石复合片（PDC）钻头由于其高渗透率，使用寿命长和生产工艺简单等优点，已经在石油和天然气钻探领域得到了广泛的商业性认可。不过，PDC钻头应用在钻孔高抗压强度和高耐磨性岩石方面所取得的成功却很有限，原因之一就在于刀具容易发生折断。本篇论文就是试验用结构所能承受的应变能的能力来作为在动态和静态负荷条件下刀具抗折断能力的一个指标。当刀具向下钻孔时，刀具会受应力产生形变因此，钻孔时的冲击力就被刀片和PDC钻头吸收转化为应变能。刀具本身能承载的应变能越高，就能吸收越多的冲击能，使应力形变不超过金刚石的拉伸极限。PDC刀具中的各种金刚石/碳化物界面的几何形状和金刚石厚度可以用有限元分析法（FEA）来模拟。这种FEA模型包括了剩余应力负载和模拟冲击负载。应变能承载能力可以通过调整冲击负载使金刚石表面产生临界拉伸压力之后计算出来。之后对每个计算得出的设计结果进行实验室落塔冲击实验。然后将这些设计结果依计算出的承受应变能能力和落塔实验的结果排序。使用这种方法和工具，可以在工具设计时直观的在显示屏上快速的进行性能预测，而不必冒风险去实际钻一个向下钻眼，而且这种方法也可以将剩余应力和钎焊应力合并进去，因此是非常有意义的。 简介：PDC刀具面世20多年来，已经对石油和天然气钻探产业产生了巨大的影响。如今在所有钻进进尺中，使用装配了PDC刀片的钻头的比例已经很大。高渗透率、长寿命和工艺简单是PDC钻头的显著优点。但是在钻孔高抗压强度和高耐磨岩石时，PDC钻头表现一般，原因之一就是钻孔坚硬的岩石时容易折断刀具。PDC刀具的断裂韧性是钻头工作是尤其重要的一项指标。 新的PDC刀具设计时必须在工地实际应用前对其进行断裂韧性的评估。如何正确的模拟钻孔时刀具受到的冲击是已经被广泛研究的一项课题，并且已经有几种不同的方法被使用。有些是通过对带有标靶和抗冲击板的刀头进行动态冲击的严格冲击实验，还有些是在动态岩石切割实验中被更准确的检测。 本篇论文提出了一种新型的方法去评估刀具的韧性。首先将含有各种几何形状的金刚石/碳化物界面和金刚石厚度的PDC钻头用有限元分析法（FEA）进行模拟。这种FEA模型同时包括残余应力负载和模拟冲击负载。应变能承载能力可以通过调整冲击负载使金刚石表面产生临界拉伸压力之后计算出来。使这种应变能作为在动态和静态负荷条件下刀具抗折断能力的一个指标。应变能承载能力越高的PDC刀具的抗折断能力也越高。 为验证模型得到的结果，对每个计算出的设计结果进行是实验室落塔实验。从而建立计算所得的应变能承载能力与实际落塔实验的结果之间的对应关系。进而研究出其静态强度与落塔实验结果直接的对应关系。最终我们得到了一种实验室向下冲击试验的方法。 数值建模程序： 从能量角度分析可以有效地评估动力在力学负载诸多问题。在实验室冲击试验中，能量是从试验设备转移到PDC刀具。在向下钻孔的情况下，能量从PDC刀具传递到形成的坑中。动态负载下的刀具变形将取决于一般的力学参数以及应变波的波速。对应变波的影响一直被忽视此分析，由于声音在PDC的高速传播10公里/秒）[6]。这个假设可能是无效的PDC的假设，供所有加载情况。有了这个假设，动态负荷可近似为一产生相同的最大偏转的等效静负荷。在刀具形变的过程中等效静载荷所作的功相当于将应变能储存在了刀具中。 高应变能量容量的设计可以吸收更多的冲击力在失败前。举个例子，假设有两个悬臂梁结构，
高压下超硬材料VB晶体稳定性及物理性 质 摘要：现当今，我国经济发展十分迅速，复合超硬材料属于超硬材料行业的 下属细分行业，是以金刚石和立方氮化硼（ＣＢＮ）单晶为主要原材料，添加金 属或非金属黏结剂并通过超高压高温（ＨＰＨＴ）烧结工艺制成的聚晶复合材料，是工业生产和加工所必需的新型复合材料，被广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、木材、建筑、汽车、家电等传统领域，以及电子信息、航空航天、国 防军工等高技术领域。复合超硬材料的主要产品包括：钻探／工程用聚晶金刚石 复合片（ＰＤＣ）、聚晶金刚石（ＰＣＤ）／聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具 用复合片和聚晶金刚石（ＰＣＤ）拉丝模坯。 关键词：高压下;超硬材料;VB晶体稳定性;物理性质 引言 在国家“碳达峰碳中和”行动全面开展的背景下，为推动超硬材料行业为国 家绿色低碳高质量发展做出新的贡献，开展超硬材料行业能耗调研，汇总分析超 硬材料及制品企业的能耗数据，对比无机非金属领域典型产品能耗情况。结果表明：在2019～2021年，超硬材料单位工业总产值能耗分别为0.11，0.10， 0.08tce/万元，超硬材料制品单位工业总产值能耗分别为0.08，0.07，0.05tce/ 万元，且超硬材料行业的能耗降低率远大于国家GDP能耗指标下降百分比；同无 机非金属领域典型产品水泥、陶瓷、普通磨料相比，超硬材料行业能耗处于较低 水平。最后，针对超硬行业政策及企业降碳方面给出相关建议。 1钻探／工程用聚晶金刚石复合片 此类ＰＤＣ是复合超硬材料类产品中发展变化最快、技术进步最迅速的一类 产品，该产品的发展重点一直放在产品综合性能提高、专项性能优化上。2009年 以后，我国石油天然气钻探用ＰＤＣ技术有了突破性进展，ＰＤＣ磨耗比大幅提
PDC钻头数控加工工艺开发应用探讨 石油天然气开采过程中经常会遇到一些岩石的阻碍，我们需要利用多种工具将岩石破开，运用最多的破岩工具是PDC钻头，其进尺量占到了总进尺量的六成以上；PDC钻头的工作性能会对钻井质量、钻井进度和钻井成本产生直接影响，而它高强度、高韧性的特点保证了流道面积大的性能，為生产节约了较大的成本，所以人们对PDC钻头的需求也越来越大。但是，我国的PDC钻头加工技术起步较晚，在使用和研发方面缺乏足够的经验，很难保证PDC钻头的质量和使用寿命。文章通过PDC钻头的分类、特点、发展过程和加工工艺等方面对PDC 数控加工工艺开发应用展开了讨论。 标签：PDC钻头；数控加工；工艺 1 PDC钻头分类 PDC钻头主要是依靠聚晶金刚石复合片和钻头本体按照设计结构而组成的一个组合体，实现了钻井过程中利用聚晶金刚石复合片切削岩石的工作原理。根据钻头本体的构成材料、加工方法和形状架构上的不同，PDC钻头可以分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头。胎体式PDC钻头主要是利用了钎焊技术，把金刚石复合片焊接在钻头胎体上，最后形成了具有切削功能的钻头，而钻头的胎体是由铸造碳化钨粉烧结而成。这种胎体式PDC钻头的特点是，加工成本低，加工工艺相对简单，而钻头体强度差，对复合片进行冷却时的流道面积小，但是胎体的构成成分主要是碳化钨，所以具有较好的抗腐蚀性。钢体式PDC钻头的本体原材料是通过二次加工的金属材料，利用热加工技术先在钻头体上打孔，再把聚晶金刚石复合片打入钻头体内，然后在钻体表面镀上抗腐蚀的硬质金属材料，防止钻体受到腐蚀。这种PDC钻头的特点是，整个金属钻头体是通过二次加工后所形成的，保证了完整的韧性和强度，而且对复合片进行冷却时的流道面积大，极大地避免了钻头泥包现象的发生，与胎体式PDC钻头相比，其制作成本也相对较低。但是钻头本体大部分是由普通金属材料构成，耐冲蚀性能方面存在一定的不足。 2 PDC钻头数控加工工艺 随着我国经济和科技的快速发展，国内数控机床的运用也是越来越普遍。五轴联动加工中心对一般零件的加工包括了叶片、叶轮、螺旋桨叶片等，此外还涉及了对一些复杂的多面曲面的加工，例如：钻孔、铣孔等孔类零件。五轴联动加工中心的成本相对较高，而且缺乏一些先进的国外设备的支持，在我国的普及率还是不够高；在工时上，五轴联动加工中心的加工工时比普通加工中心的工时要高出好几倍；处于以上限制因素的考虑，企业必定会站在节约资源的角度出发，选择其他的加工方式来代替五轴联动加工。 2.1 零件加工工艺
PCD工具的研制现状与开展 wangsl 导语：聚晶金刚石复合片由PCD〔PolycrystallineDiamond〕层和硬质合金基底组成。 1.引言 聚晶金刚石复合片由PCD〔PolycrystallineDiamond〕层和硬质合金基底组成。PCD层具有高硬度，硬质合金基底那么具有良好的韧性，二者结合使PCD复合片在切削加工、木材加工和钻探等行业获得了广泛应用。PCD工具的制作方法有多种，大体根据加热方式、焊料的使用与否来划分。制作经过中，加热方式起着决定性的作用，焊料的选择对焊接质量会产生重大的影响，焊接接头的构造设计也是进步质量的重要手段。因此在PCD工具制造经过中，焊接成为其关键技术。 PCD复合片的焊接本质上是硬质合金基底与刀杆等支撑体的焊接。对硬质合金的焊接多用Mn基钎料，钎焊温度为1000℃左右。然而PCD层的耐热温度一般不超过700℃，否那么会造成PCD层的热损伤，降低刀具焊接后的使用性能。因此必须寻找一种既能降低钎焊温度，又能同时保证足够焊接强度的焊接方法。目前PCD复合片的焊接方法有激光焊接、真空
扩散焊、真空钎焊、高频感应钎焊、水冷钎焊、惰性气体保护钎焊等。固然焊接强度足够，但有些方法所用设备的本钱高、维护费用大，且其工艺经过复杂，不便于消费操纵，大大增加了PCD复合片刀具的制作本钱，不利于PCD刀具的推广应用。本文就各种PCD复合片焊接方法的优缺点进展了比拟分析。 2.PCD的焊接方法 2.1激光焊接 激光焊〔LaserBeamWelding〕是利用高能量密度的激光束作 为热源的一种高效精细焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、适应性强等优点。激光焊接经过属于传导焊接，即激光辐照工件外表，产生的热量通过热传导向内部传递。通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件到达一定的熔池深度而外表又无明显的汽化，即可进展焊接。由于功率密度大〔可达10的9次方瓦/平方厘米〕，因此激光焊接经过中在金属材料上生成小孔，激光能量通过小孔往工件的深部传输，减少横向扩散，材料的交融深度大，焊接速度快，单位时间焊合的面积大。 此外，激光焊接形成的焊缝深而窄，深宽比大〔可达2～10〕，焊合单位面积所需能量小，热影响区小，焊接变形小。一般
钻进工具培训教材习题集 三、名词解释 1．“PDC”含义是什么？ 答：“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。 中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分届点。 2．何谓钻柱的中性点？ 答：中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。 3．什么叫复合钻柱？ 答：即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。 4．什么叫最大安全静拉载荷？ 答：指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。 四、简答题 1．评价钻头性能的指标有那几项？ 答：钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。 2．简述刮刀钻头破岩原理。 答：刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作
向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成Ø 角。刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。 3．刮刀钻头其刀翼结构角有哪儿个？有什么影响？如何取值？ 答：刃尖角、切削角、刃前角、刃后角。 刃尖角β、切削角α、刃前角φ、刃后角ψ；刃尖角表示刀翼的减为尖锐程度。从吃入岩石和提高钻速出发，刃尖角越小越好，但是强度不能保证。一般要根据上述因素及岩石性能确定角的大小。岩石软时，β角可以稍小，较硬时硬适当增大，夹层多，井较深时，β角应适当增大。切削角α刀以前刃和水平面之间的夹角，在其他情况一定时，α越大，吃入深度越深，但α过大时，刃前岩石剪切破碎困难，钻进憋劲大。一般情况下，松软地层α=70度；软地层α=70—80度；中硬地层，α=80—85度。刃后角ψ=α-β。刃后角必须大于井底角。刃前角与切削角互为补角，刃前角φ=90-α4．铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？ 答：牙轮钻头按材料不同分为铣齿（钢齿）和镶齿（硬质合金齿）两大类。
金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响 徐国平;陈启武;尹志民;徐根 【摘要】通过X射线应力测试和有限元分析相结合的方法,研究了金刚石层厚度对聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的影响,并根据实验测试结果推导出了PDC表面中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式.随着金刚石层厚度由0.5mm增加到2.0mm,PDC表面中心的压应力从1800MPa下降至700MPa左右,而边缘部分的应力逐渐由压应力转为拉应力.金刚石层加厚虽然对边缘部分的最大拉应力影响不大,但使PDC边缘拉应力区宽度由0.76mm增加到了2.85mm.金刚石层厚度的增加还使得PDC边缘界面附近y方向的最大拉应力和位于界面边缘处的最大剪应力显著加大,这是金刚石层较厚的PDC界面容易产生裂纹的主要原因. 【期刊名称】《高压物理学报》 【年(卷),期】2009(023)001 【总页数】7页(P24-30) 【关键词】金刚石层厚度;聚晶金刚石复合片(PDC);残余应力 【作者】徐国平;陈启武;尹志民;徐根 【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;长沙矿冶研究院,湖南长沙,410012;长沙矿冶研究院,湖南长沙,410012;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083 【正文语种】中文 【中图分类】TQ164.9
1 引言 聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC) 进入市场30 年来，对世界范围内的石油、天然气钻井行业产生了重大的影响。采用PDC作为切削齿的钻头与硬质合金牙轮钻头相比，使用寿命长，钻进速度(ROP)快。而且结构简单，没有活动部件，在很大程度上降低了钻井成本，提高了效率，还从结构上消除了事故隐患。在地层相同的情况下，PDC钻头与牙轮钻头相比，机械钻速可 以提高 33%～100%，成本可以降低 30%～50%，单只进尺可增加 3～4倍[1]。 随着PDC制造水平和质量的提高，PDC钻头的适用地层和用量也得到不断扩大。据统计，PDC钻头的进尺量占油田钻探总进尺的比例已由10年前的不足16%增 加到了目前的约60%[2]。但在钻进硬地层和软硬交错地层时，PDC钻头的使用仍然受到限制。这是因为PDC是在高温、超高压(1 300～1 500 ℃、5～7 GPa)条 件下由金刚石微粉与硬质合金基体烧结而成的。由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差太大(金刚石层的热膨胀系数为2.5 ×10-6 K-1，而硬质合金层的为 5.2×10-6 K-1[3])，因此在卸压冷却过程中，复合片容易在界面产生很大的残余应力。残余应力的存在使复合片强度降低，尤其在承受较强外力或温度变化较大时，金刚石层容易破损或从基体上剥落，导致PDC失去切削能力而失效。 影响PDC残余应力的因素有很多，比如PDC的烧结工艺、金刚石层厚度、界面 结构、后加工方式以及后期热处理等等，其中金刚石层厚度的影响尤为明显。作者采用X射线应力测定仪对不同金刚石层厚度的PDC中心及边缘分别做了应力测定。根据测试结果，运用回归分析的方法，导出了PDC中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式，并结合有限元分析，讨论了金刚石层厚度对PDC表面残余应力的影响。 2 实验
3 聚晶金刚石的热稳定性研究 聚晶金刚石的热稳定性确定了其应用范围[12] ，对其研究越来越受到人们的关注。由于 聚晶金刚石受热后，其使用性能会受到很大影响，所以很自然地从受热前后聚晶金刚石性能的改变来研究其热稳定性。并有定义[13] 为：聚晶金刚石复合片的耐热性是指它在空气中或保护气氛中加热而耐磨性基本保持不变所能承受的温度与相应的时间。单以耐磨性来评定聚晶金刚石的热稳定性， 未免有失偏颇。目前，测量加热后聚晶金刚石性能改变量成为研究其热稳定性的主要手段。在世界范围内，测定耐热性的方法主要有三种[1] ：(1)英国De Beers 公司是将其置于空气中用马弗炉加热，同时将其置于还原气氛(95%H2+5%N2)中用还原炉加热，至某一温度，并保持一段时间，然后测定其失重、耐磨性、石墨化程度和抗冲击性能;(2) 英国De Beers 公司还有用热量—差热分析仪，并配以高温显微镜，来测定其初始氧化温度，以此来确定氧化度、耐热性;(3)美国GE 公司是将加热过的烧结体，用扫描电镜作断口分析及车削试验，切削速度为107〜168m/min，进给量为0.13mmPR。国内的研究手段大多类似于方法二，采用差热—热重法。并用差热、热重曲线来分析温度点，以此来确定聚晶金刚石的氧化温度、石墨化温度等。研究表明，聚晶金刚石的热稳定性与许多因素有关。 3.1 聚晶金刚石热稳定性与环境的关系 与单晶金刚石的热稳定性类似，在不同环境中，聚晶金刚石的热稳定性差别很大。分别在氢气、氮气、空气中，将去掉硬质合金基体的聚晶金刚石复合片从600 C加热到800 C [14]。在对PCD表面显微分析中得出：氢气中，PCD表面从700 C〜750 C开始有明显的恶化；氮 气中，几乎在600 C粘结相就开始从晶界渗出，随着温度的升高越来越明显，至约750C时发现PCD表面有碎裂的迹象，达到800C时则损伤相当严重；空气中，在约600C时，PCD 面出现损伤，并伴随着Co 粘结相被挤出PCD 表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。而且发现在细微晶粒间有微小裂纹的存在。可见，不同的环境对热腐蚀的进程，分别有促进和抑制的作用。 3.2 聚晶金刚石热稳定性与粘结剂的关系 粘结剂的种类、多少和有无对聚晶金刚石的热稳定性影响非常大。许多新型的聚晶金刚 石刀具产品的热稳定性能好的原因主要就是因为对粘结剂的调整。在PCD 的制作工艺过程中，基体的WC-Co 起到润湿金刚石颗粒作用的同时，也会出现在最终形成的产品中。这些残余的金属相对其性能产生很大的影响。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。钴在高温低压下与碳具有较强的亲和力， 促使金刚石转化为石墨，从而降低它的强度；再者，金刚石和钴之间的热膨胀系数不同，在高温下将导致应力增加，而在PCD 内部形成微裂纹。不同的粘结剂具有不同的效果[2]。Be Deers公司的产品Syndax3是以陶瓷材料3 -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。 因些，在惰性气氛中，其热稳定性可以允许加热到1200C。而以Ni基合金作为粘结 剂的SDB 1000 产品比以Co 作作为粘结剂的SDA 产品具有高的热稳定性，是因为Ni 基合金导致晶粒显示出特别的立方八面体结构，致使在车削中晶粒破裂失效的方式不同，从而改变了其磨损性能，提高了热稳定性。用Si-Ti-B 系粘结剂的聚晶金刚石，热稳定性可达1100〜1300 C。粘结剂添加量的多少亦会产生较大的影响。实践证明，以添加10%〜15%粘结剂的
聚晶金刚石复合片的室温去钴工艺及耐磨性研究 王彩利;刘慧苹;方海江 【摘要】聚晶金刚石复合片(PDC)工作时,可能在内部残余钴元素的催化作用下,转化为石墨,导致复合片失效.提高PDC的性能,人们常使用强酸、强氧化剂去除PDC 中残余的催化剂.文章考察了一种脱钴工艺.经实验验证,该工艺在室温下具备较高的脱钴效率,且满足工业生产环保和健康要求.脱钴深度的测试表明,脱钴深度的增加满足由菲克扩散定律所要求的时间关系.磨削测试表明,产品耐磨性能的显著提升直接决定于脱钴深度,与具体的工艺关系不大. 【期刊名称】《超硬材料工程》 【年(卷),期】2019(031)002 【总页数】5页(P30-34) 【关键词】脱钴;聚晶金刚石复合片;耐磨性 【作者】王彩利;刘慧苹;方海江 【作者单位】河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016;河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016;河南四方达超硬材料股份有限公司,郑州 450016【正文语种】中文 【中图分类】TQ164 1 引言 聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，或PDC)是一种性能十分
优异的复合超硬材料，它由微米级金刚石颗粒、烧结催化剂在高温高压条件下、在硬质合金沉底上烧结形成。聚晶金刚石即保留了金刚石颗粒的高硬度，又具备与合金相比拟的可焊接性，在硬质材料加工、地质钻探、矿物开采、盾构施工、油气勘采等领域有着广泛的应用。在PDC的烧结制备工艺中，烧结催化剂起着重要的作用。常用的烧结粘结剂分为金属类和陶瓷类[1]，金属类包括铁、钴、镍等元素或 它们的合金，其中最常用的是钴元素[2]。烧结催化剂与金刚石颗粒以粉末状态混合，在高温高压条件下，促使金刚石颗粒之间形成键合(D-D键)。烧结制备的PDC产品，总体中包括相互键合的金刚石颗粒所形成的骨架、填隙在金刚石骨架 中的少量烧结催化剂、以及从硬质合金衬底中渗透入金刚石骨架中的钨等元素。 催化剂在PDC的制备过程起着重要的促进作用，然而它也是导致PDC在使用过 程中失效的重要因素。催化剂所导致的PDC失效一般有两种机制。以常用的催化剂钴为例，钴的热膨胀系数(13×10-6/K，线膨胀系数)与金刚石的热膨胀系数 (1×10-6/K，线膨胀系数)差异很大，PDC在加工时的热量会导致PDC内部积蓄 较大的热应力，从而引起金刚石骨架的撕裂、金刚石颗粒剥离[3]。另一种重要的 机制是，加工时的压强要远远低于烧结压强，而常压下碳的石墨态比金刚石态更稳定。当加工温度上升到700℃以上时，催化剂将促使金刚石转化为石墨[4-5]，尤 其是在具备氧气的环境中，金刚石的石墨化速度会显著加快。因此，为了提高PDC的工作性能，降低器件的失效率，去除催化剂是一种必要的手段。 PDC的脱钴工艺必须要考虑安全风险、环保成本、以及生产中的经济性和时效性。根据国内外公开报道的技术资料，业界常用的脱钴工艺，多是利用具备强氧化性和强腐蚀性的试剂、通过长周期的加热浸泡，使金属钴被氧化、溶解，并从金刚石骨架内浸出。常用的试剂包括王水、三氯化铁等[6-7]。王水是十分高效的脱钴试剂，但在工业规模的应用时伴随着潜在的安全和环保风险。三氯化铁对钴的腐蚀速度更慢，但它是一种相对环境友好的试剂。实际生产中，脱钴工艺一般需要在加热条件