趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

金剛石燒結體(PCD與PDC)的發(fā)展概況(四)①

趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

簡單介紹了金剛石燒結體的發(fā)明、合成機理、制造方法、品種規(guī)格、性能檢測、應用效果及其發(fā)展前景,可供超硬材料科研與生產人員學習參考。

金剛石燒結體;聚晶;復合片;鉆頭;刀具;拉絲模

5 PCD與PDC的性能檢測

無論是PDC、聚晶PCD都是作為工具的“牙齒”來使用的,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。性能評價是產品供應商監(jiān)控產品質量的基本手段之一,同時也是不斷提升產品品質的基礎性工作。

5.1 石油、地質鉆頭用PDC的性能及檢測

5.1.1 PDC金剛石層內部及金剛石/硬質合金界面的無損檢測

以往的PDC檢測只是檢查產品的外形尺寸和外表缺陷,如直徑、高度、金剛石層表面有無可見缺陷等等。而PDC真正致命的缺陷卻往往隱藏在金剛石層內部或金剛石與硬質合金結合界面處,由于這些位置上的缺陷藏而不露,人們無法從外觀甄別,如圖21所示,這些內部缺陷從而就成為漏網(wǎng)之魚,而且比一些外觀可見的缺陷更具危險性。如內部裂紋和界面分層,在制作鉆頭時,將PDC高溫釬焊到鉆頭體上,由于受到700℃左右的高溫,會使原本存在的裂紋或界面分層進一步擴大延伸,直接形成破壞。即使未能充分顯露,在鉆井過程中不斷周期性地循環(huán)受力,最終會使金剛石層受到致命破壞,產生脫落。因此,將這些藏有內部缺陷的PDC排除掉,對保證PDC產品質量的穩(wěn)定性,提高PDC切削齒的可靠性至關重要。

早期的無損檢測借助于高頻率的超聲波,當金剛石/硬質合金界面有燒結不良存在內部分層現(xiàn)象時,超聲波會有強烈的反射信號出現(xiàn)。這種“A”超聲模式只能評價平面界面的PDC產品,隨著PDC的發(fā)展,現(xiàn)在的PDC產品幾乎都是非平面結構的,只能采用更先進的“C”超聲掃描技術?，F(xiàn)在主流PDC制造商都將此技術應用到油田復合片的檢查,在100%檢測的基礎上,有些特殊的PDC,根據(jù)工藝要求進行二次內部探傷,雖然增加了成本,但對產品可靠性卻提供了有力的技術保障。

圖21 PDC典型的內部缺陷Fig.21 Typical inner defect of PDC

5.1.2 耐磨性檢測

“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、拉絲等使用過程中抗磨損的性能,磨損有單純的磨蝕性磨損及化學腐蝕性(或粘結性)磨損兩種。關于PDC的耐磨性的檢測,國內和國外分別采用兩種不同的方法。根據(jù)我國的國家標準JB/T3235-1999,如圖22所示,將 PDC作為車刀來車削標準試樣(專用SiC砂輪)。此方法有3大問題:其一,PDC的工作方式與實際鉆井時的狀況條件相差甚遠;其二,被切削材料與實際鉆井時所經常遇見的地層相差甚遠;其三,由于被切材料所損耗的量較小,導致金剛石被磨損的量太小,只有十萬分之幾克,幾乎接近天平的感量,稱量誤差對最終數(shù)據(jù)的影響太大,甚至有時會測出金剛石的磨損量為負。

圖22 國內普遍采用的耐磨性檢測方法Fig.22 Popular method of testing abrasion resistance in China

圖23 國際流行的重負荷切削法Fig.23 Popular method of heavy loaded cutting in international market

圖23所示為目前國際上通行的檢測耐磨性方法,模擬PDC在鉆頭體上的安裝角度來切削大尺寸的花崗巖,進行重負荷切削。由于花崗巖具有很高的強度和一定的微沖擊作用,PDC的金剛石磨損體積相當大,較容易進行磨損量的測量評估。

5.1.3 抗沖擊性能檢測

PDC的抗沖擊性能是另一個重要指標,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。方法之一,使用2～5g的小鋼球落向PDC的邊緣,經過反復數(shù)百次的微小沖擊,觀察PDC邊緣的破壞情況。這種檢測方式與PDC切削齒的井下工作實際出入較大,鉆頭的軸向壓力有數(shù)噸至十幾噸,而不是以克計算的。因此,有必要使用較大能量進行沖擊。圖24為目前國際上最先進的沖擊強度試驗裝置。根據(jù)所測PDC的大小不同,可設置不同的沖擊速度,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程、沖擊錘頭和PDC金剛石層接觸瞬間力和功隨時間的變化詳細記錄,以反映PDC受到沖擊時微觀受力狀況和被破壞的時點,對研究PDC抗沖擊性能有著重要參考價值。

圖24 沖擊強度檢測裝置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)生變化時所能承受的溫度與時間,熱處理溫度越高時間越短,耐熱性實質上是一系列的溫度與時間上的組合。絕大多數(shù)PDC切削齒都是通過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,施焊過程中焊槍火焰中心區(qū)的溫度會高于700℃,很難完全保證PDC切削齒不會受到大于700℃的過熱破壞。大部分情況是PDC處在危險溫度邊緣,雖還不足以使金剛石層碳化失效,但會引起金剛石層產生裂紋或硬質合金層產生裂紋(見圖25)。所以要對PDC進行耐熱性測試,以觀察PDC切削齒的耐熱性能。

在微觀上也存在耐熱性問題,金剛石與巖石接觸點附近,很難得到充分冷卻,PDC中的金剛石顆粒與巖石切削時,接觸的瞬間,溫度可能會高達1000℃左右,當鉆頭上的切削齒轉出該位置時,立即受到鉆井液的冷卻,這樣反復循環(huán)就會對金剛石形成熱疲勞損傷,使金剛石層產生龜裂紋,并不斷延伸擴展,造成金剛石碎裂磨損(見圖26)。

耐熱性的檢測方法通常是將PCD和PDC加熱到某一溫度并保持一段時間,測量同一PCD和PDC在加熱前后的耐磨性來評價耐熱性能,或者也可以采用X衍射和掃描電鏡來分析PCD和PDC的組織是否發(fā)生變化來確認其耐熱性能。

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殘余應力

組成PCD與PDC的主要原材料有金剛石和結合劑鈷、硅、硬質合金,它們的導熱系數(shù)與熱膨脹系數(shù)有很大的區(qū)別。在燒結過程與加工過程中,需經歷很大的壓力與溫度變化,不可避免會在PCD與PDC的表面與內部產生殘余應力,殘余應力包括殘余組織應力與殘余熱應力兩種。這種殘余應力會直接影響PCD與PDC的抗沖擊性能和耐熱性能,甚至會自行產生斷裂現(xiàn)象,如圖27所示。吉林大學和中南大學的學者用應變片或應力釋放法、X射線法、Raman光譜法結合有限元模擬計算來研究殘余應力的形成機制、分布規(guī)律,進而提出一些減小殘余應力的技術思路和解決方案。例如非平面界面結構,結合界面采用梯度結構,適當控制金剛石層厚度等證明均是行之有效的技術手段。

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

5.2 刀具用PDC的性能檢測

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鉆頭,對這類材料的性能評價,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

PDC的顯微硬度十分接近硬度儀金剛石壓頭的硬度,難以準確測定。一般將PDC切割后制成標準的車刀,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,碳纖維增韌樹脂,甚至花崗巖,測定其后刀面磨損程度,來評價PDC的耐磨性。

(1)抗彎強度的檢測

采用標準的三點彎曲法,在萬能材料實驗機上可以得出PDC的金剛石層抗彎強度,并可通過SEM觀察斷口形貌,獲取更多有用的信息。此值大多作為PDC開發(fā)人員的參考。

[1] 趙云良,趙爽之.金剛石燒結機理的探討.

[2] 趙云良,江曉樂,趙爽之.復合超硬材料發(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,教授級高工,鄭州新亞復合超硬材料有限公共場所司總經理,從事PDC、PCD、PcBN研究與工業(yè)化生產。