研磨压力对聚晶金刚石表面质量的影响

使用金刚石平磨盘对聚晶金刚石(polycrystalline diamond,PCD)复合片的金刚石层进行高速研磨实验,研究研磨压力对PCD研磨去除率、表面粗糙度和表面形貌的影响。结果表明:当研磨压力为0.10~0.18MPa时,随着研磨压力的增大,PCD的研磨去除率增大,表面粗糙度减小。PCD研磨表面缺陷主要包括沿晶破碎、微小凹坑、机械划痕、微裂纹等,且随着研磨压力增大,研磨表面平滑面积扩大,机械划痕变小。

聚晶金刚石中D-D键的表征方法进展

聚晶金刚石复合片中的金刚石晶粒之间形成D-D键的程度,对复合层的硬度、强度、耐磨性等宏观性能有着十分重要的影响。因此,对D-D键的成键程度进行定量表征是聚晶复合片设计与生产乃至应用过程中的关键任务。文章综述了5种表征D-D成键状态的方法(SEM法、孔隙度法、XRD法、三点抗弯法、耐磨性测试法),对其原理进行了探讨,为聚晶金刚石材料中D-D成键情况乃至诸多宏观性能的定量描述提供有益的参考。

碳纳米葱(OLC)与微米金刚石(MD)烧结制备纳米聚晶金刚石复合材料(nPCD)的表征分析

在4~6GPa/1000~1400℃/5~30min条件下,用微米金刚石(MD)和碳纳米葱(OLC)混合物作为原材料制备了纳米聚晶金刚石(nPCD)复合材料。采用XRD、FESEM、HRTEM、Archimedes原理和Vickers硬度计表征了nPCD复合材料的组成、形貌、微观结构、密度和硬度。研究了MD和烧结参数对nPCD复合材料的组成、微观结构、性能。结果表明,MD在nPCD复合材料中分布均匀。MD作为晶核促进OLC向金刚石的转换。烧结压力的增加提高了nPCD复合材料的密度和硬度。当烧结压力从4GPa提高到6GPa时,nPCD复合材料的密度从2.72g/cm^(3)增加到3.02g/cm^(3),硬度从41.85GPa增加到56GPa。提高烧结温度和延长保持时间使nPCD复合材料的密度和硬度先升高后降低。在nPCD复合材料中nPCD区域具有孪晶结构。孪晶结构的存在提高了nPCD复合材料的硬度。

添加二硼化铪提高聚晶金刚石复合片耐热性能的研究

聚晶金刚石复合片(PDC)被广泛应用于地质钻头及油气井钻头,改进耐热性对于提高其工作性能非常重要。本研究旨在探究添加二硼化铪(HfB_(2))对聚晶金刚石复合片耐热性能的影响,并通过X射线衍射和扫描电子显微镜对高温高压制备的PDC进行了物相和微观结构分析。研究结果表明,随着HfB_(2)添加量的增加,HfC相的比例逐渐增加。对PDC的热膨胀测试表明,添加0.1 wt.%HfB_(2)的PDC样品,其耐热性显著提高;但超过0.1 wt.%的添加量不会进一步增强其耐热性,而是减小了总体热膨胀值。因此,HfB_(2)的最优加量为0.1 wt.%。

聚晶金刚石复合片的电火花线切割精密加工试验

为了提高聚晶金刚石(PCD)刀具的生产效率,改进加工表面质量并减少刃磨余量,利用慢走丝电火花线切割机床(WEDM)对PCD复合片进行了加工工艺试验。对PCD复合片进行了5次切割,并分别测量了每次加工后的表面粗糙度、富钴界面层凹槽深度及宽度和PCD层刃口加工质量。试验结果表明:PCD复合片经慢走丝线切割多次加工,能够得到较好的表面质量,在众多影响因素中金刚石颗粒大小对加工质量影响较大;其中CTH025型号和CTB010型号的最终表面粗糙度分别为Ra=0.85μm和Ra=0.57μm,富钴界面层凹槽的深度分别为16.3μm和5.7μm,刃口处切口缺陷的尺寸也与金刚石颗粒的尺寸相当。经WEDM加工后的PCD复合片的刃磨余量可控制在4～15μm左右。

仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头

基于仿生耦合理论设计了仿生耦合聚晶金刚石复合片(PDC),通过摩擦磨损实验研究其性能,制备出仿生耦合PDC钻头并将其用于现场试验。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态3方面入手设计仿生耦合PDC,并开展室内摩擦磨损实验。结果表明:与同尺寸的常规PDC相比,仿生耦合PDC磨耗比提高约18.4%,磨损砂轮速度提高约1.67倍,耐磨性和切削效率都显著提高。现场钻井试验中,根据地层情况和井身结构设计制备了仿生耦合PDC钻头,并与邻井同层常规PDC钻头进行了对比。结果表明:仿生耦合PDC钻头的机械钻速约为常规PDC钻头的2.5倍,可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本,经济效益显著。

纤维状聚晶金刚石复合片刀具的切削性能及刀具磨损机理

设计并制备一种纤维状聚晶金刚石复合片(Polycrystalline diamond compacts,PDC)刀具,制备的PDC刀具具有同时参与切削的刀刃多、刀刃间隔距离和切削角度可人为控制、刃口锋利平直等特点。开展了新型PDC刀具与金刚石砂轮在相同条件下加工WC/12Co涂层的对比试验。结果表明,制备的PDC刀具能获得与金刚石砂轮磨削相媲美的加工质量,实现WC/12Co涂层硬脆材料的精密加工;同时其具有良好的容屑空间,断续切削的结构特点使其更容易散热,因此,切削加工过程中又可以适当地提高切削参数实现材料的高效加工。PDC刀具在长时间的加工过程中,由于受到频繁的冲击作用,在PDC刀具的后刀面出现了小凹坑和轻微的磨粒磨损,随着切削的进行,在切刃处出现局部崩刃现象,须对其刃磨。

聚晶金刚石复合体超高压液相烧结理论研究

在对前人有关聚晶金刚石超高压烧结机理的综合分析与评价的基础上,通过对金刚石与不同组分的钴熔体相互作用规律,及金刚石从钴熔体中的结晶热力学与动力学的理论研究,提出了石墨优先金刚石"溶解"和金刚石石墨化"溶解"的观点,阐明了钴熔体的性质对金刚石(石墨)的浸润扩散溶解过程,以及金刚石再结晶析出过程的影响,认为在金刚石 钴烧结系统中存在三种主要烧结机构:颗粒重排,溶解 析出和聚晶固架形成机构。不同温度条件下不同碳含量钴熔体在烧结过程中,对于促进金刚石表面石墨化,进一步引起颗粒重排,实现sp3结构碳原子在金刚石颗粒间的有效迁移传递以及D D直接结合等方面起到了十分重要的作用。根据上述金刚石超高压液相烧结理论的基本观点,可较合理地解释聚晶金刚石复合体(PDC)在超高压烧结过程中观察到的一些基本现象和实验事实。

聚晶金刚石加工技术进展

介绍了国内外正在研究和已经应用的聚晶金刚石的主要加工方法,即磨削加工、研磨加工、电火花加工、激光加工、化学加工、超声加工和复合加工,并对这些加工方法的特点、机理及影响因素、适用范围进行了分析。

聚晶金刚石复合片电火花线切割加工电极丝损耗研究

采用电火花线切割方法对聚晶金刚石复合片(PDC)进行了线切割加工实验,利用带能谱分析的扫描电子显微镜(SEM)观察了电极丝表面的显微形貌。从微观角度研究了PDC超硬材料电火花线切割加工的电极丝损耗机理,探讨了电参数和冲液条件等因素对电极丝损耗的影响。实验研究发现,采用贴附式高压喷液方式在高电压、小脉宽、大峰值电流的加工条件下,PDC切割效率为19.35mm^2/min,电极丝损耗为1.5~2μm(10~4 mm^2切割量),较常压喷液方式切割效率提高51.6%,丝损降低15.2%。

聚晶金刚石复合体界面组织及界面反应的研究

采用SEM、WDS、XRD等分析方法 ,研究了超高压合成的聚晶金刚石复合体 (PDC)的界面结构及界面反应 ,分析了粘结相钴扩散规律及作用机理 。

高速铣削SiC_p/Al复合材料时聚晶金刚石刀具的磨损机理

采用聚晶金刚石刀具(PCD),以600～1200m/min速度对SiCp/2009Al复合材料进行了高速铣削试验,研究了铣削时PCD刀具的磨损机理。使用扫描电镜(SEM)观察加工材料表面和刀具前/后刀面磨损带,X射线衍射仪分析已加工表面物相,并使用能谱(EDS)和激光拉曼谱对后刀面磨损带进行元素分析。结果表明,增强颗粒碳化硅的高频刻划和冲击是导致刀具晶粒脱落、磨粒磨损、崩刃、剥落的主要机制,切削高体积分数增强铝基复合材料、经热处理的复合材料或使用更高的切削速度时,PCD刀具会产生明显微裂纹。另外,增强颗粒体积分数是影响PCD刀具磨损的最显著因素,增强颗粒尺寸、工件材料热处理状态、刀具材料晶粒尺寸和冷却条件对刀具磨损均有显著影响。PCD刀具刀的寿命在70～240min之间。结论认为,增强颗粒机械冲击、切削振动和热冲击的综合作用是刀具产生微裂纹的主要原因。在高速铣削时的高温、高压下,工件材料中的铝元素和铜元素会向刀具有一定程度的扩散,PCD刀具在铜元素的催化作用下会发生轻微的石墨化磨损。

聚晶金刚石研磨机理研究

通过 PCD表面干研磨、湿研磨、钝湿研磨等对比试验 ,观察干研磨、湿研磨表面形貌 ,研究了 PCD材料研磨机理 .试验结果表明 ,干研磨去除率远大于湿研磨去除率 ,并可使 PCD表面达到镜面 ;湿研磨、钝湿研磨不能使其达到镜面 .干研磨时 ,材料的去除机理以热化学去除为主 ,基本不发生疲劳脆性去除 ;湿研磨时 ,材料去除机理以疲劳脆性去除为主 。

基于表面微观形貌的聚晶金刚石脆性去除机理研究

聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)的磨削是PCD刀具制造中的关键环节,磨削参数的变化影响PCD的去除方式,进而决定刀具的切削性能。采用不同的磨削参数加工PCD复合片,并用王水对磨削后的PCD表面进行腐蚀,通过扫描电镜观察并分析腐蚀后的PCD表面微观形貌,研究PCD的脆性去除方式及其与磨削参数之间的关系。根据去除机理不同,将PCD的脆性去除方式分为微细破碎、沿晶破碎、疲劳解理破碎三种;其中微细破碎又可细分为解理微细破碎和脆性微细破碎。作为湿磨初期的主要去除方式,微细破碎可在所有磨削条件下发生;沿晶破碎通常在金刚石磨粒较锋利时发生;疲劳解理破碎易在金刚石磨粒较钝时发生,因而在干磨后期时疲劳解理破碎较严重。

聚晶金刚石复合片非脆性去除磨削机理研究

聚晶金刚石(polycrystalline diamond,PCD)的磨削是PCD刀具制造中的关键环节,磨削参数的变化影响PCD的去除方式,进而决定刀具的切削性能.通过扫描电镜观察分析腐蚀后的PCD磨削表面微观形貌,研究了金刚石砂轮磨削PCD中的刻划作用、滑擦作用和热化学反应等非脆性去除机理,及其与磨削参数的关系.结果表明:刻划作用仅在砂轮磨粒较锋利时产生作用,多存在于湿磨初期;砂轮磨钝后,滑擦作用和热化学反应是PCD的主要去除方式,且滑擦作用与热化学反应同时发生.通过设计一组特殊磨削试验,间接证明了磨削后的PCD表面存在由热化学反应产生的软化层.

聚晶金刚石复合体的研究进展

介绍了国内外对聚晶金刚石复合体的研究状况 ,如衬底与复合界面的研究、原材料的选择、添加剂的种类、金刚石表面石墨化、织构细化以及烧结工艺等对聚晶金刚石复合体性能影响的研究。

聚晶金刚石刀具磨削机理试验研究

本文通过观察聚晶金刚石 (PCD)磨削表面的微观形貌及背散射立体像 ,研究了PCD材料的磨削机理。结果表明 ,在磨削过程中 ,PCD材料会产生冲击脆性去除、沿晶疲劳脆性去除、疲劳点蚀脆性去除、热化学去除及机械热去除。其主次顺序取决于磨削工艺参数。因冲击脆性去除直接产生PCD刀具刃口锯齿缺陷 。

聚晶金刚石刀具高速铣削钛合金切削温度分析

为了研究聚晶金刚石高速铣削钛合金时的切削温度的影响因素,揭示切削温度的变化规律,进行了切削温度试验.采用2k因子试验设计,找出对切削温度有重要影响的主影响因素及交互影响因素;利用均匀设计试验,分析主影响因素及交互影响因素对切削温度的影响规律;建立切削用量与切削温度之间的非线性数学模型.试验结果表明:聚晶金刚石刀具高速铣削钛合金时,切削速度和切削宽度之间的交互作用对切削温度有显著影响,切削温度与切削用量间存在非线性特征规律,切削速度对切削温度的影响随切削宽度的变化而变化.研究结果有助于指导钛合金高速铣削加工,优化高速切削工艺及建立高速切削数据库.

粘结剂钴对于聚晶金刚石复合片热稳定性的作用机制

热稳定性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标。利用车削花岗岩法测定了PDC刀具的热稳定性能,采用热分析法、工具显微镜和扫描电子显微镜观测了PDC刀具中粘接剂钴的分布与形貌以及热损伤情况。研究表明:粘接剂Co热胀冷缩和氧化产生了热龟裂裂纹,导致PDC刀具机械性能降低,这是PDC刀具热稳定性下降的主要因素;PDC刀具中Co存在3种分布形式,分别是金刚石间的球粒状Co颗粒、"Co岛"和叶脉状的Co分布,其中以叶脉状分布的Co对PDC刀具的热稳定性影响最大。讨论了控制粘接剂Co分布与形貌以提高PDC热稳定性的方法。

聚晶金刚石表面加工质量对比试验研究

为解决聚晶金刚石(PCD)表面加工成型和抛光难题,提高PCD加工效率和表面加工质量,采用电火花粗、精放电加工工艺及金刚石砂轮磨削加工工艺对PCD表面进行加工,并采用SEM、EDS、XRD和Raman等观察分析不同加工方式下PCD的表面形貌、表层组织及结构,对不同加工方式下PCD的显微硬度和耐磨性进行测试,考察不同加工方式对PCD表层微结构与力学性能的影响。结果表明:电火花加工后PCD表面会发生金刚石石墨化,而机械磨削加工后则不会;电火花精加工后PCD的显微硬度和耐磨性分别是5613HV10和Q5.8×10^4,机械磨削加工后则分别是5727HV10和Q5.4×10^4,二者相比变化不大,而电火花粗加工后的则是4604HV10和Q4.7×10^4,性能降低明显。同时提出放电加工后PCD表面变质层的概念,并讨论其变质层产生的原因。