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.%。

聚晶金刚石的混铁粉电火花加工方法研究

电火花加工以其独特的优势成为加工聚晶金刚石(PCD)的重要手段,但该方法存在加工效率低的问题。初步探究了混铁粉电火花加工PCD的材料去除方式,进而提出了在煤油工作液中混入铁粉以促进火花放电形成的方法,通过实验研究了铁粉浓度、峰值电流、脉宽、脉间和伺服电压对工件材料去除率(MRR)和加工表面粗糙度的影响规律,并分析了其原因。实验结果表明,煤油中混入一定浓度的铁粉能够提高电火花加工PCD的MRR值,MRR值随着峰值电流的增大而提高,随着脉宽的增大先提高后降低,随脉间的增加先增大后减小,并且随着伺服电压的增大而减小,电火花加工PCD的表面粗糙度受铁粉浓度、峰值电流、脉宽、脉间和伺服电压的影响较小,主要取决于金刚石颗粒的粒度,通过正交试验得到电参数优化组合为:峰值电流20 A,脉宽125μs,脉间75μs,伺服电压27.5 V。

合成聚晶金刚石过程的颗粒冷压破碎

为提升聚晶金刚石的致密度,研究在初装、冷等静压后以及六面顶压机内等不同压力条件下,不同金刚石粉体粒径和配比在加压前后的粉体密度、粒径分布及重排微观结构变化,发现金刚石粉体的变化规律。合成过程包括初装料的无序排列到220 MPa等静压后的细颗粒填充孔隙与重排,再到超高压力下大颗粒被挤压破碎,孔隙被逐步填充。由于细颗粒的缓冲效应,大颗粒G_(20~30)在双粒径配方G_(2~4)和G_(20~30)中比在单一粒径G_(20~30)配方中破碎更少,更有利于提升金刚石粉体堆积密度。

超硬聚晶刀具的性能发展及应用

本文综述了超硬聚晶刀具的性能、发展现状、应用情况及国内外水平对比，并对使用赵硬聚晶刀具的经济性进行了分析，认为超硬聚晶刀具具有优良的切削性能，充分体现了现代机械制造业对刀具的要求，使用的经济效益极大。

以碳纳米管为外加碳源爆轰合成聚晶金刚石

为研究碳纳米管在爆轰过程中的变化机理,采用直接爆轰法,以碳纳米管为外加碳源进行合成实验,对爆轰产物进行化学提纯后得到提纯产物,通过X射线衍射技术对提纯产物进行表征,发现提纯产物为金刚石。借助透射电子显微镜和扫描电子显微镜对提纯产物形貌进行表征,通过深入分析,发现爆轰过程中碳纳米管以固-固原位相变的形式相变为金刚石,且同一个碳纳米管上会形成多个晶核同时生长形成晶体,相邻的晶体接触后形成晶界,停止生长并形成聚晶体。根据形成的金刚石晶体的周向、径向、轴向尺寸的不同,以及形成聚晶体中晶体的数量与位置的不同,可以得到管状、片状、块状等形状各异的聚晶金刚石颗粒。

不同湿度环境下镀钛金刚石烧结聚晶金刚石的摩擦学性能

聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)机具在钻探破岩与切削过程中服役于边界润滑环境,湿度条件是影响其摩擦磨损性能及切削钻进效率的重要因素。采用磁控溅射技术在金刚石微粉表面沉积厚度为~500 nm的钛薄膜,并选用镀钛金刚石微粉为原料烧结聚晶金刚石(Ti-polycrystalline diamond,Ti-PCD)。研究了Ti-PCD在5%~50%相对湿度(Relative humidity,RH)条件下对磨氮化硅的摩擦磨损性能,利用SEM、XRD、AES等表征镀钛金刚石微粉和Ti-PCD的微观组织、表面形貌及相结构。采用光学显微镜、白光三维形貌仪、拉曼光谱仪分析Ti-PCD和氮化硅球的磨损形貌。结果表明,Ti-PCD中金刚石晶粒与粘结剂钴界面处形成碳化钛过渡层。在相对湿度为5%~50%RH条件下,氮化硅磨斑处的碳质转移膜是影响Ti-PCD稳态摩擦因数的主要原因。5%RH干燥环境下,摩擦滑移过程中碳原子重杂化过程形成连续均匀的碳质转移膜,获得超低的稳态摩擦因数0.034。Ti-PCD表面相对较疏水,水分子钝化作用减弱,有助于形成具有减摩作用的碳质转移膜,致使湿度环境下的稳态摩擦因数比传统PCD降低~30%。Ti-PCD磨损在5%~50%RH湿度范围内逐渐减轻。Ti-PCD中的碳化钛相发挥结合桥作用,利用界面效应强化粘结剂钴和金刚石的界面结合,抑制摩擦滑移过程中的金刚石颗粒剥落,提高Ti-PCD的耐磨性。应用金刚石微粉表面涂层技术制备减摩Ti-PCD,从界面结合和补强增韧方面强化金刚石与粘结剂钴的界面状态,对设计制造高效长寿钻探机具有重要的研究意义。

基于空载率检测的聚晶金刚石复合片电火花线切割加工研究

针对通过传统峰值电压检测伺服跟踪方法进行电火花线切割聚晶金刚石复合片时出现的切割速度低、切割不稳定、表面质量差且易断丝的现象,提出了一种空载率检测系统控制方法。经试验得知,当空载率为10%时,该方法可得到更好的表面质量和加工稳定性,同时获得较高的切割速度,在相同脉冲宽度下切割聚晶金刚石复合片较传统峰值电压检测伺服跟踪方法的速度提升了20%。

聚晶立方氮化硼材料国内外研究现状与进展

由于PcBN材料优异的性能,使PcBN刀具在制造加工行业有着独特的优势。目前PcBN复合片主流的制备方法为高温高压一次烧结法。按照结合剂种类,PcBN材料分为金属型、陶瓷型和金属+陶瓷型。金属+陶瓷型PcBN综合了金属型和陶瓷型的性能优点,被广泛的研究。PcBN的结合剂也由单一体系发展为现在的多元化体系,并涌现出一些新型结合剂,结合剂材料也成为PcBN材料性能优劣的关键因素。文章介绍了PcBN的分类,概述了PcBN材料的优异性能和应用,最后对PcBN材料的国内外研究现状与进展进行了阐述,为后面的研究者提供了一些经验。

钴的脱除工艺对聚晶金刚石复合片性能的影响

聚晶金刚石复合片(PDC)是一种用于油气钻采、矿物开采的超硬复合材料,需要通过脱除金刚石层中的钴来提高耐磨性和抗冲击性能。本文以盐酸、硫酸和路易斯酸(FeCl3)作为脱钴试剂,使用加压化学沉淀法对金刚石复合片进行脱钴,研究脱钴试剂的原料配比、脱钴反应压力、脱钴反应时间对金刚石复合片脱钴效率及性能的影响。结果表明,使用加压化学沉淀法可以高效脱除PDC中的钴。将1片PDC和60 mL脱钴试剂进行反应,脱钴试剂中HCl浓度为6 mol/L,硫酸加入量为60 mL/L、路易斯酸加入量为50 g/L,反应温度为160℃,反应压力控制在0.8 MPa为最优脱钴工艺条件,反应时间72 h,脱钴深度可达580μm,达到了1.2 mm金刚石复合片脱钴要求(脱钴深度>0.5 mm)。使用加压化学沉淀法比常规酸浸出法脱钴效率更高,脱钴后金刚石复合片耐磨性更高,抗冲击韧性更好。

钻探用聚晶金刚石复合片的显微组织及性能

采用上层为细粒度金刚石、下层与硬质合金接触的为粗细度金刚石的分层设计理念,制备钻探用多金刚石层的聚晶金刚石复合片(PDC),对比不同粒度的单层金刚石PDC与多层金刚石PDC的显微组织与性能的差异。利用超声波扫描、扫描电子显微镜(SEM)表征每种PDC的内部缺陷和表面形貌等,并分别对PDC的耐热性、抗冲击性和耐磨性进行测试。结果表明:多层金刚石PDC的综合性能良好,其表层耐磨,下层更耐冲击,且其具有更加均衡的耐热性、抗冲击性和耐磨性。细粒度金刚石层PDC的耐磨性更高,但耐热性和抗冲击性较低,而粗粒度金刚石层PDC的耐热性和抗冲击性能更好,但耐磨性较差。

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。

Φ55 mm夹芯式聚晶金刚石复合片的合成及表征

采用独特的六面顶制备技术,在六面顶压机上合成出了Φ55 mm夹芯式聚晶金刚石复合片。经超声波微成像分析,样品无分层、裂纹、气孔、金刚石层厚度不均等缺陷;经耐磨性测试,磨耗比在30万以上,在700℃保温2 min的条件下,具有很好的热稳定性;经导电性测试,慢走丝切割速度为1.15 mm/min,具有良好的导电性;制成钻头后,在钻削碳纤维复合材料时,样品与国外同类产品性能相当。

路面铣刨机专用聚晶金刚石截齿头的研究与制备

路面铣刨机是公路路面养护的重要机械设备,具有操作简单、施工效率高、机动性好、控制精度高等应用优势,但传统的路面铣刨机硬质合金截齿的耐磨性较低、使用寿命较短。基于此,对路面铣刨机的截齿头进行改进研究,提出二段式结构截齿改进方案,并制备出改进样品进行性能检测和对比分析。

生长型聚晶金刚石晶界物相对热稳定性影响

生长型聚晶金刚石热稳定性低是阻碍其进入钻探实用的主要原因,生长型聚晶金刚石晶间残余Co存在是热稳定性低主要原因,现有强酸处理去Co工艺存在较多缺陷。本文分析国内外聚晶热稳定性与晶界物相关系,发现晶界物相成分及结构即Co存在状态是影响生长型聚晶金刚石热稳定性关键,通过降低进入聚晶金属Co含量和添加适量Ti、W元素改变Co存在状态,在扩散生长同时生成新的固溶体———硬质合金,即TiC-Co,WC-TiC-Co固溶体,从而改变聚晶金刚石晶间显微组织中残留Co存在状态,提高热稳定性,其热稳定性可达到1473K,并对Ti、W元素合理添加量进行分析研究,分析测试证明聚晶金刚石晶粒之间是D-D键错综连接形成多孔网状结构。

聚晶金刚石复合片聚晶层的冲击破坏研究

提出了一种倾斜冲击破坏实验方法,能够实现对聚晶金刚石复合片(PDC)聚晶层的冲击破坏试验。采用数显工具显微镜和扫描电子显微镜对PDC聚晶层冲击破坏断口进行观测,结果表明,新的实验方法使PDC处于近刚性接触的环境下,实现对PDC聚晶层点-面的冲击破坏,能够评价聚晶层抗冲击破坏能力的大小;在冲击破坏过程中,聚晶层冲击点边缘部分形成多条形变带,沿形变带破坏产生裂纹并长大而形成断裂面。并对PDC聚晶层冲击破坏的机理进行了讨论。

提高聚晶立方氮化硼和聚晶金刚石合成工艺的技术措施

介绍聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石及其制品的发展情况，论述了聚晶时的配料处理、粘结剂成分与添加量的确定、传压介质的选择及超硬材料的检测。

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。

聚晶立方氮化硼的制备方法及应用进展

对近年来国内外聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride,PCBN)及其复合片的制备方法和工业应用进行了综述,主要介绍了烧结型、生长型和生长–烧结型聚晶立方氮化硼的制备方法;系统论述了采用直接转化法、钎焊法和一次烧结法制备聚晶立方氮化硼复合片的进展;并对聚晶立方氮化硼在汽车制造、轴承和超精密工具等行业中的应用进行了概述。最后,对聚晶立方氮化硼及其复合片未来发展方向进行了展望。

聚晶立方氮化硼(PCBN)的制备及应用研究进展

本文通过CBN与其他刀具材料的对比,指出PCBN的高硬度、高耐磨性和高热稳定性的特点。文献表明有结合剂的PCBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展,同时尺寸越来越大,结合剂体系以金属陶瓷为主,其中陶瓷组分包括TiN、AlN、Si_3N_4、TiC等,金属有Co、Ti、Al等。无结合剂的纯PCBN和表面镀覆PCBN也正在积极研究中,高纯PCBN具有与纯CBN接近的力学性质。根据加工材料的成分和微观结构决定PCBN刀具的应用,努力使切割工具和工具材料标准化。

D-D结合型金刚石聚晶晶界结构及其生长模式

利用ＳＥＭ，ＥＰＭＡ（ＷＤＳ）观察分析了聚晶金刚石层中ＤＤ结合聚晶晶界结构、组成和性能，讨论了晶界金刚石微晶的形成机制，证明了聚晶金刚石层中存在ＤＤ结合的网络状结构，在此基础上提出了ＤＤ结合界面的２种生长模式重结晶金刚石搭接生长模式和原始金刚石接触面沉积生长模式。