不同烧结工艺制备的Fe基孕镶金刚石磨头结构和摩擦磨损性能

采用真空热压烧结法,以Fe基元素混合粉末和MBD8人造金刚石为原材料,通过改变工艺参数,制备锯切花岗岩用Fe基孕镶金刚石锯片磨头。采用SEM、XRD、布氏硬度仪、万能力学试验机和MRH-3销盘式摩擦试验机研究不同烧结工艺制备的磨头结构、力学性能和摩擦磨损行为。结果表明:提高烧结温度或烧结压力可使磨头胎体合金化程度增大,金刚石和胎体由机械包镶变为冶金结合,力学性能得到提高。与680℃/15 MPa/4 min和760℃/23 MPa/4 min烧结工艺相比,760℃/15 MPa/4 min工艺所得磨头胎体与金刚石具有最佳的耐磨匹配性和界面结合特性,摩擦磨损性能最好。

金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底CVD金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理理论法,研究了金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底化学气相沉积金刚石涂层膜基界面结合强度的影响及其作用机理。界面结合能、电荷密度和化学键重叠布居数的计算结果表明:Co、Fe元素具有较强的电荷转移能力,Cu、Ti元素在沉积过程易生成金属碳化物过渡结构,且Cu、Ti元素掺杂模型膜基界面间C原子成键较强,成键也更接近理想金刚石C-C键,这些原因导致Cu、Ti元素掺杂模型的膜基界面结合强度较强,Co、Fe元素掺杂模型的膜基界面结合强度较弱。据此,可适当调整金属元素比例,优化工艺参数,从而改善孕镶金刚石钻头上沉积CVD金刚石涂层的性能。

孕镶金刚石工具用Fe—Cu粉末胎体材料的性能研究

金刚石的大幅度降价，以及金刚石镀膜技术的发展，大力促进了廉价材料（例如铁）的应用（除活性胎体材料外）。目前，正在使用具有优良烧结性能、良好的机械性能和类似钴的现场切割性能的廉价材料替代昂贵的钴基材料。本论文作者的主要目的是，建立预合金粉末的成分和固结条件对用作孕镶金刚石工具胎体的铁基以及不含钴的材料微观结构和机械性能的影响。用预合金Fe—Cu粉末和Fe—Cu—Sn—Sm2O3粉末作为实验原材料，采用热压和先冷彤后烧结两种粉末的固结工艺路线，经固结的全部试样都进行了密度测定和洛氏硬度试验，还检测了热压试样的抗弯性能和用扫描电子显微照片以及X射线衍射对其进行了检测，这两种预合金粉末都表现出优良的致密化性能。

适用于栅格状孕镶金刚石钻头的胎体配方研究

为了提高钻进坚硬岩层的工作效率,将孕镶金刚石钻头胎体结构设计为栅格状,分析了栅格状孕镶金刚石钻头钻进岩层时的碎岩方式,并采用粉末冶金法制备Inconel 718和Co Cr Mo试样,通过分析不同烧结温度对两种胎体试样的硬度、耐磨性及抗弯强度的影响,确定了两种材料的最优烧结参数,并对其在该烧结温度下的力学性能进行对比分析。研究结果表明:Inconel 718和Co Cr Mo均具有较好的抗弯强度,满足钻进坚硬岩层对胎体抗弯强度的要求。Inconel 718的硬度比传统WC基胎体材料小,试样磨损量较大,适合用于地质灾害应急勘查等要求钻进速度快的极端情况;Co Cr Mo的硬度及耐磨性与传统WC基胎体接近,适合作为孕镶金刚石钻头的胎体材料。

Ni-Cr预合金粉末对FeCoCu基钻头胎体性能的影响

为进一步替代WC并改善FeCoCu基胎体的性能,在其中掺入预合金化的Ni-Cr粉末,研究Ni-Cr预合金粉末对FeCoCu基胎体性能的影响。对不同Ni-Cr或WC质量分数下烧结试样的抗弯强度、硬度进行了测试,利用SEM、EDS和XRD等分析手段对烧结试样进行了微观分析,最后通过摩擦磨损试验观测了不同Ni-Cr质量分数下胎体中金刚石的出刃情况。结果表明:随着Ni-Cr质量分数由0增大到15%,胎体的抗弯强度、抗弯强度损失率呈先增大后减小的趋势,而胎体的硬度则不断增大;纯FeCoCu胎体中的金刚石表面存在侵蚀现象,但随着Ni-Cr质量分数增加,金刚石的表面形貌改善,金刚石表面热损伤缓解,胎体材料对金刚石的润湿性增强;适量Ni-Cr预合金粉末的加入,有助于增强胎体的自锐性,改善胎体对金刚石的把持性能;Ni-Cr预合金粉末对FeCoCu基胎体硬度、把持性能的增强效果明显优于WC粉末,并且可以改善胎体的自锐性,是Fe基钻头胎体配方中良好的WC替代材料。