金剛石復(fù)合片耐磨性設(shè)計(jì)研究

江文清

摘 要：選定四種不同的燒結(jié)溫度，其中包括“欠燒”、“正常燒”、“過(guò)燒”燒結(jié)溫度。對(duì)每個(gè)不同溫度下燒結(jié)的PDC片，都沿PDC的徑向取四個(gè)不同的位置進(jìn)行耐磨性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同的燒結(jié)溫度下，PDC磨耗比值沿其徑向的變化規(guī)律各不相同，這對(duì)如何選取耐磨性較好的PDC材料作為刀具提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：聚晶金剛石復(fù)合體;耐磨性;燒結(jié)溫度;PDC刀具

0 引言

在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，PDC材料已廣泛應(yīng)用于石油地質(zhì)鉆頭、切削刀具、拉絲模、修整器和各種耐磨器件，目前國(guó)外PDC材料的年消耗增長(zhǎng)速度在20%以上聚晶金剛石復(fù)合體（ Polycrystalline Diamond Compacts）簡(jiǎn)稱PDC，目前國(guó)外PDC材料的年消耗增長(zhǎng)速度在20%以上。耐磨性是衡量PDC質(zhì)量三大指標(biāo)之一[1]，耐磨性能直接影響著刀具的使用效率。通過(guò)對(duì)每個(gè)不同溫度下燒結(jié)的PDC片，沿其徑向進(jìn)行了大量的耐磨性測(cè)試。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

28μm金剛石粉末;牌號(hào)YG15的硬質(zhì)合金;葉臘石為32.5×32.5×32.5×16的粉壓塊;鉬杯Ф14mm、h為9mm;鹽管尺寸Ф外20mm、Ф內(nèi)15mm;

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

6×1800T鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī);TS71-A型磨耗比測(cè)定儀;WEDM電火花線切割機(jī)床;金剛石砂輪平面與外圓磨床;工具顯微鏡;分析天平;101-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)于一個(gè)PDC圓片，在圓片上不同部位測(cè)試磨耗比，其值都不同， PDC片磨耗比徑向測(cè)試顯得十分重要。我們選定四個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)定。

第一個(gè)位置：PDC圓片的邊緣部分，磨耗情況同樣如下圖;

第二個(gè)位置：磨損面離圓心2/3R處;

第三個(gè)位置：磨損面離圓心1/3R處;

第四個(gè)位置：磨損面過(guò)圓心;

PDC的第一個(gè)位置磨耗比測(cè)定方法采用核工業(yè)徐國(guó)平等人[2]的以PDC的體積磨耗量代替其失重。如圖所示，若設(shè)PDC的半徑為R;磨損面長(zhǎng)為L(zhǎng)1;L1與圓心O的距離為L(zhǎng);PDC圓周上任一點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y）;PDC磨損掉的體積為v，則：

然后把測(cè)試完的PDC片用線切割機(jī)切成離圓心2/3R、1/3R處、圓心處，若設(shè)PDC的半徑為R;磨損面長(zhǎng)為L(zhǎng)1;磨損斜面長(zhǎng)為X;PDC金剛石層平面方向與接觸點(diǎn)的切線方向成45度角;為了方便計(jì)算，根據(jù)我們測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合片PCD層比重取為4.2g/cm3。

磨耗比計(jì)算公式： ?α=△A/△B=△A/（4.2V）;

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)結(jié)果

固定合成壓力、保溫時(shí)間、冷卻時(shí)間，在不同的燒結(jié)溫度（1250℃、1300℃、1350℃、1400℃）條件下進(jìn)行合成PDC。每種工藝條件下，合成4個(gè)PDC片。按照上述磨耗比測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)試，磨耗比取樣品相同位置測(cè)定的磨耗比平均值，如下表。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析

（1）在燒結(jié)溫度1250℃、1300℃、1350℃時(shí)，其磨耗比值沿徑向從邊緣到中心依次減小，造成這種結(jié)果的原因可能是：由于組裝設(shè)計(jì)的原因，合成塊沿徑向存在溫度梯度。在其他燒結(jié)條件下，磨耗比這種變化規(guī)律，恰好與HP/HT腔體中壓力場(chǎng)徑向分布恰好一致[3]，在很大程度上可以說(shuō)PDC耐磨性取決于燒結(jié)壓力。

（2）在1250℃、1300℃、1350℃測(cè)定的磨耗比值減小幅度并不一樣。在燒結(jié)溫度1300℃、1350℃時(shí)，邊緣（第一個(gè)位置）與中心（第四個(gè)位置）之間磨耗比值依次減小的幅度較小。而在燒結(jié)溫度1250℃時(shí)，磨耗比值減小幅度相對(duì)較大。

（3）在燒結(jié)溫度1300℃、1350℃時(shí)，PDC燒結(jié)應(yīng)該比較均勻，所以PDC片沿徑向磨耗比值變化較小，差值在10%左右。

（4）在燒結(jié)溫度1400℃時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)反常現(xiàn)象，磨耗比值是從邊緣到中心依次增大。這種情況的產(chǎn)生，很有可能是在“過(guò)燒”溫度下燒結(jié)而成的，由于邊緣部分溫度要高于中心溫度，所以邊緣部分石墨化更嚴(yán)重些，其磨耗比當(dāng)然也更低。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)不同溫度下燒結(jié)的PCD復(fù)合片耐磨性測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究表明：在PCD復(fù)合片邊緣部分燒結(jié)更均勻些，致密性較高，磨耗比值要高于中心的。磨耗比這種變化規(guī)律與腔體中壓力場(chǎng)徑向分布恰好一致，可能說(shuō)明磨耗比值在很大程度上取決于燒結(jié)壓力，關(guān)于這一點(diǎn)，有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳石林，彭振斌等.聚晶金剛石復(fù)合體的研究進(jìn)展[J].礦冶工程，2004（04）：29-32.

[2]徐國(guó)平，梁紅原，楊世珍.對(duì)國(guó)內(nèi)金剛石復(fù)合片（PDC）耐磨性測(cè)試方法的探討[J].金剛石與磨料磨具工程，2001（04）：124.