金刚石烧结体(PCD与PDC)的发展概况(四)①

赵云良,赵爽之,闫森

(郑州新亚复合超硬材料有限公司,河南郑州 450001)

金刚石烧结体(PCD与PDC)的发展概况(四)①

赵云良,赵爽之,闫森

(郑州新亚复合超硬材料有限公司,河南郑州 450001)

简单介绍了金刚石烧结体的发明、合成机理、制造方法、品种规格、性能检测、应用效果及其发展前景,可供超硬材料科研与生产人员学习参考。

金刚石烧结体;聚晶;复合片;钻头;刀具;拉丝模

5 PCD与PDC的性能检测

无论是PDC、聚晶PCD都是作为工具的“牙齿”来使用的,是钻头或切削刀具、拉丝模具最主要的工作部位,其性能的好坏直接影响工具的工作性能及使用寿命。性能评价是产品供应商监控产品质量的基本手段之一,同时也是不断提升产品品质的基础性工作。

5.1 石油、地质钻头用PDC的性能及检测

5.1.1 PDC金刚石层内部及金刚石/硬质合金界面的无损检测

以往的PDC检测只是检查产品的外形尺寸和外表缺陷,如直径、高度、金刚石层表面有无可见缺陷等等。而PDC真正致命的缺陷却往往隐藏在金刚石层内部或金刚石与硬质合金结合界面处,由于这些位置上的缺陷藏而不露,人们无法从外观甄别,如图21所示,这些内部缺陷从而就成为漏网之鱼,而且比一些外观可见的缺陷更具危险性。如内部裂纹和界面分层,在制作钻头时,将PDC高温钎焊到钻头体上,由于受到700℃左右的高温,会使原本存在的裂纹或界面分层进一步扩大延伸,直接形成破坏。即使未能充分显露,在钻井过程中不断周期性地循环受力,最终会使金刚石层受到致命破坏,产生脱落。因此,将这些藏有内部缺陷的PDC排除掉,对保证PDC产品质量的稳定性,提高PDC切削齿的可靠性至关重要。

早期的无损检测借助于高频率的超声波,当金刚石/硬质合金界面有烧结不良存在内部分层现象时,超声波会有强烈的反射信号出现。这种“A”超声模式只能评价平面界面的PDC产品,随着PDC的发展,现在的PDC产品几乎都是非平面结构的,只能采用更先进的“C”超声扫描技术。现在主流PDC制造商都将此技术应用到油田复合片的检查,在100%检测的基础上,有些特殊的PDC,根据工艺要求进行二次内部探伤,虽然增加了成本,但对产品可靠性却提供了有力的技术保障。

图21 PDC典型的内部缺陷Fig.21 Typical inner defect of PDC

5.1.2 耐磨性检测

“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、钻井、拉丝等使用过程中抗磨损的性能,磨损有单纯的磨蚀性磨损及化学腐蚀性(或粘结性)磨损两种。关于PDC的耐磨性的检测,国内和国外分别采用两种不同的方法。根据我国的国家标准JB/T3235-1999,如图22所示,将 PDC作为车刀来车削标准试样(专用SiC砂轮)。此方法有3大问题:其一,PDC的工作方式与实际钻井时的状况条件相差甚远;其二,被切削材料与实际钻井时所经常遇见的地层相差甚远;其三,由于被切材料所损耗的量较小,导致金刚石被磨损的量太小,只有十万分之几克,几乎接近天平的感量,称量误差对最终数据的影响太大,甚至有时会测出金刚石的磨损量为负。

图22 国内普遍采用的耐磨性检测方法Fig.22 Popular method of testing abrasion resistance in China

图23 国际流行的重负荷切削法Fig.23 Popular method of heavy loaded cutting in international market

图23所示为目前国际上通行的检测耐磨性方法,模拟PDC在钻头体上的安装角度来切削大尺寸的花岗岩,进行重负荷切削。由于花岗岩具有很高的强度和一定的微冲击作用,PDC的金刚石磨损体积相当大,较容易进行磨损量的测量评估。

5.1.3 抗冲击性能检测

PDC的抗冲击性能是另一个重要指标,耐冲击性是指材料承受冲击载荷的能力,与材料的断裂韧性有关。方法之一,使用2～5g的小钢球落向PDC的边缘,经过反复数百次的微小冲击,观察PDC边缘的破坏情况。这种检测方式与PDC切削齿的井下工作实际出入较大,钻头的轴向压力有数吨至十几吨,而不是以克计算的。因此,有必要使用较大能量进行冲击。图24为目前国际上最先进的冲击强度试验装置。根据所测PDC的大小不同,可设置不同的冲击速度,冲击能量等,该装置的高灵敏度力传感器和位移传感器可将冲击过程、冲击锤头和PDC金刚石层接触瞬间力和功随时间的变化详细记录,以反映PDC受到冲击时微观受力状况和被破坏的时点,对研究PDC抗冲击性能有着重要参考价值。

图24 冲击强度检测装置Fig.24 Device for testing impact resistance

5.1.4 耐热性

耐热性是指PCD或PDC受热后组织和性能不发生变化时所能承受的温度与时间,热处理温度越高时间越短,耐热性实质上是一系列的温度与时间上的组合。绝大多数PDC切削齿都是通过焊接方式固定到钻头基体上的,焊接温度一般为700℃左右,而且都是采用手工焊接,施焊过程中焊枪火焰中心区的温度会高于700℃,很难完全保证PDC切削齿不会受到大于700℃的过热破坏。大部分情况是PDC处在危险温度边缘,虽还不足以使金刚石层碳化失效,但会引起金刚石层产生裂纹或硬质合金层产生裂纹(见图25)。所以要对PDC进行耐热性测试,以观察PDC切削齿的耐热性能。

在微观上也存在耐热性问题,金刚石与岩石接触点附近,很难得到充分冷却,PDC中的金刚石颗粒与岩石切削时,接触的瞬间,温度可能会高达1000℃左右,当钻头上的切削齿转出该位置时,立即受到钻井液的冷却,这样反复循环就会对金刚石形成热疲劳损伤,使金刚石层产生龟裂纹,并不断延伸扩展,造成金刚石碎裂磨损(见图26)。

耐热性的检测方法通常是将PCD和PDC加热到某一温度并保持一段时间,测量同一PCD和PDC在加热前后的耐磨性来评价耐热性能,或者也可以采用X衍射和扫描电镜来分析PCD和PDC的组织是否发生变化来确认其耐热性能。

图25 焊接后合金裂纹Fig.25 Cracks on carbide after brazing

图26 金刚石层热疲劳裂纹Fig.26 Thermal fatigue cracks on diamond layer

5.1.5 PCD与PDC残余应力

组成PCD与PDC的主要原材料有金刚石和结合剂钴、硅、硬质合金,它们的导热系数与热膨胀系数有很大的区别。在烧结过程与加工过程中,需经历很大的压力与温度变化,不可避免会在PCD与PDC的表面与内部产生残余应力,残余应力包括残余组织应力与残余热应力两种。这种残余应力会直接影响PCD与PDC的抗冲击性能和耐热性能,甚至会自行产生断裂现象,如图27所示。吉林大学和中南大学的学者用应变片或应力释放法、X射线法、Raman光谱法结合有限元模拟计算来研究残余应力的形成机制、分布规律,进而提出一些减小残余应力的技术思路和解决方案。例如非平面界面结构,结合界面采用梯度结构,适当控制金刚石层厚度等证明均是行之有效的技术手段。

图27 金刚石烧结体自行断裂形式Fig.27 Fracture of sintered diamond compact

5.2 刀具用PDC的性能检测

刀具用PDC用于切削刀具的刀尖部位,其工作环境恶劣程度不及地质钻头,对这类材料的性能评价,大都基于材料本身的一些基本物理性能。

(1)硬度与耐磨性检测

PDC的显微硬度十分接近硬度仪金刚石压头的硬度,难以准确测定。一般将PDC切割后制成标准的车刀,在诸参数一定条件下车削某些高抗磨性材料,如高硅铝合金,碳纤维增韧树脂,甚至花岗岩,测定其后刀面磨损程度,来评价PDC的耐磨性。

(1)抗弯强度的检测

采用标准的三点弯曲法,在万能材料实验机上可以得出PDC的金刚石层抗弯强度,并可通过SEM观察断口形貌,获取更多有用的信息。此值大多作为PDC开发人员的参考。

[1] 赵云良,赵爽之.金刚石烧结机理的探讨.

[2] 赵云良,江晓乐,赵爽之.复合超硬材料发展概况.

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

赵云良,教授级高工,郑州新亚复合超硬材料有限公共场所司总经理,从事PDC、PCD、PcBN研究与工业化生产。