国内品牌深圳海明润复合片厂家供应金刚石复合片PDC复合片

1.6 PDC性能的检测方法与影响因素

根据钻探用PDC 的使用要求，目前耐磨性、耐热性和抗冲击性是衡量PDC 性能优劣的主要指标。许多国内外的学者对影响聚晶金刚石复合体性能的因素进 行了大量的研究[23261: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、结构细化以及烧结工艺等方面。

1.6.1 耐热性

PDC 的耐热性是指复合体在受热后组织与性能不发生变化或变化极小时所 能承受的高温度及相应的时间。热处理的温度越高，经受的时间就越短。耐热
性实质上是一系列的温度与时间的组合。

1.6.1.1 耐热性的检测
耐热性的检测方法有两种； 一种是通过金相、SEM 、X 射线衍射等手段观察 PDC 的多晶金刚石层热处理前后的微观组织、多晶金刚石层与硬质合金层界面 的结合状况以及物相变化来确定。温度超过 PDC 的耐热极，金刚石层表面 会发生明显氧化、出现微裂纹，甚至开始石墨化。随着热处理时间的延长，石墨 化加剧，由于金刚石向石墨化转变时体积膨胀约50%,由此产生的应力将导致 PDC 出现开裂和分层。采用仪器观察的方法来确定PDC 的耐热性极限虽然麻烦，但比较准确。第二种方法是通过测量 PDC 的多晶金刚石层热处理前后耐磨性的
变化来确定，过热的 PDC 轻者耐磨性下降，重者则产生裂纹和碳化，耐磨性完 全丧失。此外还可以用差热分析仪来测定 PDC 的初始氧化温度，以此来评价PDC
的抗氧化性和抗石墨化性能。
De Beers公司工业金刚石部对他们的 PDC 产品 Syndite 与 Syndrill 作热稳定 性试验采取的方法是把热处理前后的 PDC 分别制成车刀，进行车削试验，通过 车削工件后 PDC 的磨损面大小来比较其耐磨性能，以热处理后耐磨性能不下降 的热处理温度与时间作为耐热极限。为确保 PDC 性能不下降，把极限耐热温度 再下降50°C 标定为安全工作区。De Beers公司指出：如果制造 PDC 工具时采取 一分钟时间焊接工艺，那么对于 Syndite 和 Syndrill超过775°C 的温度都是不可 取的127。另据GE 公司的介绍，制造 Compax 刀具或 Stratpax 钻头时，其焊接温 度不宜超过700°℃,超过此温度会使其耐磨性下降，或产生热应力导致裂纹、PCD 层与硬质合金层分离。因此上述 PDC 工具在制造时通常采用高频感应加热，低
温钎焊技术，使用熔点低于700℃的银焊料，焊接时间不超过一分钟。

1.6.1.2 影响耐热性能的因素及其改善方法
赵云良等人认为28影响PDC的热稳定性的主要因素是高温下金刚石的石墨 化，其次是氧化。石墨化和氧化的速度与 PDC 金刚石层的组分、加热温度、加 热时间及加热气氛有关。PDC 中的钴在高温下能融蚀金刚石表面形成钴的碳化 物，并加速金刚石的石墨化。人造金刚石在空气中的起始氧化温度只有690°C 左右。在空气中加热时，金刚石会出现石墨化并伴随着氧化的过程，但多晶金刚 石层中绝大部分金刚石晶体没有暴露在空气中，所以氧化不是影响其性能下降的 主要原因，在保护气氛中加热 PDC 只能稍微防止其性能下降。归根到底，金刚 石石墨化才是使PDC 热稳定性下降的主要原因。
实现金刚石颗粒之间的键合是提高PDC 性能的关键。目前的方法是：1)在 金刚石原料中加入石墨；2)对金刚石初始原料进行石墨化处理。然而实践证明， 在原料中添加石墨粉，烧结后的 PDC 金刚石层难免夹杂石墨，从而影响复合体 的耐磨性。在烧结过程中应有效的控制金刚石表面石墨化，利用石墨的溶解度与 金刚石的溶解度之差，来使石墨不断溶解于钴液中，并不断地以金刚石的方式再 结品生长，以此推动钴液向金刚石层方向扩散迁移并扫越整个金刚石层使粉料完 成烧结从而获得均匀致密的PDC。
关于金刚石原料的石墨化，日本有学者认为金刚石初始原料进行石墨化处 理对改善 PDC 的性能是必要的。我国人工晶体研究所的研究人员也提出了可采 用金刚石初始原料进行石墨化处理l²9), 这样有以下几个方面的优点：(1)均匀活
化金刚石表面有利于金刚石颗粒之间的均匀粘结，从而在金刚石颗粒之间形成


D-D结合；(2)在高压条件下有利于金刚石颗粒密集排列，实现致密化；(3)有 利于保护金刚石颗粒的完整性，避免高压破损；(4)可缩短烧结时间；(5)在烧
结过程中有利于助烧结剂(如钴)在金刚石颗粒间的扩散迁移。
在烧结过程中金刚石表面的石墨化，对完成烧结过程具有重要的作用，然 而有许多学者对此的认识却意见不—[30-33]。有学者认为通过使作为原料的金刚石 颗粒表面石墨化，然后再使石墨化的金刚石表面转变成金刚石，使金刚石颗粒结 合起来是很难做到的。因为石墨的形成是金刚石变成无定形碳以后再结晶成石墨 或溶解在金属中的碳再结晶出来的结果，而不是由金刚石直接转变成石墨的。还 有可能是杂质金属与金刚石发生化学反应，使金刚石发生了非金刚石化，出现了 无序化的碳。即使用高温的方法让金刚石表面石墨化，在石墨化发生之前金刚石 内部的结构就已经受到了破坏。国外有学者认为烧结过程中金刚石表面石墨化发 生在催化金属熔化之前，由于此时高压腔体中的晶粒不是均匀受压，处于晶粒间 隙处的自由表面并未受到压力的作用，处于碳平衡相图的石墨稳定区，从而导致
石墨化。
用钴液扩散浸渍法合成 PDC 材料时，金刚石层的钴含量一般占体积的10 %左右，由于该材料的聚晶金刚石层残留金属钴，高温时在聚晶金刚石的界面上 易使金刚石石墨化，同时由于金刚石与钴的热膨胀系数相差很大(分别为 1.18×10⁶ °C和12.2×10 C), 因而在聚晶金刚石的界面处会产生热应力。因此 这类PDC材料有一个很明显的缺点，即热稳定性差。H.P.Bovenkerk 提出了用酸 浴法处理复合体，提高 Compax 热稳定性的方法，即用加热的王水长期(如五 天)浸泡 PDC, 可把其金刚石层中99.5%以上的钴溶解掉，留下交错生长搭接的
金刚石骨架(图1-8),用这种方法处理的复合体的耐热温度可以达到1150°C,



图1-8 酸浴法去钴后的 PDC 金刚石层表面

产品主要用于制造石油、天然气或地质钻井钻头。但这种方法在除去了金属相的


同时也形成了孔隙，PDC 层的强度会有一定程度的下降。据文献13S报道，酸溶 蚀后PDC 的抗压强度下降了10%,横向断裂强度 (TRS) 则降低了20%。同时 孔隙的形成增加了PDC 层中金刚石与空气的接触面积，增加了PDC 层氧化的机 会，特别是在高温下更容易氧化。另外，金属相被除去后，PDC 层的导电性减
小，用放电方法难于加工的缺点也就表现出来了。
为解决上述问题， P.D.Gigl 提出在酸溶蚀后的金刚石层表面镀一薄层(如 10微米)金属(如 Ti 或 Ni)136), 则金刚石的氧化速度会因空气的隔离而大减， 甚至比大颗粒单晶更难氧化。还有学者在高压下用硅合金来浸渍已通过酸浴法去 除了钴的PDCl³7I, 这种方法可有效防止空气进入PDC 金刚石层内的孔隙，不但 提高了 PDC 的热稳定性，强度也有明显增加。不过该方法需利用压设备二 次加压，成本很高。


1.6.2 耐磨性

耐磨性是指PDC 的多晶金刚石层在切削、钻井、修正砂轮等过程中抗磨损 的能力。金刚石复合片的耐磨性是衡量其质量水平的一个重要指标，作为新型的 超硬材料制品，经过多年的研究与生产，PDC 的质量水平不断提高，磨耗比也 越来越高。因此，如何准确的测定其磨耗比就成了各 PDC 生产厂家和用户的一 个很现实的问题。

1.6.2.1 国内外 PDC 耐磨性的测试方法简介
耐磨性是衡量 PDC 质量的一个重要指标，但迄今为止国际上也没有制定统 一的测试标准，几个主要生产PDC 的生产国均有其自己的测试方法。美国的 GE 公司所采用的方法是用 PDC 来车削一种结构均匀的花岗岩(Barre Granite)棒 (①254mm), 切削速度为180m/min, 切深1mm 给进0.28mm/rev。车削时用测力 计测PDC 的受力大小(图1-9)。车削一定数量的花岗岩后，观察PDC 的磨损量。 磨损量是用投影显微镜测量被磨损部位的长宽尺寸，然后通过计算机算出其体 积，进行比较。英国De Beers 公司的测试方法与 GE 公司的类似。
前苏联对PDC 耐磨性的测试是用 PDC 来刨削地区采来的石英砂岩。石 英砂岩来自顿涅茨地区托列兹露采厂，尺寸为500×300×250mm 。PDC 固定在牛 头刨床的刀夹上，测试时，切削速度为0.55m/s, 切深0.5mm, 横向给进2.8m/ 行程，每片PDC 样品检测的切削长度为50±1m 。PDC 的磨耗值为其金刚石层磨 损面中心部分的线高度(用工具显微镜测量，误差为±0.03mm)l³8]。
近，韩国报道了一种测试PDC 耐磨性的方法，即选用ISD-1600 的50/40



图1-9车削法测试PDC 耐磨性

金刚石6克拉，将PDC复合片置于容器中以150转/分的转速，互磨4小时，然后称
量PDC的重量损失[391(图1-10)。
目前还有一种测试方法，主要是通过XRD 、Raman 光谱及SEM 等对PDC进 行综合测试，这几种方法综合使用不仅可对PDC金刚石层的耐磨性能做出准确的 判断，还能给出造成PDC金刚石层耐磨性差异的原因进而提出改进方法，这种方
法主要被研究机构采用。


图1-10 金刚石研磨法测试 PDC耐磨性

我国于1983年颁布了“JB3235-83 金刚石烧结体(聚晶金刚石)的检测标 准”,该标准所采用的仪器由桂林金刚石厂陈朝华、彭为云等研制，郑州磨料所 汪荣华、黄祥芬，桂林金刚石厂方啸虎等进行测试方法和标准的研究。目前国内 PDC 生产厂家仍普遍使用这一测定方法。该检测标准规定140)用PDC 的边棱来修 整TL80*Z₂AP100×16×20mmSiC 砂轮(见图1-9),当砂轮的磨耗量超过25g,PDC
磨耗量不低于0.2mg 时，测定 SiC 砂轮与PDC 的失重的比值，此即磨耗比。



1-磨耗比标准砂轮；2-PDC试样；3-水冷夹具；4-固紧夹座；5-被动缸活塞； 6-负荷；1-负荷托盘；8-主动缸活塞；9-塑料油管；10-摆动工作台
图1-11 磨耗比测定仪原理示意图

1.6.2.2影响PDC 耐磨性的主要因素
影响 PDC 耐磨性的主要因素有以下几个方面：
(1)耐磨性的高低与 PDC 的合成温度、压力、烧结时间有关。实验表明： 在较短的时间内，烧结温度略高时对烧结有利。这样能促使助烧结剂迅速熔化、 扩散与金刚石发生反应。烧结温度偏低时，助烧结剂未能全部熔化，部分以颗粒 甚至以团状存在，从而导致 PDC 耐磨性低。如果烧结时间过长，金刚石石墨化 趋于严重， PDC 耐磨性急剧下降，且金刚石晶粒有长大的趋势，强度受到破坏； 同理，烧结时间过短，助烧结剂没有充分扩散，PDC 耐磨性及强度都很低。另
外，提高合成压力，有利于提高PDC 的致密性，进而提高其耐磨性。
(2)在相同的制造工艺下 PDC 耐磨性取决于所用金刚石原料的粒度与晶 形。 一般来说，采用Ⅱ型金刚石破碎的微粉合成的 PDC, 其耐磨性明显优于用 I型金刚石破碎的微粉制得的PDC; 研究表明，PDC 耐磨性随金刚石微粉粒度的 增加而增加，但其横向断裂强度 (TRS) 则随金刚石粒度的减小而提高。因此，
合成 PDC 所用金刚石的粒度应根据加工对象和使用环境来选择。
(3)PDC 耐磨性与助烧结剂的含量有关。对于烧结完好的 PDC, 其耐磨 性与PDC 金刚石层中所含金刚石的体积成正比。细粒度金刚石由于比表面积大， 通常需要较多的助烧结剂才能完全烧结，这使得金刚石体积浓度不可能很高，耐 磨性因此较低；采用粗粒度的金刚石合成的 PDC 由于助烧结剂含量低而显得更
耐磨。

1.6.3 耐冲击性


耐冲击性是 PDC 承受冲击载荷的能力，其主要体现为在冲击作用力下多晶金刚石层中金刚石颗粒不剥落，金刚石层不产生裂纹、崩刃，PDC 不分层。

1.6.3.1 耐冲击性能的检测
PDC 作为切削工具，被广泛应用于油气钻井作业中，在钻进时由于轴向力 和水平切削力的联合作用、钻具与孔壁的摩擦、钻杆柱的弯曲、孔底不平、残留 岩粉、钻机震动等因素的影响，使得钻头上的PDC 受到冲击。PDC 抗冲击性 能反映了产品的韧性和结合强度，是一项综合指标，也是决定其使用效果好坏的关键所在。因此，对PDC 进行抗冲击性能测试具有非常重要的实际意义。
国内外许多超硬材料生产和科研单位在寻找合适的 P D C 抗冲击性能测试 方法方面做了大量工作。到目前为止， PDC 抗冲击性能测试方法主要有高速运 动颗粒冲蚀法、落锤冲击法、PDC 车削带槽花岗岩棒旋转撞击法以及赵尔信等 人研究的可变换冲击功落球式冲击法等]。
(1)高速运动颗粒冲蚀法
美国 GE 公司采用该方法测定其产品的抗冲击性能。其基本原理是用硅粉 或玻璃粉作为抛射材料，利用电容放电原理使这些粒子获得动能，形成高速粒子 流，冲击被测试的试样表面，使其产生侵蚀破坏，测得试样受冲击前后的质量损 失，根据试验所采用喷射物质的种类、粒子流的速度及质量损失比作出曲线作为 其抗冲击性能的标准指标。该测试系统由高能电容器组、发射装置、高速分幅测
速相机及抛射体组成，对设备的要求较高，不易推广应用。
(2)落锤冲击法
目前广泛采用的 PDC 耐冲击性测试是单齿落锤冲击试验，分为大功率落锤 和小功率落锤两种。大功率落锤的锤重可达3.5kg, 大冲击高度3m, 单次冲击 功可在58.8-103焦耳范围内调节。美国合成金刚石公司 (Synthetic diamond Co) 采用的大功率落锤冲击仪[42]如图1-12所示。
吉林大学张祖培等人[43]近年研制成功的 “DFZY 型落锤式冲击功测定仪”属 于小功率落锤，大冲击功为2焦耳。目前在国内一些PDC 生产与应用单位也 得到采用。这种仪器利用大功率电磁线圈把冲锤吸起，继电器关闭停电，冲锤靠 自重下落产生冲击能量。PDC 承受一定冲击次数后会出现崩缺。调整定位螺杆 和横梁高度可调节冲锤行程和冲击功大小。该仪器控制部分可显示冲击次数，能
打印输出测试结果，使用起来比较方便。
(3)PDC 车削带槽花岗岩棒旋转撞击法
将PDC 制成车刀，以一定的转速和进给力横切带槽花岗岩棒，以车刀发生





Strike
plate


Impact velocity
~3 m/sec
PDC test
sample




图1-12 落锤式冲击测试法

崩刃、分层或破碎时所经受的冲击次数作为其抗冲击性能的指标。其测试原理如
图1-13所示。


图1-13 车刀撞击法原理示意图

这是一种疲劳冲击测试方法，虽很好地模拟了PDC 的实际工作情况，但由 于很难找到各项性能指标完全相同的花岗岩棒，测试结果可比性较小。另外，测
试时还将PDC 焊接在刀架上。
英国 De beers 公司采用硅铝合金做材料，制成圆形工件，工件上每隔180 度有一个V 形槽，测试时采用100mm/min的切削速度，单次切削深度为1mm. 以 试样失效时所经过V 形槽的次数作为测试指标来比较PDC 的抗冲击性能和粘结
质量。
(4)可变换冲击功落球式冲击法
该方法是北京探矿工程研究所赵尔信等人研究出来的，在国内得到了一定
程度的应用，其原理是将钢球在一定高度自由落下，钢球的势能转化为动能(冲 击功),利用该能量冲击试样进行测试。适用于测定各种金刚石聚晶和 PDC 的冲 击韧性。测试时，使冲球逐次冲砸 PDC 的边缘部分，以试样表面出现可见裂纹 或产生破碎时，得到的冲击功值作为衡量其抗冲击性能的定量指标，用冲击功表
示，单位为焦耳。
此种方法在原理上是完全可行的，且操作简便，测试误差也能满足要求(< 5%),对于聚晶金刚石的冲击性能测定来说是一种比较理想的测试方法，但由于
单次冲击功太小(0.3焦耳),测试 PDC 的冲击性能不太合适。

1.6.3.2 耐冲击性能的分析
耐冲击性的高低与硬质合金的钴含量、金刚石层厚、金刚石颗粒自身的结 合情况、金刚石层与硬质合金基体界面形状以及烧结工艺等许多因素有关。危害 性大的是分层。PDC 分层的主要原因有：1、烧结温度、压力不合适，使金刚 石偏离了其热力学稳定区，金刚石产生了石墨化现象，降低了多晶金刚石层与硬 质合金层界面的结合强度；2、烧结 PDC 用的压设备卸压不同步。
硬质合金作为基底材料既有很好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊接 性，但仍然存在一些问题。PDC 在制造过程中要经受很高的温度，由于硬质合 金的热膨胀系数比金刚石大得多，因此，在结合界面将产生失配热应力，这种界 面失配热应力的存在可能在多晶金刚石层与硬质合金层的界面形成裂隙，严重时 会产生分层脱落。
据统计分析： PDC 钻头在应用中被损坏，33%是由于金刚石层与硬质合金 基体分层44|。因此，界面粘结的牢固程度是一个十分关键的问题。国内外很多研 究者在这个问题上做了许多工作，其中就有通过改变界面形态来提高结合强度的 方法，金刚石层和基体的界面可以做成各种不同形状4。如 Flood⁴0) 介绍的一种 PDC 界面是锯齿形的，这种连接方式增加了PDC 的抗冲击性能和抗剪切能力， 相应提高了复合体的质量。但是由于硬质合金与金刚石的膨胀系数及弹性模量的 差异，在沟槽或突起处金刚石和硬质合金接触的地方，受热时容易产生残余应力 集中，较好的解决方法就是减少常近界面的硬质合金中钴的含量。Johnson⁴7 对 此所作的改进是将基体的锯齿处作为粘结剂的钴含量控制在3-9wt% 左右，而基 体内部的钴的平均含量为10-16wt%, 这样做的目的是尽量使金刚石层和基体的 膨胀系数趋于一致，以降低锯齿处的残余应力。此外还有正弦曲面状的界面 、沟槽状界而等许多形式。试验和现场的应用情况都证明了这种非平面界
面复合片的冲击韧性和抗剪切能力都有了较大的提高。
美国的 D.R.Hall⁵0 提出了一种改进方法来增强界面结合。它是在金刚石层
和硬质合金之间增加一层含碳化物的金刚石过渡层，该过渡层与硬质合金基体的 热膨胀系数更为接近，使界面应力减小。其次，使基体到 PCD 层不会出现钴浓
度变化很大的区域，从而使应力集中小化。
叶玉屏(51)等人提出了带保护层的PDC。这种复合体(如图1-14)由保护层、


图1-14 带保护层的 PDC

多晶金刚石层和硬质合金基体组成，保护层厚度为0.2--0.3mm。据称该复合体的 抗冲击和耐磨性能比普通复合体分别提高80%和20%。用于钻头上在7级破碎 地层中钻进时平均进尺比普通 PDC 钻头提高一倍以上。

成立于2000年，总部位于深圳，是一家从事超硬复合材料的研发、生产和销售的高新技术企业。
海明润主营产品为石油天然气钻探用金刚石复合片、精密加工用刀具材料、矿山钻孔及采掘用金刚石工具。是国内技术实力雄厚、生产规模较大的超硬复合材料生产商，石油天然气钻探用金刚石复合片领域更是处于国内水平。
海明润以的产品性能，高稳定性的产品质量，以及的服务在海内外树立了良好的品牌形象，产品不仅，还到美国，加拿大，欧洲等多个国家和地区。

　　金刚石复合片海明润创造了具有自主知识产权的核心技术，形成了具有自身特点的技术体系。公司拥有一支实力较强的研发队伍，研发硬件和检测分析手段已达到国际水平。


　　海明润生产的金刚石复合片出口销往美国、加拿大、俄罗斯、欧洲等国家和地区，并被国内各大油田和大型钻头厂长期选用，以国内的，高稳定性，高性价比为主要特色而树立了良好的海明润品牌形象。

　　海明润金刚石复合片始终把产品质量看作生命线，在工作中遵循“勤恳做事、踏实做人，认真对待每一个细节”的企业精神。目前金刚石复合片公司已通过ISO9001:2008质量管理体系、ISO14000:2004环境管理体系及OHSAS18001:2007职业健康安全管理体系认证。

金刚石复合片公司注重引进技术人才，研究目标始终对准国际水平，已获得一批拥有立知识产权的专利技术，为公司长期可持续发展打下坚实基础。目前已获得7项发明专利和11项实用新型专利1项外观专利，专利申请数量一直在快速增长。拥有的研发硬件实力，现有扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDX)、X射线物相分(XRD)、定量金相显微镜、超声波无损探伤检测仪(C扫描)、抗冲击测定仪、大型磨耗比检测立式数控车床(VTL)等的检测设备。金刚石复合片
联系电话： 赵经理 金刚石复合片