金剛石復合片鉆頭的失效形式及工藝分析
發布日期：2015-5-13 11:44:20 信息來源：本站原創
金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compact)是由聚晶金剛石層(PCD)與硬質合金層構成的超硬復合材料，由它做成的鉆頭具有極高的耐磨性、抗沖韌性和銳利的切削刃因而在煤田鉆探中***獲得了廣泛的應用。但是在具體使用過程中，由于地質條件復雜、人工操縱、工藝處理等方面存在著不規范之處，使金剛石復合片鉆頭的上風未能很好地發揮出來，造成不該有的損失。本文從金剛石復合片鉆頭失效的形式做一些工藝方面的分析：
1、褲體的非正常磨損。
金剛石復合片鉆頭的工作條件極為苛刻，在工作中不但承受巨大的壓力，同時還承受交變的沖擊力，各種力的復合作用導致切削過程中的摩擦異常激烈，作為PDC鉆頭的基體不僅要有較強的綜合機械性能，還要由較好的熱振性和抗腐蝕性。褲體的材質、加工精度、熱處理工藝、焊后的修磨等變得很重要，這***要求褲體材質要選用優質低碳合金鋼，如42CrMo35CrMnSi等材料，加工成的褲體要進行相應的熱處理，即淬火后進行低溫回火，褲體熱處理后的表面硬度在40～42HRC之間，組織為回火馬氏體。
2、刀片的破損。
刀片的破損分為以下幾種形式：
2.1金剛石層與WC基托層的分離主要原因是金剛石涂層工藝技術欠成熟穩定，金剛石與基體的附著力較差，從而造成金剛石薄膜過早地從WC基托層上剝離而失效，極大降低了鉆頭的使用壽命及切削性能。進步膜/基附著力的工藝措施：進行表面的凈化、粗化處理，清除硬質合金刀具在制造過程中不可避免地殘留在基體表面上的污染物、吸附物、氧化物，以改變基底表面的微觀結構；往除表面附著強度較低的WC顆粒，以增加反應氣源與基體的接觸面積，增加基底表面的表面能，進步金剛石在異質基體上的成核密度，從而增強膜/基的附著力。常用的方法有：化學清洗、機械微粉嵌鑲，液體超聲波處理等。PDC熱殘余應力是造成其非正常失效的主要原因，降低PDC內部熱殘余應力是進步PDC使用性能***行之有效的方法，通過采用非平面連接技術與梯度過渡技術，可以增大PCD層與硬質合金的接觸面積和緩和由于兩種材料的熱膨脹系數、彈性模量等物理性能參數差異造成的應力集中。只有采取特定的結構形式，并加以公道的梯度過渡，才能有效降低PDC熱殘余應力，爭強其抗沖擊斷裂的能力，進步其成品率及使用壽命。施加中間過渡層：采用鈦粉和金剛石微粉燒結層，類金剛石膜，鎢/金剛石成分梯度層等方法，能較好地消除薄膜與基托因晶格失配、熱膨脹系數差異而造成的內應力。
2.2宏觀破裂
宏觀破裂***是表現為金剛石層的破裂，產生此種狀況的原因失由于鉆頭在鉆進過程種碰到硬質巖石或巖性變化較大的巖層時，受到較大的交變沖擊，使切削齒在短時間內承受超負荷而導致宏觀破裂，鉆頭報廢。措施：操縱職員要根據鉆機的性能選擇與之相匹配的PDC鉆頭，在鉆探過程中保持穩定的鉆壓、鉆速，盡量避免大的沖擊；在材料制造過程中進步各層間的結協力，改善材料間的熱脹系數的匹配，盡量減少內應力，也是減少宏觀破裂的有效工藝措施。
3 脫焊。
由于PCD的焊接工藝性差，各種參數控制要求高，操縱中稍有不慎，便可導致PCD在使用過程中的脫焊，致使鉆頭報廢。
工藝措施：由于PCD答應的加熱溫度受限制(一般不答應超過760℃～800℃)，一般選用銀基釬料，采用感應釬焊或火焰釬焊。焊縫強度取決于被連接材料的組織和狀態、釬焊過程和刀片與基體等三個方面。
(1)被連接材料的焊前處理：
結合面的設計：包括基體結合面的粗糙度、幾何角度、形位公差的確定，PCD刀片的結合角度。***基本的思想是在保證焊接強度的條件下實現單面焊接和焊接應力趨于***小化。幾何尺寸的檢驗：裝配間隙應在0.10～0.15mm，中間間隙應不大于四周間隙。往除表面的氧化皮和油污：噴砂后水煮清洗，焊接前用丙酮清洗。
(2)選用合適的釬料和釬劑：釬料的選擇既要滿足刀具的使用條件又要符合刀片和基體材料的要求。一般選Bag6xx系列釬料和J102焊劑。
(3)釬焊過程的控制：釬焊時，首先加熱涂過釬劑、加過釬料的刀柄，當釬料開始熔化時放上刀片，當釬料自由活動后停止加熱。往返往復移動刀片，但當釬料失往光澤焊縫溫度下降到液相線時，不再移動刀片，靜止--保溫--加壓，直到釬縫變暗為止，焊后應將鉆頭放進保溫箱中緩冷，不得急冷。
(4)焊后處理：焊后應及時清洗過量的釬劑和表面氧化皮。采取噴砂和熱水浸泡即可完成處理過程。
