金刚石复合片
金刚石复合片钻头/PDC drill bit
金刚石复合片（PDC）是在高温高压条件下，由人造金刚石与硬质合金一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金刚石硬度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金抗冲击性强、出刃大等特点，用它做钻头的刀翼可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层和坚硬岩层的理想钻头。本系列金刚石PDC钻头，托体采用优质钢材锻压成型，经过真空全自动热处理设备进行增加机械性能处理。普通型采用国内优质复合片做刀翼，超强型采用美国ＧＥ公司生产的刀片，根据地质条件的不同选用相应的质量等级，可达到更高的性价比，达到节能高效的经济指标。
金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业。两翼PDC锚杆钻头（标准型）适应岩层八级以下，在同等岩层条件下钻进寿命是普通合金钻头的10-30倍，效率至少提高60%以上，不需修磨，大大降低工人的劳动强度，节约工时。两翼PDC锚杆钻头（加强型）刀翼关键原材料由美国ＧＥ公司生产，其金刚石含量是普通钻头的１.５倍，耐磨性极好，效率显著提高，综合成本降低，适应１２级以下中硬岩层。高强型金刚石钻头刀翼采用最新研制的球型金刚石刀片，特点是钻进速度快，抗冲击能力强。当钻头钻进时，唇边用于正常均匀地层岩石的刮削，突出部分可以抑制钻头钻进过程中遇到缝隙时瞬间大幅
度进尺,大大降低了钻头的意外损坏，提高了应对复杂岩层的钻进水平。
金刚石生产工艺流程
金刚石生产工艺一、生产工艺流程
二、生产工艺简介 1、将原料叶腊石，按粒度为16目、24目，80目分选，然后按2：6：3的比例混合，混合后 在280 0C温度条件下焙烧l小时后制成内腔为中20mm的合成腔体，将破片的杂质和粉尘去掉，将触媒清洗后置入烘箱保持”℃恒温。 2、在内腔为中20 mm的合成腔体内分层交替装入碳片，触媒，两端客为两个碳片、碳片为 15片.触媒为12层，在两端的两个碳片外各装一个导电铜圈制成合成块，将合成块置于烘箱内，使之处于140℃恒温状态，保持9小时。 3、将烘过的合成块装入压机内，在压力为110MPa -120MPa,温度为1400℃-1500℃的条件下 保持12分钟将破转化为金刚石。 4、将压机内的合长块取出，进行破碎，使金刚石颗粒和内部杂质暴露。 5、电解法去除金属介媒，合成棒作为阳极，硫酸盐作为电解液，惰性阴极，化学反应式： 阳极：M－ne→Mn+ 阴极：Mn+＋ne→M M表示Ni、Co、Mn等金属原子；Mn+表示相应的n价金属离子。 6、将电解完的物料放入球磨机进一步粉碎，使金刚石颗粒和石墨进行分离。 7、将球磨完的物料放入摇床进行石墨分离，该工艺主要利用金刚石和石墨在密度上的差异， 在往复摇动的倾斜工作面上，流体对其冲刷实现分离。 8、分选完的金刚石放入酸水中，进一步去除金属杂质，利用销售和王水等强氧化性酸，和金 属反应生成可溶性盐，经水洗即可去除金属杂质，化学反应式： 3Ni＋2HNO3＋6HCl＝3NICl2＋2NO↑＋4H2O 3Co＋2HNO3＋6HCl＝3CoCl2＋2NO↑＋4H2O 3MN＋2HNO3＋6HCl＝3MnCl2＋2NO↑＋4H2O 9、除叶腊石，将酸洗过的金刚石物料加入氢氧化钠进行高温煮沸，化学反应方程式： Al2(Si4O10)(OH) ＋10NaOH→△→2NaAlO2＋4NaSiO3＋6H2O 10、将碱洗过的物料进行烘干，烘干后使用不同目数的筛子进行筛分分级，筛分后使用选型机进行等级分选。 11、将筛分选型好的物料按照每袋1万克拉进行包装入库。
Φ48金刚石复合片钻头
Φ48金刚石复合片钻头 一、产品参数 Φ48金刚石复合片钻头 直径(mm)Φ48 钻压（Kg）300-700 转速（rpm）300-350 泵量（1╱min）120-160 生产工艺优质钢材锻压成型 主要用途金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘 探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业关键词三翼金刚石钻头
二、产品特点 金刚石复合片（PDC）是在高温条件下，由人造金刚石与硬质合金一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金刚石硬度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金抗冲击性强、出刃大等特点，用它做钻头的刀翼可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层和坚硬岩层的理想钻头。本系列金刚石PDC钻头，托体采用优质钢材煅压成型，经过真空全自动热处理设备进行增加机械性能处理。 普通型采用国内优质复合片做刀翼，超强型采用美国GE公司生产的刀片，根据地质条件的不同选用相应的质量等级，可达到更高的产品性价比，达到节能高效的经济指标。 高强型金刚石钻头刀翼采用最新研制的球型金刚石刀片，特点 是钻进速度快，抗冲击能力强。当钻头钻进时，唇边用于正常均匀地
层岩石的刮削，突出部分可以抑制钻头钻进过程中遇到缝隙时瞬间大幅度进尺，大大降低了钻头的意外损坏，提高了应对复杂岩层的钻进水平。 本公司生产的金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业。两翼PDC锚杆钻头（半片标准型）适应岩层八级以下，在同等岩层条件下钻进寿命是普通合金钻头的10-30倍，效率至少提高60%以上，不需修磨，大大降低工人的劳动强度，节约工时。两翼PDC锚杆钻头（半片加强型）刀翼关键原材料由美国GE公司生产，其金刚石含量是普通钻头的1.5倍，耐磨性极好，效率显著提高，综合成本降低，适应12级以下中硬岩层。 三、其他产品参数 金刚石复合片（PDC）钻头钻进规程建议参数表： 行号规格mm 钻进规程参数 钻压（Kg）转速（rpm）泵量（1╱min） 1Ф28300—700300—350150—200 2Ф30300—700300—350150—200 3Φ32300—700300—350150—200 4Φ48300—700300—350120—160 5Φ56320—800250—350130—180 6Φ75480—1200200—300150—200 7Φ94640—1600150—250200—250 8Φ110880—2200120—200200—300 9Φ1521500—3000100—200500—850 10Φ1901800—4000100—200600—1200 11Φ2302200—4500100—200750—1400 12Φ2702400－5000100—2001000－1500
聚晶金刚石复合片及其生产工艺简述
聚晶金刚石复合片及其生产工艺简述 （1）聚晶金刚石复合片 全部选用国产原材料，经过重新整形、提纯、净化、配料、组装等工序，在国产六面顶（液）压机上，采用先进的超高压-高温合成工艺，生产聚晶金刚石 复合片坯料 (1)???? Polycrystalline diamond compact (PDC) ?Select and use domestic raw materials, and after the procedures of re-coining, purification, purging, burdening and assembling, use advanced ultra high pressure-high temperature synthesis technology to produce polycrystalline diamond compact (PDC) billet on the domestic cubic (hydraulic) press. ? 聚晶金刚石复合片具体生产工艺简述： 1）根据订单和公司计划下达生产任务单； 2）原料、辅料的购置； 3）整形：对金刚石的形状进行严格控制，对所购原料进行重新整形，尽量去除长条形等不规则形状的金刚石颗粒，获得圆度好的、基本上为球形的金刚石 颗粒； Introduction of the specific production technology of polycrystalline diamond compact (PDC): 1) Assign production tasks in accordance with the orders and company plan; 2) Purchase raw materials and auxiliary materials; 3) Coining: strictly control the diamond shape, re-coin the purchased raw materials, and do the best to eliminate the diamond particles with irregular shapes such as strip ones to obtain diamond particles with good roundness and which are basically spherical. ? 4) 分级：将混合粉料放入烧杯中，加入超净化去离子水，搅拌混合均匀，根据不同粒度沉降时间不同的原理选取所需粒度，使用激光粒度分析仪对粒度的 分布进行精确测量； 5）净化：对金刚石微粉、钴粉及其他原料进行氢气还原处理；氢气还原处理工艺：在氢气还原炉中处理，依据材料的不同选择不同的处理温度，大致范围 为500-800℃； 4) Classification: put the mixed powder into the beaker, add super-purgative deionized water, stir and mix it evenly, select required particle size in accordance with the settling time theory of different particle sizes, and use the laser particle size analyzer to accurately measure the distribution of particle sizes; 5) Purification: perform hydrogen reductive treatment to diamond micro-powder, cobalt powder and other raw materials; hydrogen reductive treatment techniques: process it in the hydrogen reducing furnace, select different treatment temperatures in accordance with different materials, and the proximate range should be between 500-800℃; ? 6）配料：按照一定的比例将金刚石与钴粉、以及少量的微量元素进行混合，其中金刚石的粒度严格控制，强调平均粒度以及不同粒度的配合比例。所配原料
金刚石合成理论与工艺设计
前言 1.金刚石的性质和用途。 金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。与其他材料相比，金刚石具有最大的原子密度（176 atoms/nm3），最大可能的单位原子共价键数目（4），极强的原子键合能（7.4eV）。这使得金刚石具有许多极限性质：最高硬度，最高热导率，最高传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P型或N型半导体。 人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。金刚石的推广应用在光学玻璃冷加图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图
工、地质钻探、瓷、汽车零件等机械加工，金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。 表1 金刚石的一些极限性能和用途
2．人造金刚石合成的历史 由于金刚石的优越性质，长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。早在1772年，法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是CO2，1792年，S. Tennan发现金刚石是碳的一种结晶形态。从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。1880年，J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石，现列于大英博物馆。1893年，诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法，用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融，然后用水急冷做了合成金刚石的尝试，后来经证实并未获得成功。二十世纪四十年代，另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备（有的压力超过了5GPa），并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学的计算为高温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据。1953年2月15日瑞典ASEA（General Electric Company of Sweden）的科学家宣称合成出人造金刚石，但由于其工作没有正式发表，没能获得广泛的承认，他们使用的是六面顶压机，样品由Fe3C和石墨组成。人类首次真正合成金刚石是1954年12月16日美国GE公司的H.T.Hall, F.P.Bundy, H.M.Strong, R.H.Wentorf四位科学家率先完成，他们使用两面顶压
浅谈聚晶金刚石复合片(2)
这种情况下会造成初期的时候机械钻度速度很快但又会很快下降并使钻头报废。采用切割片，可选用较大尺寸的复合片，使钻头底唇在钻进过程中保持比较好的圆弧底唇，使复合片得到充分的利用，从而使钻头获得较长的寿命。 4、钻头的制造，除了机械加工，复合片钻头制造的关键环节是基体的制造和复合片的焊接。基体制造。聚晶金刚石复合片钻头模具是由底模、中模、上模三部分组成，中模和上模设计、加工都很容易实现，但底模是具有复杂曲面特征的实体，钻头冠部形状参数、切削齿位置和方向参数、水力结构参数等都是通过底模的形状来保证的，因此，聚晶金刚石复合片钻头底模的设计和加工是聚晶金刚石复合片钻头模具设计和加工的关键。目前我国聚晶金刚石复合片钻头模具的制造主要有二种方法。一是普通车床车削，通过手工划线定位、普通铣床铣削完成加工，再通过多道工序最终。这种加工方法设备的精度低、人为误差大，难以控制和保证质量，工人劳动强度大、生产成本高、工作效率低。二是通过数控机床加工，通过数控加工指令，利用数控机床进行加工，形成钻头的冠部形状和切削齿的定位，再通过手工修模等工序形成模具。这种加工方法并未实现完全意义上的数控加工，切削平面确立、过渡等过程仍需手工进行，同样存在人为误差，加工出的钻头底模模具精度低。另外，由于复合片其基体为硬质合金，聚晶层为单晶的金刚石微粉和粘接金属，是由两层不同的材料组成，因此，在加热时，由于两层的不同材料的热膨胀系数不同，于是在粘接金属和金刚石之间聚晶层与基体之间产生一定程度的应力，这种应力导致复合片在不高的温度时就容易破坏。为了避免复合片的破坏，目前来说复合片的焊接温度均小于750° 二、钻头失效原因及对策 聚晶金刚石复合片具有一些特殊的性能比如：(1)硬度极高。聚晶金刚石复合片是目前人造材料中最硬的，硬度大约为10000HV左右，甚至其硬度比硬质合金都要高很多；（2）耐磨性很高;(3)热稳定性好;在聚晶金刚石复合片钻头的工作环境中，井底环境较为复杂，另外钻进过程中会产生并累积大量的热量，热量累积过多的时候就会影响钻头使用。(4)抗冲击能力好。聚晶金刚石复合片抗冲击以及韧性、粘结强度是一个综合性能指标，很大程度上决定聚晶金刚石复合片钻头使用效果。 钻头失效一般有以下磨损。 1、平滑磨损 PDC切削齿的平滑磨损的特征是磨损面宏观上表现为较为平整，其金刚石层和WC基托均在切削过程中被磨损而形成磨损平面。在切削过程中，因为WC硬度要比金刚石低，所以WC基托会最早遭受磨损，一旦WC基托被磨损之后临近WC基托的金刚石就失去了有效支撑，容易形成唇边. 在唇边生成之后又在频繁的切削力作用下，唇边承受着拉应力，并导致拉应力裂纹出现并逐渐扩展，最终唇边断裂，唇边破裂之后会导致未破裂的金刚石层与岩石接触面积减少，承受应力更大，恶性循环之后又加速导致金刚石片的破裂，一旦金刚石片整个接触面均遭到破坏，就又会造成基托重新有效地接触岩石，平滑磨损过程是缓慢的，属
金刚石合成理论及工艺
1.金刚石的性质和用途。 金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。与其他材料相比，金刚石具有最大的原子密度(MGatoms/nn?),最大可能的单位原子共价键数目(4),极强的原子键合能(7.4eV)。这使得金刚石具有许多极限性质：最高硬度，最高热导率，最髙传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P型或N 型半导体。 图1立方金刚石的晶胞空间结构示意图 人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。金刚石的推广应用在光学玻璃冷加工、地质钻探、瓷、汽车零件等机械加工，金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。 表1金刚石的一些极限性能和用途
由于金刚石的优越性质，长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。早在1772年,法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是C02, 1792 年，S. Tennan 发现金刚石是碳的一种结晶形态。从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。1880年，J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石，现列于大英博物馆。1893年，诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法，用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融，然后用水急冷做了合成金刚石的尝试，后来经证实并未获得成功。二十世纪四十年代，另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备(有的压力超过了5GPa),并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学的计算为髙温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据o 1953年2月15日瑞典ASEA(General Electric Company of Sweden)的科学家宣称合成出人造金刚石，但由于其工作没有正式发表，没能获得广泛的承认，他们使用的是六面顶压机，样品由FeQ和石墨组成。人类首次真正合成金刚石是1954年12月16日美国GE公司的H. T. Hall, F. P. Bundy, H. M. Strong, R. H. Wentorf四位科学家率先完成，他们使用两面顶压机合成了金刚石，
浅谈聚晶金刚石复合片(1)
浅谈聚晶金刚石复合片（PDC）钻头失效的原因及解决对策 作者：冯强 【摘要】聚晶金刚石复合片目前应用广泛，但是仍有存在钻头失效的问题，本文将就PDC钻井钻头的设计 及生产工艺进行分析，并对失效形式和形成原因进行探讨，一定程度上预防PDC钻头的早期失效。 【关键词】聚晶金刚石、复合片、失效、钻头、完善 一、聚晶金刚石PDC钻头设计及生产工艺。 1、聚晶金刚石复合片(Poly crystalline Diamond Compact )，简称PDC。随着材料工业技术水平和PDC 钻头设计技术的发展，硬地层PDC钻头技术也随之出现了较快的发展。它可用较低钻压和较高转速,钻头进尺高,单位进尺成本低。中国某些油田利用金刚石聚晶复合片镶焊在刮刀上,也获得了良好的效果。复合片外形是圆形被镶焊在圆柱的切削具上,将切削具镶装在钻头体上,成为PDC钻头。PDC钻头远比天然金刚石钻头成本低,但是只适用于软到中硬地层。随着石油勘探工业的发展及其相关技术水平的不断提高，加上目前钻探深探井的数量逐年增加，钻井难度也在逐步加大。因此，钻头的设计和生产工艺成为提高深探井钻探的钻井速度、降低全井钻进成本的关键因素。 2、在材料性质而言，聚晶金刚石复合片是一种新型复合材料，已经广泛应用于是有钻探、地质勘探等多方面领域，并已经开始逐渐涉及到一些需要的材料切削加工领域等。无论是油井复合片钻头或地勘复合片钻头，其钻头通常都是由复合片和钻头基体两部分组成。聚晶金刚石复合片也是，聚晶金刚石和硬质合金层是聚晶金刚石复合片的主要材料，需要通过高温高压压制而成的，其中金刚石层是厚度较薄的一层，钨钻类硬质合金材料的厚度一般稍厚作为基底，聚晶金刚石复合片具有很多有益的性能，比如有比硬质合金更 高的硬度和耐磨性，强于硬质合金的抗冲击性。 3、钻头设计方面的问题，钻头的设计包括有复合片的定向、排粉、保径的方法、冲洗等。其中钻头的基体是复合片的载体，是钻头的主要部分。因此它的质量问题直接影响了钻头的使用效果。根据材料使用的不同，钻头基体大致上可以分为钢体式和胎体式。目前，国内的地勘复合片钻头大多数采用的是钢体式，其中钢体式钻头的基体大多直接采用钢材加工而成。钢体式钻头具有制造简单、材料费用低等优点，但同时也有存在保径效果较差、基体易被冲刷磨损、复合片支撑体易损坏等缺点，钻头的最终使用寿命较短。随着复合片质量的提高，钢体超前损坏已成为复合片钻头损坏的主要形式之一，在钢体钻头中可以使用喷焊工艺，可在钢体上喷焊碳化钨粉，增加抗磨性能。胎体式钻头的基体采用粉末冶金的方法制造，制造费用较高，但其它性能明显优于钢体式。但是如果采用圆片状的复合片，其弧度太小，速度高但同时磨损也快，
金刚石复合片
金刚石复合片(polycrystalline diamondcompact PDC)作为一种新型复合材料，其发展历史仅有十几年，但其应用范围已发展到各行各业，广泛地应用于地质钻探、非铁金属及合金、硬质合金、石墨、塑料、橡胶、陶瓷和木材等材料的切削加工等领域。它的表层为金刚石粒度不同的粉末烧结而成的多晶金刚石，具有极高的硬度、耐磨性和较长的工作寿命;底层一般为钨钴类硬质合金，它具有较好的韧性，为表层聚晶金刚石提供良好的支撑，且容易通过钎焊焊接到各种工具上。目前国内外一般都采用超高压高温烧结的方法制造聚晶金刚石-硬质合金复合片。由于它的使用范围扩大，对其性能的要求提高，因而相应的性能检测方法也经过了一个快速的发展过程，在检测的准确性和有效性方面都趋于成熟。 1金刚石复合片的性能 金刚石复合片之所以应用如此广泛，主要是因为其具有其他材料无与伦比的优越的性能。 (1)高的硬度和耐磨性(磨耗比)。复合片的硬度高达10 000 HV左右，是目前世界上人造物质中最硬的材料，比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多。由于硬度极高，并且各向同性，因而具有极佳的耐磨性。一般通过磨耗比来反映复合片的耐磨性，在20世纪80~90年代中期，复合片磨耗比为4~6万(国外为8~12万); 20世纪90年代中期至现在，复合片的磨耗比为8~30万(国外10~50万)。 (2)热稳定性。复合片的热稳定性确定了其使用范围，复合片的热稳定性[2]即为耐热性，与其强度和磨耗比一样，是衡量PDC质量的重要性能指标之一。耐热稳定性是指在大气环境(有氧气存在)下加热到一定的温度，冷却以后聚晶层化学性能的稳定性(金刚石墨化的程度)、宏观力学性能的变化和对复合层界面结合牢固程度的影响。热稳定性的变化在750℃烧结以后，国内部分厂家产品表现为磨耗比上升5% ~20%，抗冲击韧性变化不大，部分厂家产品磨耗比下降，抗冲击性能下降，这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关，国外复合片的磨耗比和抗冲击韧性烧结前后变化不大。 (3)抗冲击韧性。PDC作为切削工具，被广泛地应用于油气钻井作业中。在钻井过程中，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、孔底不平及残留岩粉、钻机振动等因素的影响，使得钻头上的PDC受到极大的冲击力。PDC抗冲击性能反映了复合片的韧性和粘结强度，是一综合性指标，也是决定其使用效果好坏的关键所在。在20世纪80~90年代中期，复合片的抗冲击韧性为100~200 J(国外为200~300 J); 20世纪90年代中期至现在，抗冲击韧性为200~400 J(国外大于400 J)。 2复合片的性能检测方法 2.1耐磨性 复合片的耐磨性一般是通过磨耗比这个指标来衡量的，但迄今为止国际上也没有制定统一的测试标准，几个主要的PDC生产国均有其自己的测试方法。美国的GE公司采用的方法是用PDC来车削一种结构均匀的花岗岩棒，切削速度为180 m/min，切深为1 mm，进给量为0. 28 mm/r。车削时用测力计测PDC的受力大小。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，然后用计算机算出其体积，进行比较。英国De Beers公司的方法与GE公司类似。前苏联对PDC耐磨性的测定是用
【CN209631160U】一种聚晶金刚石复合片合成块【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920213306.3 (22)申请日 2019.02.19 (73)专利权人 河南晶锐新材料股份有限公司 地址 450000 河南省郑州市航空港区新港 大道西侧 (72)发明人 林宁 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 罗满 (51)Int.Cl. B01J 3/06(2006.01) (54)实用新型名称 一种聚晶金刚石复合片合成块 (57)摘要 本实用新型公开了一种聚晶金刚石复合片 合成块，包括正方体叶腊石块结构设置有穿过顶 面和底面中心的圆柱形通孔，还包括设置在圆柱 形通孔内壁的作为加热器的粉压石墨管，粉压石 墨管的长度小于圆柱形通孔的长度，在粉压石墨 管的一端设置有导电堵头，用于为粉压石墨管通 电，还包括设置在粉压石墨管内壁的第一隔离导 热管以及设置在粉压石墨管外壁与圆柱形通孔 内壁之间的第二隔离导热管。通过选择使用粉压 石墨管作为加热器替代车削碳管加热器，保证了 加热管阻值的均一性和稳定性以及不同合成块 的合成腔的温度稳定性、温度场一致性，第一隔 离导热管和第二隔离导热管避免了挥发物质进 入合成腔，保证了合成腔的纯净度，提高了产品 的质量稳定性以及良品率。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 209631160 U 2019.11.15 C N 209631160 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209631160 U 1.一种聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，包括正方体叶腊石块结构，所述正方体叶腊石块结构设置有穿过顶面和底面中心的圆柱形通孔，还包括设置在所述圆柱形通孔内壁的作为加热器的粉压石墨管，所述粉压石墨管的长度小于所述圆柱形通孔的长度，在所述粉压石墨管的一端设置有导电堵头，用于为所述粉压石墨管通电，还包括设置在所述粉压石墨管内壁的第一隔离导热管以及设置在所述粉压石墨管外壁与所述圆柱形通孔内壁之间的第二隔离导热管。 2.如权利要求1所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述粉压石墨管为掺氧化镁粉压石墨管、掺石英粉压石墨管、掺氧化铁粉压石墨管。 3.如权利要求2所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述导电堵头背离所述粉压石墨管的一端与所在的所述圆柱形通孔的端口平齐，所述粉压石墨管背离所述导电堵头的一端与所在的所述圆柱形通孔的端口平齐。 4.如权利要求3所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述第一隔离导热管为第一氧化镁管，和/或所述第二隔离导热管为第二氧化镁管。 5.如权利要求4所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，还包括设置在所述圆柱形通孔内壁与所述粉压石墨管内壁的环状凹槽，所述凹槽内设置有白云石内衬管。 6.如权利要求5所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述第一氧化镁管的厚度与所述第二氧化镁管的厚度相等。 7.如权利要求6所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述白云石内衬管的厚度与所述凹槽的深度相等。 8.如权利要求7所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，还包括设置在所述第一氧化镁管内壁的盐管。 9.如权利要求8所述聚晶金刚石复合片合成块，其特征在于，所述粉压石墨管的长度与所述第一氧化镁管、所述第二氧化镁管、所述白云石内衬管、所述盐管的长度相等，且对应端端面对齐。 2
金刚石复合片的性能检测及发展趋势
金刚石复合片的性能检测及发展趋势 发布时间：2009-5-9 金刚石复合片(polycrystalline diamondcompact PDC)作为一种新型复合材料,其发展历史仅有十几年,但其应用范围已发展到各行各业,广泛地应用于地质钻探、非铁金属及合金、硬质合金、石墨、塑料、橡胶、陶瓷和木材等材料的切削加工等领域。它的表层为金刚石粒度不同的粉末烧结而成的多晶金刚石,具有极高的硬度、耐磨性和较长的工作寿命;底层一般为钨钴类硬质合金,它具有较好的韧性,为表层聚晶金刚石提供良好的支撑,且容易通过钎焊焊接到各种工具上。目前国内外一般都采用超高压高温烧结的方法制造聚晶金刚石-硬质合金复合片。由于它的使用范围扩大,对其性能的要求提高,因而相应的性能检测方法也经过了一个快速的发展过程,在检测的准确性和有效性方面都趋于成熟。 1金刚石复合片的性能 金刚石复合片之所以应用如此广泛,主要是因为其具有其他材料无与伦比的优越的性能。 (1)高的硬度和耐磨性(磨耗比)。复合片的硬度高达10 000 HV左右,是目前世界上人造物质中最硬的材料,比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多。由于硬度极高,并且各向同性,因而具有极佳的耐磨性。一般通过磨耗比来反映复合片的耐磨性,在20世纪80~90年代中期,复合片磨耗比为4~6万(国外为8~12万); 20世纪90年代中期至现在,复合片的磨耗比为8~30万(国外10~50万)。 (2)热稳定性。复合片的热稳定性确定了其使用范围,复合片的热稳定性[2]即为耐热性,与其强度和磨耗比一样,是衡量PDC质量的重要性能指标之一。耐热稳定性是指在大气环境(有氧气存在)下加热到一定的温度,冷却以后聚晶层化学性能的稳定性(金刚石墨化的程度)、宏观力学性能的变化和对复合层界面结合牢固程度的影响。热稳定性的变化在750℃烧结以后,国内部分厂家产品表现为磨耗比上升5% ~20%,抗冲击韧性变化不大,部分厂家产品磨耗比下降,抗冲击性能下降,这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关,国外复合片的磨耗比和抗冲击韧性烧结前后变化不大。 (3)抗冲击韧性。PDC作为切削工具,被广泛地应用于油气钻井作业中。在钻井过程中,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、孔底不平及残留岩粉、钻机振动等因素的影响,使得钻头上的PDC受到极大的冲击力。PDC抗冲击性能反映了复合片的韧性和粘结强度,是一综合性指标,也是决定其使用效果好坏的关键所在。在20世纪80~90年代中期,复合片的抗冲击韧性为100~200 J(国外为200~300 J); 20世纪90年代中期至现在,抗冲击韧性为200~400 J(国外大于400 J)。 2复合片的性能检测方法 2.1耐磨性 复合片的耐磨性一般是通过磨耗比这个指标来衡量的,但迄今为止国际上也没有制定统一的测试标准,几个主要的PDC生产国均有其自己的测试方法。美国的GE公司采用的方法是用PDC来车削一种结构均匀的花岗岩棒,切削速度为180 m/min,切深为1 mm,进给量为0. 28 mm/r。车削时用测力计测PDC的受力大
人造金刚石硬质合金复合片项目
人造金刚石硬质合金复合片项目简介 一、项目概述 金刚石具有极其优异的力学、电学、热学、声学和光学等性质。其优异的力学性能突出地表现在其硬度在已发现的材料中最高的，可达到1000kg/mm2，加之其磨擦系数非常小（约0.05），因而可用作切削刀具、钻头、轴承、压模、拉丝模、精密量具的涂层等，不仅提高使用寿命，还可提高加工精度。从而大大提高机械加工效率。 在硬质合金基体上利用高温高压烧结一层厚度为0.5-0.7mm的金刚石微粉形成硬质合金-金刚石复合材料，称之为聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compacts，简称PDC）刀具材料。由于它既具有金刚石的高硬度和强度同时又具有硬质合金韧性，被广泛应用于石油地质钻头、拉丝模具、以及有色金属及其合金、木工材料、陶瓷材料、复合材料的精密及半精密的连续或断续切削加工，已经或正在全面取代天然或人造大颗粒金刚石单晶刀具和传统硬质刀具（如硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具等）。随着现代制造业尤其是汽车制造业的快速发展，PDC超硬刀具材料的生产及应用也在超常速增长。据有关资料报导，八十年代末期PDC刀具全球销售额仅为50万美元，至1997年PDC刀具销售额已达2.3亿美元。其中大部分（约60%）用于汽车零件的切削加工，其次，PCD刀具近30%用于木工刀具。国内PDC刀具市场已超过1亿元人民币，其厂家主要分布在上海、北京、深圳、西安、郑州、长沙、廊坊等地。这些厂家一般采用国外G·E公司、Beer's公司复合片原材料，目前自主开发PDC超硬刀具材料的国内厂家很少。随着我国国内机床工业面临着升级换代，新的加工技术如CNC及数控机床将得到普遍广泛使用。可以预言，可实现高效率、高稳定性、高精度，长寿命的PDC超硬刀具的应用也会日益普及，PDC超硬刀具材料的市场发展前景十分看好。 本项目属于国家技术经济政策鼓励重点发展的两个高新技术产业领域：其一是新材料产业，本项目的原材料超硬材料属于新材料；其二是现代先进制造业，本项目产品是现代制造业必不可少的新型先进加工工具。发达国家超硬材料工具制造技术先进，产品档次高，附加值在10倍甚至20倍以上。而国内目前基本上是中低档产品，附加值3倍左右。高档工具主要靠进口，每年进口额超过25亿人民币。国内急需要大力开发超硬材料工具高档产品替代进口，满足国内市场需要。 二、市场分析
关于人造金刚石的制备与合成
关于人造金刚石的制备与合成 1目的与意义 钻石，是珠宝中的贵族，它通明剔透，散发着清冷高贵的光辉，颇有“出淤泥而不染的气质。钻石亦被称为金刚石，是自然界最坚硬无比的物质，人造金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝，在工业中也大有可为。它硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探；由于导热率高、电绝缘性好，可作为半导体装置的散热板；它有优良的透光性和耐腐蚀性，在电子工业中也得到广泛应用。 1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等 2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等 3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等 4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等 5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等 6、金属结合剂磨具、电镀制品。钻探工具或研磨等 7、剧切、钻探及修正工具等[1] 2设计基本原理 石墨在一定的温度和压强下是会发生结晶变态从而变成金刚石，且石墨的温度和压强要在金刚石的热稳定性区域内，其动力学要满足一定的关系。 3设计内容（方案） 3.1原材料的选择 金刚石是石墨结晶变态产生的，其石墨是主要原料，转变过程的反应压力和温度必须不低于190 000kg/cm2 和∽3900℃[2]，这一推测的正确性已为实验所证实。不过目前要得到这样高的压力和温度的设备是非常困难的。所以需要加入触媒材料来降低石墨的活化能。 3.2制备与合成方法 3.2.1压力控制 人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压，超压到90 MPa左右，再保压几分钟后卸压，完成一个工序，时问为几分钟到十几分钟。可根据工艺要求任意设为多段，由现场人机界面随时输入修改。加压闭环控制系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较，经过高级控制算法处理后，控制液压泵组和液压阀组的工作状态，使系统的压力工作状态跟踪给定压力工艺曲线。被控对象油路压力是由电动机带动增压器增压的，要求系统在几分钟内将油路压力从lO Pa左右分几段提升到90 MPa左右，并且超调不能大于0．3 MPa。控制速度要快，控制精度要高。因此超压采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊PID控制。 模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、不需要精确数学模型等特点。但模糊控制的稳态精度较差，故采用模糊一PID复合控制的方法，以提高模糊控制的精度[3][7][8] 3.2.2温度控制 人造金刚石压机生产工艺要求加热控制是在超压达30 MPa以后开始的，加热控制也分加温、保温几段进行，几分钟或十几分钟后停止加热。加热控制系统将加热电压和加热电流采样信号相乘得到功率测量值，与计算机预设的加热功率工艺曲线进行分析比较，经高级控制算法处理后，通过控制功率可控硅的导通角来控制大电流加热变压器的输出电压和输出电流，使系统的加热功率满足工艺要求。被控对象合成块为叶腊石作触媒内装石墨，为电阻性负载。由于采用变压器降压和升流，串入了电感性负载，容易引起超调和振荡。合成块的温度是根
聚晶金刚石复合体_PDC_焊接工艺研究
第5期(总第156期) 2009年10月机械工程与自动化 M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o.5O ct. 文章编号:1672-6413(2009)05-0192-02 聚晶金刚石复合体(PDC )焊接工艺研究 X 姚小飞,刘 洁,葛东生 (太原科技大学材料科学与工程学院,山西 太原 030024) 摘要:P DC 既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性,被广泛应用于钻头、切削刀具等。对PCD 的焊接工艺进行了研究,将PDC 焊接温度控制在700℃以下,能保证复合片上的聚晶金刚石层不失效,使其在长期作业过程中具有良好的使用性能。关键词:P DC ;焊接;失效温度;接头强度;性能中图分类号:T G44 文献标识码:A X 山西省高等学校新技术开发项目(200451) 收稿日期:2009-01-04;修回日期:2009-04-25 作者简介:姚小飞(1978-),男,甘肃宁县人,在读硕士研究生。 0 引言 PDC 既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性[1],已被广泛应用于地质钻探、石油天然气钻采以及切削刀具等方面。PDC 钻头与金刚石钻头相比较,具有时效高、寿命长、综合成本低的优势,PDC 已经开始逐步取代天然金刚石,是超硬材料发展的一个里程碑。PDC 的合成方法有两种:一是直接合成,即人造金刚石与硬质合金基体一次性合成,该工艺耐热性低;另一种为间接合成,即金刚石层焊接在硬质合金基体上,该工艺耐热性高。PDC 属于非金属材料,它与金属或者合金材料之间的强度、硬度、弹性模量等方面都存在着很大的差异,特别是两者之间的界面能很高,界面结合弱,在应用过程中发生异常断裂或者金刚石脱落,因此研究PDC 与硬质合金的焊接工艺是非常必要的。1 PDC 焊接工艺特点 PDC 钻头在工作过程中既要保持高强度、高硬度,又要保持高抗冲击韧性;既要保持较好的热震性,又要保持较好的耐腐蚀性。PDC 上的聚晶金刚石层的 失效温度是700℃[2] ,因此在焊接过程中PDC 复合片上的金刚石层的温度必须控制在700℃以下,并要求焊后PDC 与硬质合金结合面有足够的抗剪强度。PDC 钎焊过程中加热方式起着决定性作用,因此其钎焊方法可依据加热方式来划分,主要有火焰钎焊、真空钎焊、真空扩散焊、高频感应钎焊、激光焊接等。1.1 PDC 火焰钎焊 火焰钎焊(Flam e Brazing )是采用气体燃烧产生的火焰进行加热的一种焊接方法。基于PDC 的特性, 钎焊一般是先加热钢体,当钎剂开始熔化后再将火焰移到PDC 上加热。火焰钎焊的主要工艺过程有焊前处理、加热、保温、冷却、焊后处理等[3]。 (1)加热:选用氧乙炔的中性焰或外焰加热,这样可以防止PDC 的金刚石层热损伤和钎料及硬质合金的过分氧化,也可以避免钎缝区金属晶粒长大,从而提高接头性能。 (2)保温:由于是异种材料焊接,其膨胀系数存在着很大区别,因此钎焊接头处存在内应力。为了消除其内应力,应采取一定的保温时间和保温温度。 (3)冷却:当焊件温度达到200℃时,可从保温箱中取出焊件,然后空冷。1.2 PDC 真空钎焊 真空钎焊(Vacuum Brazing )是在真空状态下对工件进行加热的一种焊接方法。由于这种焊接方法是在无氧化气体的气氛中进行的,所以能获得强度、韧性、均匀性都较好的接头。真空钎焊是利用工件本身的电阻热作为热源,对聚晶金刚石层进行局部的冷却,实施高温钎焊。钎焊过程中连续通水冷却,以保证金刚石层的温度控制在700℃以下;钎焊冷态真空度要求低于6.65×10-3Pa ,热态真空度低于1.33×10-2 Pa;焊后将试件放入保温箱进行保温,以消除钎焊过程中产生的热应力。真空钎缝的抗剪强度比较稳 定,接头强度高,平均抗剪强度可达451.9M Pa [4] 。1.2.1 真空钎焊的主要工艺参数 (1)加热速度:加热速度是通过输入电压来控制的,输入的电压高,加热速度就快,反之则加热速度慢。加热速度过慢,PDC 在高温区停留时间过长,易
聚晶金刚石(PCD)刀具
PCD的定义,PCD是英文Polycrystalline diamond的简称,中文直译过来是聚晶金刚石的意思.它与单晶金刚石相对应. 摘自:中国机械资讯网 聚晶金刚石（PCD）刀具发展 1．概述 1.1 PCD刀具的发展 金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。 1.2 PCD刀具的性能特点 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍； ②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。 1.3 PCD刀具的应用 工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD 刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。 国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工