人造孕镶金刚石钻头的制作工艺
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人造孕镶金刚石钻头的制作工艺
作者：郑宏俊刘守进杨深然汪美娜杜啸
来源：《中国科技纵横》2012年第02期
摘要：主要对煤矿和煤田勘探中常用的金刚石钻头的模具制作进行了分析，并简要介绍了金刚石钻头的热压工艺，以及在制作过程中应注意的问题。
关键词：金刚石钻头热压模具
人造孕镶金刚石钻头是经过特种工艺把金刚石微粉与特殊配方的粉末焊接在刚体上而制成的。它具有钻进效率高，使用寿命长等特点，它还具有很好的胎体耐磨性、抗冲蚀性及冲击性，胎体的线膨胀系数较高，胎体与缸体结合强度高，孕镶胎体金刚石分布均匀等优点。它的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下，使岩石处于极高的应力状态下（约4200～5700MPa，有资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由
脆性变为塑性。单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。
目前，金刚石钻头已被广泛应用在地质勘探中，也被应用在国内外的众多矿区中。岩芯钻机主要有机械式钻机（低转速）和液压式钻机（高转速），其中金刚石钻头被广泛应用在液压式钻机中，其取芯的形式主要是绳索取芯，它也是今后地质勘探中的主要取样形式，深受探矿和基础建设工作者的欢迎，展现出了更广阔的前景。
1、钻头的种类及规格
按胎体唇面的形状分为圆弧、平底、梯齿、尖齿、锯齿、阶梯、齿轮、底喷、侧喷、特制平底等种类钻头。每种钻头在不同的地质条件下都具有不同的作用，选用相应种类的钻头才会以最快的速度成孔。
按钻进的用途分为取芯钻头和不取芯钻头。其中取芯钻头的取芯形式又可分为单管、双管及绳索取芯三种。
2、钻头模具及刚体设计
2.1 钻头模具设计
金刚石钻头在高温烧结的过程中，模具的外形和尺寸直接决定了钻头胎体的外形和尺寸，因此，模具的材料必须具有耐高温、变形小、传热效果好并且是非金属材料。而高强石墨是最佳的材料，它还具有硬度高、容易被加工等特点。
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。
金刚石钻头分类
词目：表镶金刚石钻头 英文：surface set diamond bit 释文：金刚石钻头的一种。钢质的圆筒状钻头体,上部车有丝扣,下部烧结有钻头胎体,金刚石的颗粒是包镶在钻头胎体的表面上。胎体的外径略大于钢体直径、内径略小于钢体内径,内外侧和底部都有可以过水的沟槽,在钻进时流过冲洗液带走岩粉和冷却钻头。表镶金刚石钻头都是包镶的天然金刚石,故价格昂贵,因而只用在一些特殊难钻进的硬地层。石油钻井用表镶金刚石钻头较多。 词目：孕镶金刚石钻头 英文：impregnated diamond bit 释文：金刚石钻头的一种。钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒的钻头。钻进时胎体磨损,金刚石不断出露克取岩石,可以一直将胎体全部磨完,都有新出露的金刚石进行工作,类似于砂轮磨削金属材料。胎体有一定高度,外径略大于钻头体外径、内径也略小于钻头体内径,胎体的外侧面、内侧面和底面均有水槽,以便通过冲洗液排除岩粉和冷却钻头。大多数的孕镶金刚石钻头是使用的人造金刚石,称为人造孕镶金刚石钻头。人造金刚石比天然金刚石价格便宜很多,也能较广泛地用在硬地层中钻进。[ 词目：电镀金刚石钻头 英文：electro-plated diamond bit 释文：又称铸造金刚石钻头。中国独有的利用电镀原理而制成的金刚石钻头。金刚石的胎体是在电镀槽里被一层一层镀覆在钻头体上,电镀覆盖电解金属的同时,撒布金刚石颗,金刚石就被包裹在电镀金属层里。长时间的反复补砂和镀覆就形成了钻头的工作层。电镀时钻头钢体也采用塑料模具定型,使镀层沿钻头轴线方向增长,并保证胎体的内外径尺寸和小槽等。电镀金刚石钻头所用的金刚石也多是人造金刚石,钻头胎体的成分主要是镍,与普通孕镶金刚石钻头有相同的适用条件。 词目：钻头胎体 英文：matrix 释文：包镶金刚石和连接空白钻头体的钻头冠部合金或金属称胎体。它一般用难熔金属碳化钨粉末或铸造碳化钨为骨架材料；以易熔金属如Cu、cu-Ni、zn、Sn、Mn等为粘结剂,在模具内以高温条件下压结，温度一般为1000～1200℃。钻头的工作能力在很大程度上取决于胎体的性质,要有相当的强度、抗冲击韧性,特别是硬度与耐磨性要与所钻岩层性质相适应。孕镶金刚石钻头随钻进胎体要相应磨损,使金刚石不断裸露出来以破碎岩石,因此胎体硬度与耐磨性是孕镶钻头的一个重要指标。调节胎体骨架金属的成分、粒度,以及粘结金属的成分、比例和烧结工艺可改变胎体硬度和耐磨性,保证在各类岩层中都能取得最好的钻进效果。按胎体的硬度进行了分类分级,共分软、中硬、硬3类,6级,见表。坚硬致密的弱研磨性地层应选用软胎体,即洛氏硬度(HRC)在35以下；在强研磨性地层、裂隙地层则应选用硬胎体,即HRC 硬度在35～45之间。
人造金刚石
人造金刚石 编辑词条 该词条缺少基本信息栏、词条分类，补充相关内容帮助词条更加完善！立刻编辑>> 人造金刚石是加工成珠宝的主要原料，硬度高、耐磨性好，广泛用于切削、磨削、钻探。由于人造金刚石导热率高、电绝缘性好，可作为半导体装置的散热板；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。 快速导航 目 录 ?1钻石介绍 ?2发展历史 ?3主要应用 ?4制造方法 ?直接法 ?熔媒法 ?外延法 ?形成机制 ?相关热力学 ?5媛石研究 ?6其它相关 ?微波法 ?发明背景
1钻石介绍 编辑 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，因为它是自然界最坚硬无比的物质，摩氏硬度10，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。它的形成和发现极为不易，它是碳在地球深部高温高压的特殊条件下历经亿万年的“苦修”转化而成的，由于地壳的运动，它们从地球的深处来到地表，蕴藏在金伯利岩中，从而被人类发现和开采。虽然人类可以生产出人造金刚石，但质量大小还远远不及天然金刚石。 金刚石俗称“金刚钻”，也就是我们常说的钻石，它是一种由纯碳组成的矿物，也是自然界中最坚硬的物质。自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，人们就开始了对人造金刚石的研究，只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发展，人造金刚石亦被广泛应用于各种工业，工艺行业。 2发展历史 编辑 18世纪末，人们发现身价高贵的金刚石竟然是碳的一种同素异形体，从此，制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。一个世纪以后，石墨——碳的另一种单质形式被发现了，人们便尝试模拟自然过程，让石墨在超高温高压的环境下转变成金刚石。为了缩短反应时间，需要2000℃高温和5.5万个大气压的特殊条件。 1955年，美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备，得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体，从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河，他们的年产量在20吨左右；不久，杜邦公司发明了爆炸法，利用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温，也获得了几毫米大小的人造金刚石。 金刚石薄膜的性能稍逊于金刚石颗粒，在密度和硬度上都要低一些。即便如此，它的耐磨性也是数一数二，仅5微米厚的薄膜，寿命也比硬质合金钢长10倍以上。我们知道，唱片的唱针在微小的接触面上要经受极大的压力，同时要求极长的耐磨寿命，只要在针尖上沉积上一层金刚石薄膜，它就可以轻松上阵了。如果在塑料、玻璃的外面用金刚石薄膜做耐磨涂层，可以大大扩展其用途，开发性能优越又经济的产品。 更重要的是，薄膜的出现使金石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱，使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。金刚石薄膜已应用在半导体电子装置、光学声学装置、压力加工和切削加工工具等方面，其发展速度惊人，在高科技领域更加诱人。
钻头选择和使用
钻头选择和使用 1、硬质合金钻头的选择 胶结性的砂岩、黏土亚黏土、泥岩以及风化岩层、遇水膨胀或缩径地层宜选用肋骨式硬质合金钻头或刮刀式硬质合金钻头;可钻性3-5级的中、弱研磨性地层,铁质、钙质岩层、大理岩等宜用直角薄片式钻头、单双粒钻头或品字形钻头;研磨性强、非均质较破碎、稍硬岩层,如石灰岩等宜用负前角阶梯钻头;软硬不均、破碎及研磨性强的岩层,如砾石等宜用大八角钻头;砂岩、砾岩等选用针状合金钻头。常用硬质合金取心钻头及其适用范围见表6-1。 2、金刚石钻头的选择 金刚石钻进适用于中硬以上岩层。一般聚晶金刚石、金刚石复合片、烧结体钻头适用于3~7级岩层,单晶孕镶金刚石钻头适用于5~12级完整和破碎岩层,天然表镶金刚石钻头适用于4~10级完整岩层。不同类型金刚石钻头的选用见表 6-2。
金刚石钻头主要参数及结构要素与钻头选择如下: （1）钻头唇面形状。中硬、中等研磨性的岩层,宜选用平底形唇面或圆弧形唇面;坚硬且研磨性高的岩层,可用半圆形唇面;对复杂、破碎不易取得岩心的地层,可选用阶梯底喷式唇面;坚硬、致密易出现打滑的岩层,可选用锯齿形 唇面。金刚石取心钻头唇面形状及适用地层参见表5-29。 (2)胎体硬度。岩石的研磨性越强或硬度越低,则钻头胎体的硬度应越髙；反 之,岩石的研磨性越弱或硬度越高,则钻头胎体的硬度应越低。不同岩层推荐胎体 硬度及耐磨性参见第5章表5-35。
(3)金刚石浓度。岩石硬度越高或研磨性越弱,则钻头金刚石浓度应越低;反之,岩石硬度越低或研磨性越强,则钻头金刚石浓度应越髙。人造孕镰金刚石钻头 在不同岩层推荐的金刚石浓度值参见表5-39。 (4)金刚石粒度。若石的研磨性越强,硬度越高,则要求钻头的金刚石颗粒应越 小,最好用孕镶钴头;岩石硬度越低,研磨性越弱,则要求钻头的金刚石夥粒应越 大。孕镶金刚石钻头推荐粒度参见表5-40,表镶金刚石钻头推荐粒度参见表 5-41。
金刚石钻头生产厂家大全
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如何在实际工作中正确选择孕镶金刚石钻头设计参数
如何在实际工作中正确选择孕镶金刚石钻头设计参数 孕镶金刚石钻头广泛应用于小口径岩石钻探的施工中，而采用合理的钻头设计参数对提高钻探效率发挥钻头最大功效至关重要。本文根据黑河象山电站帷幕灌浆工程岩石钻探实例，初步阐述如何正确选择孕镶金刚石钻头设计参数及其实际意义。 孕镶金刚石钻头适用于硬至坚硬、可钻性Ⅶ—Ⅻ级、完整均质至破碎、裂隙性的、具有研磨的岩层。钻头设计时应考虑的结构参数如下： 一、胎体 胎体高度H ＝10～12mm ，H 值愈大，则钻头稳定性愈好。 胎体工作层高一般为4mm 。 胎体厚度一般为8mm 。壁厚影响钻进效率和钻头寿命；壁厚小，钻进效率高，金刚石消耗量少；但不够耐磨，钻头寿命较短。 二、唇面形状 孕镶钻头的唇面形状要比表镶的多，它除了表镶钻头的那些以外，还可采用： 1．尖齿形，它又分同心圆尖齿形（见图3.13-5a ）、阶梯尖齿形（见图3.13-5b ）和交错式尖齿形（见图3.13-5c ）。 2．带底喷式水眼（见图3.13-6） 若岩石软硬互层和破碎，为提高岩矿心采取率，则可选用阶梯形底喷式水眼钻头。 二、胎体性能 胎体是钻头极其重要的组成部分，其成分和性能比较复杂，但设计或选择时，目前仅根据岩石性质，确定相适应的胎体硬度和耐磨性。 选择原则是岩石硬、研磨性弱，则胎体偏软、耐磨性偏低；相反，岩石软、研磨性强，则胎体偏硬、耐磨性要高。具体选择时，可参考表3.13-4，表3.13-5。 表3.13-4 设计原则是：岩石愈硬、研磨性偏低，则粒度较细、品级较高。设计时可参考表3.13-6。 表3.13-6 四、金刚石浓度 根据岩石硬度和研磨性设计金刚石浓度，浓度保证胎体唇面上的金刚石数量有足够的切削能力和有较高的耐磨性。 （a ） （b ） （c ） 图3.13-5 尖齿形钻头 (a)—同心圆尖齿形；(b)—阶梯尖齿形；(c)—交错式尖齿形 图3.13-6 阶梯形底喷水眼钻头
简述人造金刚石
人造金刚石制造方法综述 人造金刚石取得成功的方法有许多种，兹将具有代表性的几种分类列举如下： 静压触媒法是国内外工业生产上应用最为广泛的方法，人造金刚石的绝大部分(约90%)都是用这种方法生产的。爆炸法在某些国家被应用于金刚石微粉的生产，产量占1%左右。CVD薄膜生长法近年来开始了工业应用。其它一些方法，目前都还处于试验研究阶段。 静压法，又称静态超高压高温合成法。静压触媒法是指在金刚石热力学稳定的条件下，在恒定的超高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。就是以石墨为原料，以过渡金属或合金作触媒，用液压机产生恒定高压，以直流或交流电通过石墨产生持续高温，使石墨转化成金刚石。转化条件一般为5~7GPa，l300~1700℃。这个方法就是传统的高压高温合成法，至今已有40多年的历史了。现在它还在继续发展和完善中，国内外都在致力于高压设备和加热方法的改进以及碳素原料和合金触媒的研究。 静压触媒法合成金刚石的工艺程序大致分为以下三个阶段： 原材料准备(石墨、触媒、叶蜡石的选择、加工与组装) 高压高温合成(p、T、t参数，控制方法与设备) 提纯分选与检验(原理、方法、标准、仪器) 静压触媒法制造金刚石的原理与工艺，是本书所要讨论的主要内容。 所谓静压直接转变法，是指没有触媒参与下的静压法。由于不用触媒，因而需要更高的压力和温度条件，对压机提出了更高的要求，这也正是它不能用于工业生产的原因。
静压法有两种情况，一是固相转化，二是熔融冷暖。 (1) 固相转化 固相转化，要求提供12GPa以上的压力、2000℃以上的温度，保持时间很短(千分之几秒)，只能生长细微的多晶体。 (2) 熔融冷凝 此法比固相转化要求更高的压力和温度。日本有人曾经在20GP，和4000℃条件下，使金刚石熔融，然后逐渐冷凝成为块状大单晶。这是液相金刚石向固相金刚石的转变。也可以通过石墨→熔融→重结晶的过程生成金刚石。石墨在高压高温下熔融，晶格解体，然后冷凝，在重结晶过程中建立起金刚石键，成为金刚石晶体。这种方法的困难在于要有耐高温容器。 动压法主要是爆炸法，爆炸法压力温度条件与不用触媒的静压法相似(压力一般在20GPa以上)，但产生高压高温的方法不同，不是用压机，而是用炸药。利用TNT(三硝基甲苯)和RDX(黑索金)等烈性炸药爆炸后产生的强冲击波作用于石墨，在几微秒的瞬间可得到几十GPa和几千度高温，使石墨转变为金刚石，产品一般为5~20nm的细小多晶体。结晶缺陷严重，脆弱，可作为研磨膏或者制造聚晶的原料。纳米金刚石的用途有待研究开发。 爆炸法的优点是不需要贵重设备，单次产量高，每次使用15kg炸药(TNT 40%+RDX60%)可生产约120克拉的金刚石微粉，缺点是温度压力不好控制，尤其无法分别控制温度和压力并且样品回收提纯手续繁多。 爆炸法常用的一种装置是单飞片装置，图1-1为其剖面简图。平面波发生器使顶端的点爆源变成面爆源，产生平面激波，引爆主炸药包，驱动飞片以每秒几千米的速度撞击石墨，使之转变成金刚石，所得产品占石墨的3%~5%。 假若碳源不用石墨而改用球墨铸铁或者普通生铁，铁就能起触媒作用，促使其中的碳变成金刚石。 如果用含有石墨小包裹体的触媒金属块作原料，由于金属比石墨难以压缩，压缩波通过时，没有象石墨那样热起来，造成了石墨包裹体的猝灭。这种猝灭作用使得在冲击压缩过程中形成的金刚石在随后的卸压膨胀过程中得以保存下来，产量大大提高。 日本人漱同信雄采用无定形碳素和改进过的单飞片装置(飞片速度为 3.6
第1章 金刚石钻头基本知识
第一章金刚石钻头基本知识 第一节概述 1.1金刚石钻头的发展历史 金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。 随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。 人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。 1.2金刚石钻头的发展前景 经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻
人工合成金刚石产业现状分析
人工合成金刚石产业现状分析 金刚石一种机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能特殊材料。 一、人工合成金刚石现状1954年12月8日，纽约州斯克内克塔迪美国GE(通用电器)公司研究发展心科学家本迪(F·P·Bundy)、霍尔(H·T·Hall)等人首先克服了高温高压工程、材料测试方面种种困难而达到了这一转变条件，成功地为石墨含碳物质金属熔体合成金刚石，做出了划时代贡献。1958年，人工合成金刚石投入商业生产。从此人工合成金刚石产量逐渐超过了天然金刚石产量。美国通用电气公司合成工业金刚石后，又花了15年时间，到1970年，宣告宝石级金刚石合成工艺成功。 1971年公布了晶种温梯法详细工艺。据称，只生产出重量分别为0。30ct、0。31ct、0。39ct三粒透明金刚石，代价之昂贵，无法与天然金刚石相匹敌。1986年，前苏联对外机构宣布，苏联科学院高温高压下合成一颗重达9988ct特大金刚石晶体，生成温度比太阳表面温度还要高。1987年，南非德比尔斯公司金刚石研究室利用高温高压法60小时内制出1ct金刚石晶体;180小时内合成5ct金刚石晶簇，最大单晶为11。14ct，最大长度为16mm，晶体呈立方体(100)八面体(111)为主聚形。这些金刚石一般呈黄色或棕黄色;无解理裂纹;适于进行宝石刻面，也可用于拉丝模，切削刀具，辐射探测器等。
1987年，“金刚石薄膜”世界上兴起，国外文献发表生长金刚石膜方法有几十种之多。进入20世纪80年代以来，膜生长速率、沉积面积结构性质已逐步达到可应用程度。研究证实，高质量CVD金刚石多晶膜硬度、导热、密度、弹性(以杨氏膜量表征)透光物理性质已达到或接近天然金刚石，并且金刚石膜具有与单晶金刚石几乎相同性能，但它连续性材料，从而解决了尺寸问题。作为21世纪新型功能材料金刚石薄膜，随着研究工作与应用开拓不断深入，不远将来，金刚石薄膜功能必将各个重要领域，特别高新技术领域产生重要影响。 2003年，国外人造金刚石又获得2项突破性进展———俄罗斯生产出性能超过金刚石大分子三维聚合物，日本研发出超高硬度人造金刚石。俄罗斯科学院化学物理研究所根纳季·科罗廖夫博士领导科研小组，经过近30年不懈研究，终于找到有效控制分子行为方法，成功地合成了大分子三维结构聚合物。这一工艺称为“激活聚合作用”，其性能测试指标完全超过了金刚石性能指标;日本爱媛大学深部地球动态研究心采用不同催化剂“直接转化法”第一次用石墨直接合成出纯度很高多晶金刚石，集合了直径数十纳米微粒子多晶体，硬度可达140GPa，高出单晶2倍以上，而且更耐高温。 二、人工合成金刚石主要生产国目前世界上能够生产人造金刚石国家有二十几个:美国、英国、国、爱尔兰、俄罗斯、乌克兰、瑞典、韩国、日本、法国、白俄罗斯、乌兹别克、德国等等，我们估计，世界人造金刚石现今年产量突破30亿克拉，其国年产量有20亿克拉之多，为世界
钻头选型
一、PDC钻头命名： 1、M1963钻头各字母和数字的意思？ M：胎体PDC钻头（MS：刚体PDC钻头） 19：切削齿尺寸，￠19mm（13--￠13mm，08--￠8mm） 6：刀翼数 3：冠部形状，变化范围1~9，1---冠部抛物线最长；9---冠部抛物线最短 2、FS2663的含义？ FS：刚体（FM：胎体） 2：2000系列 6：6刀翼（5：5刀翼） 6：复合片尺寸，6/8″--19mm（2：8mm；4：13mm，8：25.4mm） 3：布齿密度和位置。 3．G535的含义？ G：金系列 5：复合片尺寸：19mm（4：1/2″--13mm） 3：冠部形状：1---9：尖---平 5：布齿密度。 二、PDC钻头选择原则 1、钻头冠部形状确定原则 不同冠形PDC钻头的攻击性依次为：长抛物线型>中等抛物线型>短抛物线型；按照岩石硬度分类，推荐的钻头冠型如下：按照岩石硬度分类，推荐的钻头冠型： 岩石硬度抗压强度(psi) 冠部形状 很低硬度0-8000 长抛物线 中等硬度8000-16000 中等抛物线 高硬度16000-32000 短抛物线 ?针对软硬交错地层，采用多种抗回旋设计 2、切削齿尺寸选择原则： 岩石硬度抗压强度(psi) 切屑齿尺寸 很低硬度0-8000 19-24mm 中等硬度8000-16000 16-19mm 高硬度16000-32000 13-16mm 极高硬度32000-50000 8-13mm（超强齿） 3、布齿密度原则 岩石硬度抗压强度(psi) 布齿密度 很低硬度0-8000 低布齿密度 中等硬度8000-16000 中等布齿密度 高硬度16000-32000 高布齿密度 极高硬度32000-50000 高布齿密度(超强齿) 三、地层硬度分级 牙轮钻头机械钻速（h/m）地层硬度岩石类型抗压强度（Mpa） 111/124 15~30 很软粘土、粉砂岩、砂岩〈25
人造孕镶金刚石钻头的制作工艺
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/5812580013.html, 人造孕镶金刚石钻头的制作工艺 作者：郑宏俊刘守进杨深然汪美娜杜啸 来源：《中国科技纵横》2012年第02期 摘要：主要对煤矿和煤田勘探中常用的金刚石钻头的模具制作进行了分析，并简要介绍了金刚石钻头的热压工艺，以及在制作过程中应注意的问题。 关键词：金刚石钻头热压模具 人造孕镶金刚石钻头是经过特种工艺把金刚石微粉与特殊配方的粉末焊接在刚体上而制成的。它具有钻进效率高，使用寿命长等特点，它还具有很好的胎体耐磨性、抗冲蚀性及冲击性，胎体的线膨胀系数较高，胎体与缸体结合强度高，孕镶胎体金刚石分布均匀等优点。它的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下，使岩石处于极高的应力状态下（约4200～5700MPa，有资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由 脆性变为塑性。单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。 目前，金刚石钻头已被广泛应用在地质勘探中，也被应用在国内外的众多矿区中。岩芯钻机主要有机械式钻机（低转速）和液压式钻机（高转速），其中金刚石钻头被广泛应用在液压式钻机中，其取芯的形式主要是绳索取芯，它也是今后地质勘探中的主要取样形式，深受探矿和基础建设工作者的欢迎，展现出了更广阔的前景。 1、钻头的种类及规格 按胎体唇面的形状分为圆弧、平底、梯齿、尖齿、锯齿、阶梯、齿轮、底喷、侧喷、特制平底等种类钻头。每种钻头在不同的地质条件下都具有不同的作用，选用相应种类的钻头才会以最快的速度成孔。 按钻进的用途分为取芯钻头和不取芯钻头。其中取芯钻头的取芯形式又可分为单管、双管及绳索取芯三种。 2、钻头模具及刚体设计 2.1 钻头模具设计 金刚石钻头在高温烧结的过程中，模具的外形和尺寸直接决定了钻头胎体的外形和尺寸，因此，模具的材料必须具有耐高温、变形小、传热效果好并且是非金属材料。而高强石墨是最佳的材料，它还具有硬度高、容易被加工等特点。
分析金刚石钻头的结构及特点
金刚石钻头的结构及特点 长沙清泉钻机有限公司为您详细解析分析金刚石钻头的结构及特点 1、总体结构 金刚石材料钻头属一体式钻头，整个钻头无活动部件，主要有钻头体，冠部，水力结构（包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道，排屑槽），保径、切削刃（齿）五部分 金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分，其表面（工作面）镶装有金刚石材料切削齿，并布置有水力结构，其侧面为保径部分（镶装保径齿）它和钻头体相连，由碳化钨胎体或钢质材料制成。 钻头体是钢质材料体，上部是丝扣和钻柱相连接，其下部与冠部胎体连结在一起（钢质的冠部则与钻头体成为一个整体）。 金刚石材料钻头的水力结构分为两类。一类用于天然金刚石钻头和TSP钻头，这类钻头的钻井液从中心水孔流出，经钻头表面水槽分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿，最后携带岩屑从侧面水槽及排屑槽流入环形空间。另一类用于PDC钻头，这类钻头的钻井液从水眼中流出，经过各种分流元件分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿。PDC 钻头的水眼位置和数量根据钻头结构而定。 金刚石材料的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用，采用在钻头侧面镶装金刚石的方法达到保径目的。 2、金刚石材料钻头的切削齿材料 金刚石钻头切削齿材料分为天然金刚石和人造金刚石两大类。金刚石为碳的结晶体，晶体结构为正四面体，碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定，典型的品形有立方体、八面体和十二面体等。 金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料，因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。 但是，金刚石作为钻头切削刃材料也存在较大的弱点。第一，它的脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。第二，它的热稳定性较差，在高温下金刚石燃烧变为二氧化碳和一氧化碳（碳化），在空气中约在455～860℃之间，金刚石就要出现石墨化燃烧；在惰性或还原性气体中不会氧化，但在约1430℃时，金刚石晶体会突然爆裂而变成石墨。因此金刚石钻头的设计、制造和使用中须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却。 3.金刚石工具的现状 金刚石工具广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域，机械加工用的磨具、地质钻头及石材锯切工具的制造工艺水平已有很大提高。产品已形成系列化、标准化，品种规格齐全，产品质量稳定，部分产品在国际市场上具有一定的竞争力。金刚石单晶绝大多数是用来制作各种金刚石工具，其种类很多。我国生产的金刚石锯切工具品种规格齐全，质量稳定。据统计，近几年来金刚石钻探工具基本上可满足市场需求；随着建筑业的发展和家用空调的普及，用于管线安装和空调整机安装及旧楼改造，施工用金刚石薄壁工程钻头需求量也在日益增加，用于石油、煤田勘探的PDC钻头的需求量也相应增加，我国所生产的金刚石复合片在质量上还不过关，有待于进一步研究改进，不断提高产品质量，改变目前PDC 钻头依赖进口的局面。
人造金刚石微粉的生产及其发展趋势
人造金刚石微粉的生产及其发展趋势 https://www.360docs.net/doc/5812580013.html, 2011-08-25 来源：中国超硬材料网点击：100次 金刚石微粉是当今国际上一种超硬精细研磨抛光材料。就其粒度而言它属于微米、亚微米及纳米粉体。与粗粒粉体相比，其比表面积和比表面官能团明显增大，因而在生产过程中，颗粒相互之间的作用力大为增加。另外，随着粒度的细化，颗粒本身的缺陷减少，强度必然增大。由此可见，金刚石微粉的生产过程存在相当大的难度，它不仅仅是颗粒细化的过程，同时还伴随着晶体结构和表面物理化学性质等变化。所以说金刚石微粉的生产工艺是一个涉及机械、粉体工程、力学、物理化学、现代仪器与测试技术等多学科的工程技术问题。 随着尖端科技和高端制造业发展的需要，许多精密器件的表面光洁度都要求很高，比如电脑磁盘、磁头、光通信器件、光学晶体、半导体基片等器件，都需要精密的抛光加工，如果表面有任何超出许可范围的凸凹、划伤或者附着异物，所设计的精度及性能将得不到保证。所以，金刚石微粉的生产出现以下发展趋势： 一、金刚石微粉生产设备的自动化 金刚石微粉是由粗颗粒单晶金刚石经过破碎、分级而得。一般来说，将适度粗粒的物料破碎至微米或亚微米粒度有三种基本机理，即压碎，机械冲击{高速(9m／see以上)运动颗粒之间的直接碰撞和研磨，滚筒式球磨机就是以压碎作用为主兼有适量低速机械冲击作用的破碎设备。就方法而论，用球磨机对金刚石破碎加工来生产金刚石微粉是最常用的方法，球磨破碎法在我国金刚石微粉生产中已使用了许多年，曾经取得了较为满意的效果。但由于存在生产效率低的缺点，目前已被一种气流粉碎机所取代，气流粉碎机是以压缩空气为工作介质，压缩空气通过特殊的超音速喷嘴向粉碎室高速喷射，该气流携带物料高速运动，使物料与物料之间产生强烈碰撞、磨擦与剪切从而达到粉碎的目的。根据动能公式可知，动能的大小与质量及速度的平方成正比。当作用在颗粒上的力大于它的破坏应力时就产生破碎。高速冲击碰撞使颗粒产生体积破碎，而剪切和研磨作用则使颗粒产生表面破碎。这种破碎方式对金刚石微粉的生产是很有利的，因为可以生产出比较理想的颗粒形状。气流粉碎机最大的优点是不受机械线速度的限制，能够产生很高的气流速度，特别是超音速气流粉碎机能产生数倍于音速的流速，因而能产生巨大的动能，比较容易获得微米级和亚微米级的超细粉体。从粉碎原理上说，这种机型用于金刚石微粉的生产是较有发展前景的。 粒度分级是金刚石微粉生产工艺中很重要的一道工序。它涉及金刚石微粉的生产效率和质量，目前国内最为广泛使用的一种金刚石微粉粒度分级法是自然沉降法和离心法相结合的工艺生产微粉。自然沉降法是一种直接应用斯托克斯定律的分选方法，根据同一比重的颗粒因粒径不同在水中沉降速度亦不同的原理，通过控制其沉降高度和沉降时间来分级粒度，虽然设备简单、操作容易、质量稳定，但生产周期较长、劳动效率低下。为此，国内外不少厂家研究出自动化的分级设备，采用计算机技术和变频控制技术，设置有自动搅拌、自动抽料、自动水循环和计算机控制四大系统，全数字化设计，控制精确，节能省电，具有人工无法比拟的高效率、高可靠性和良好的操控性。比人工分选效率可提高10～20倍，具有自动化程度高、分选速度快、分选精度准、无杂质污染、无人为因素干扰、产品品质稳定性强、重现性好、工人劳动强度小、企业劳动力成本低、一次性投料量大的十大显著优点。符合了微粉产业未来发展的方向。 二、粒度分级细分化、粒径范围集中化 随着科技的进步，各种加工精度要求都是越来越高，所用的微粉粒度都在向更加细微化的方向发展。比如，电脑硬盘的纹理加工自从上世纪90年代开始使用金刚石微粉以来，粒度大小一直迅速在变化，从开始的1微米左右，到现在的0.1微米，近期很快将要过渡到0.05微米（50nm）甚至更细的水平。就2微米
人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖
文章编号:1006-852X(2004)06-0073-05 人造金刚石合成技术开拓创新的50年 THE FIFTY YEARS CREATIO N OF DIAMO ND SYNTHESIZING TECHNIQ UE 王光祖 (郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013) Wang Guangzu (Zhengzhou Research Institutef or Abrasives and Grinding,Zhengzhou450013,China) 摘要:人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕。50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃。过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年。人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献。 关键词:人造金刚石;合成技术;开拓创新 中图分类号:TQ163文献标识码:A Abstract:The first synthetic diamond was produced by General Electric Company in the USA in19541This work opened the prolusi on of syn thetic diamond1Within the last fifty years,the diamond syn thesize technique experienced three great inprovements.So,the past fifty years not only were the years of creation of diamond synthesize technique,but also the years of increase in the quali ty and diversities of the products,and the years of rapid development of production scale and annual production,and also the years of continuous expansion of application1The invention of the syn thetic diamond not only provided a great techniq ue supporting for improving the develop ment of industry modernization and science technique modernization but also contributed to the develop ment of materials science and technology1 Key words:synthetic diamond;synthesize technique,exploi ting and innovating 1引言 金刚石是由碳原子构成的典型原子晶体,其来源有二:一是天然金刚石;另一是人造金刚石。由于天然金刚石资源稀少,难于满足工业的各种需求,所以必须走人工合成之路。20世纪50年代初世界第一颗粒人造金刚石的诞生,为人工合成金刚石的科研、生产、应用打开了闸门。在过去的50年中经历了从静态高压高温触媒法合成单晶金刚石,低压低温化学气相沉积法合成微米/纳米金刚石膜,到利用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石的三大跨越的发展过程,为不断开发金刚石的新品种和扩大应用领域提供了重要的技术保证。 金刚石在自然界极其稀少,分布不均匀。到目前为止,全球只有27个国家找到了具有经济价值的金刚石矿床。世界上90%以上的金刚石产于澳大利亚、扎伊尔、俄罗斯、博茨瓦纳、南非、加拿大、安哥拉,金刚石储量均超过1亿克拉。纳米比亚、加纳、中国、塞拉里昂和巴西,金刚石储量超过1000万克拉;印度、几内亚、中非共和国、利比里亚和委内瑞拉、坦桑尼亚等国的金刚石储量均超过500万克拉。从价值而论,南非供应了世界50%以上的宝石级金刚石。目前,澳大利亚是世界上最大的金刚石产出国,扎伊尔居世界第二位,博茨瓦拉居第三位。加拿大的金刚石资源极具潜力。自2800年前,印度首次开发金刚石砂矿以来,迄今为止,世界上共采出金刚石约26亿克拉,约520吨。从20世纪90年代中期至新世纪,全球天然金刚石年产量巳突破1亿克拉[1]。 正如大家所知,工业金刚石在以天然金刚石为主的时代,有什么性能的金刚石用户就只能用什么样的金刚石,到了以人造金刚石为主的时代,则用户需要什么性能的金刚石,就研究生产什么样性能的金刚石,是人定胜天的生动体现!因此,可以毫不夸张地说,进入21世纪人的一生将离不开金刚石,所以一个国家若不重视发展工业金刚石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代就无从谈起。在过去的50年中金刚石合成技术的不断创新为实现上述三个现代化提供了有力的技术支撑。可见,人工合成金刚石的研制成功对 2004年12月金刚石与磨料磨具工程December12004总第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16
地层与钻头选型
表1-5 钻头与地层岩石对应关系表 齿系地层型 1 2 4 可钻性岩性非密封滚动轴承非密滚动空气轴承密滚动轴承 型列号式江汉休斯瑞德赛克史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德赛克密密 司司司 钢低抗压强1 极软页岩、粘土、泥岩W11 R1 Y11 S3SJ DSJ GA114 GIX-1S11 S33SSDS 度高可钻 G114 ATX-1 1性的软地 2 泥岩、软页岩、疏松页 W121 R2 Y12 S3J DTJ S33 齿层 3 页岩、软石灰岩 W131R3 Y13 S4J DHJ GA134 S44 4 S4DJ 高抗强度 1 页岩、软石灰岩M4NJ V2J GA214 M44N 钻 2 的中硬地 2 DR5 M4 层 3 中硬岩石灰岩、砂岩、 4 板岩 钻硬半研磨1 硬质石英岩 H7 H77 3 性或或研 2 W321 R7 H7J 性地层 3 硬质砂岩、白云岩 4 镶低抗压强 1 4 度高可钻2 性极软地 3 软页岩、粘土层 层 4 齿低抗压强 1 软泥岩、软页岩、疏松砂岩 5 度高可钻2中页岩、砂岩 性极软地 3 中软石灰岩 层 4中软石灰岩 钻高抗压强 1 中地层硬页岩、石灰岩 K621 G44 G4A 6 度的中硬 2 中地层白云岩、硬灰岩、Y62JA47JA 地层 3 砂岩 G55 Y63JA 4 硬质砂岩与白云岩 半研磨性1 硬质砂岩与白云岩 7 研磨性地2硬质砂岩与白云岩、极硬燧石 层 3 极硬燧石 K732 G77Y73JA 7JA 4 极硬花岗岩 K742 半研磨 1 极硬花岗岩 头8 性研磨性2极硬花岗岩 地层 3 极硬花岗岩 K832 G99Y83JA 9JA 4 极硬花岗岩 K842
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