影響PDC磨耗比測試的關(guān)鍵因素研究

邢 波,趙凱歌,趙金墜,張克選,喬 帥,許本超,張云鶴

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 鄭州 450001; 2.國家磨料磨具質(zhì)量檢驗檢測中心,河南 鄭州 450001;3.國家磨料磨具產(chǎn)業(yè)計量測試中心,河南 鄭州 450001; 4.超硬材料磨具國家重點實驗室,河南 鄭州 450001;5.精工博研測試技術(shù)(河南)有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

聚晶金剛石復合片(Polycrystalline diamond compact, PDC)是由金剛石微粉和硬質(zhì)合金基體在1 400～1 700 ℃的燒結(jié)溫度和5.0～7.0 GPa的燒結(jié)壓力下制備而成的超硬復合材料,其兼具金剛石的極高硬度、耐磨性和硬質(zhì)合金的良好韌性與可焊接性,被廣泛用于礦山開采、油氣鉆探、隧道掘進等領(lǐng)域[1-4]。PDC在實際應(yīng)用中起主要切削作用,直接受地質(zhì)巖層的連續(xù)擠壓、摩擦和沖擊等作用,易使PDC金剛石層磨損,導致工具失效,因此各企業(yè)對PDC的耐磨性管控極為嚴格。

PDC的磨耗比是其耐磨性能表征的指標之一。磨耗比測量是在規(guī)定條件下,使PDC的金剛石層與特定砂輪在規(guī)定裝置上進行對磨,特定砂輪的消耗量與PDC金剛石層磨耗量的比值即為PDC的磨耗比[5]。該指標能直觀地反映PDC的耐磨性能,是超硬制品行業(yè)表征PDC使用壽命的關(guān)鍵指標之一。

在磨耗比測試過程中,影響PDC磨耗比準確性的因素眾多,其中,PDC磨前磨后的稱量穩(wěn)定性以及磨削環(huán)節(jié)是影響PDC磨耗比最為關(guān)鍵因素。在PDC稱量環(huán)節(jié)中,由于PDC金剛石層含有極多的金剛石顆粒,表面耐磨性很高,磨耗量(質(zhì)量)非常微小,甚至部分特殊用途的PDC磨耗量僅為微克級,目前行業(yè)一般常用分辨力為0.01 mg的電子天平稱量PDC質(zhì)量,以滿足PDC稱量精度[6-8],但在PDC稱量時的放置位置和PDC磁性對其稱量穩(wěn)定性方面的報道較少。在PDC磨削環(huán)節(jié)中,PDC磨削位置、磨削角度以及磨削時間是PDC磨削環(huán)節(jié)的最為關(guān)鍵因素,磨削位置、磨削角度以及磨削時間的變動都可能會影響PDC磨耗比測試結(jié)果,導致企業(yè)之間的磨耗比數(shù)據(jù)可比性不強等問題。

通過細化PDC稱量環(huán)節(jié),探討PDC放置位置和有無隔磁對PDC稱量穩(wěn)定性的影響,探究PDC磨削位置、磨削角度以及磨削時間對其磨耗比的影響,以為PDC磨耗比測試提供參考。

1 試驗

1.1 試驗條件

PDC磨耗比測試機為M6025K型全自動磨耗比試驗機,其主軸轉(zhuǎn)速隨砂輪直徑變化而變化,以保持砂輪25 m/s的恒定線速度。采用噴砂硬度坑深為3.7 mm的標準綠碳化硅砂輪(簡稱“砂輪”),其型號為1-100×16×20 GC/F80 N V-25 m/s;6種PDC樣品均為地質(zhì)鉆探用1313型成品(編號為1#～6#,其尺寸均為Φ13.44 mm×13.20 mm,密度為3.71～3.75 g/cm3,金剛石層厚度為2.00 mm。磨耗比測試裝置如圖1所示,磨削參數(shù)如表1所示。采用德國Sartorius 225D型分辨力為0.01 mg的電子天平稱取磨削前后的PDC樣品質(zhì)量,采用瑞士METTLER TOLEDOGB 30型分辨力為0.005 g的電子天平稱取磨削前后砂輪質(zhì)量。為避免環(huán)境對測試結(jié)果的影響,所有稱量和測試均在環(huán)境溫度為(25±3) ℃、相對濕度為(45±5)% RH的條件下進行。

表1 磨削參數(shù)

圖1 PDC磨耗比測試裝置

1.2 試驗方法

1.2.1 PDC樣品稱量方式確定

為探究PDC稱量時的放置位置對其磨耗比的影響,首先在電子天平載物盤中心繪制了十字標記線(圖2中的十字中心線),同時,在PDC樣品的金剛石層表面也進行了標記(圖2中的紅線)。然后將PDC按照圖2的方式在電子天平載物盤上開展8種不同位置的稱量試驗。圖2中A～G是PDC樣品的金剛石層朝上,且沿載物盤標記線旋轉(zhuǎn)不同角度或偏心時的位置;H是PDC金剛石層朝下,且與載物盤同心時的位置。采用編號為1#的PDC樣品,在上述8種放置位置下重復稱量5次,計算質(zhì)量的平均值、極差和標準差,尋找質(zhì)量極差和標準差最小的放置位置,即為PDC的稱量標準位置。

圖2 PDC在載物盤上的放置位置示意圖

選用Φ40 mm×15 mm的木隔片置于載物盤中心,使樣品遠離載物盤表面,按照樣品“稱量標準位置”,分別在有、無木隔片的方式下稱量1#～6# PDC樣品質(zhì)量5次,計算質(zhì)量的極差和標準差,以探究木隔片是否能夠降低電子天平稱量誤差。

1.2.2 PDC磨削參數(shù)對其磨耗比的影響試驗

在找到稱量標準位置和確定有無木隔片的條件下,開展PDC磨削位置、磨削角度以及磨削時間對其磨耗比的試驗。

(1)PDC磨削位置的影響。采用1#和2# PDC樣品,任意選擇過其金剛石層圓心的2個對稱位置(記為X、Y點)作為磨耗比測試時的磨削位置。

(2)PDC磨削角度的影響。采用編號為2#、3#、4#、5#的PDC樣品,分別在PDC樣品軸線與砂輪接觸處切向呈45°和135°的角度下進行磨耗比測試,如圖3所示。

(3)PDC磨削時間的影響。采用5#、6# PDC樣品,分別在磨削時間為8 min、16 min和24 min下,按照表1的磨削參數(shù)和圖3(a)的固定方式下開展磨耗比測試,以探究磨削時間對PDC磨耗比的影響。

圖3 PDC磨削示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 PDC放置位置對其稱量穩(wěn)定性的影響

圖4是1# PDC樣品在8種不同放置位置下稱量的質(zhì)量平均值、極差和標準差。從圖4(a)可以看出：當樣品與載物盤同心的情況下,隨著樣品紅色標記線與水平線的夾角由0°旋轉(zhuǎn)到270°時(圖2中的A～D),樣品質(zhì)量的平均值最大相差了0.15 mg;當樣品紅色標記線方向不變,樣品偏離載物盤中心時(圖2中的E～G),樣品質(zhì)量的平均值最大僅相差0.01 mg;當樣品的金剛石層向下放置時(圖2中的H),樣品質(zhì)量的平均值與放置位置A時的相差了0.12 mg。這說明稱量時PDC樣品的旋轉(zhuǎn)角度和金剛石層朝向,對稱量結(jié)果的影響程度都比偏離載物盤中心時的更顯著。這是因為PDC樣品具有磁性,且其磁性具有方向性,進而影響PDC樣品稱量結(jié)果,這與國家計量檢定規(guī)程JJG 99—2006《砝碼檢定規(guī)程》中的“在測量過程中磁力會產(chǎn)生負面影響”的描述基本相符合[9-10]。磁力引起了樣品與電子天平傳感器或周圍相近的其他磁體間的相互作用,打破了電子天平固有的電磁平衡狀態(tài),使PDC的稱量結(jié)果隨放置位置的變化而變化。

圖4 放置位置對PDC稱量結(jié)果的影響

從圖4(b)可以看出：當樣品與載物臺同心且紅色標記線與水平線的夾角由0°旋轉(zhuǎn)到270°(圖2中的A～D),樣品質(zhì)量的極差由0.01 mg增加到0.03 mg,標準差由0.004 mg增大到0.012 mg;當樣品標記線方向不變,樣品偏離載物盤中心(圖2中的E～G),樣品質(zhì)量的極差由0.03 mg降到0.01 mg,標準差由0.012 mg降低到0.005 mg;當樣品的金剛石層朝下放置時(圖3中的H),樣品質(zhì)量的極差和標準差比放置位置A時的分別增大了0.01 mg和0.004 mg。因此,在8種放置位置下,PDC稱量的極差和標準差最大相差3倍。這說明PDC樣品旋轉(zhuǎn)角度、偏離中心位置或金剛石層朝向均會影響稱量結(jié)果的穩(wěn)定性。

由圖4(b)還可知：在A～H的8種樣品放置情況下,只有放置位置A下的樣品質(zhì)量的極差和標準差最小,即樣品處于載物盤中心,且金剛石層朝上時稱量結(jié)果的穩(wěn)定性較好。

2.2 木隔片對PDC稱量穩(wěn)定性的影響

圖5是有無隔片時PDC樣品的稱量極差和標準差。從圖5可以看出：采用木隔片隔磁后,6種PDC樣品的極差和標準差均減小,稱量的重復穩(wěn)定性均提高。這主要是PDC的硬質(zhì)合金基體和金剛石層中均含有較多的Co、Ni等磁性元素[11],其與電子天平形成的磁場將影響電子天平傳感器的電磁平衡,導致電子天平穩(wěn)定性降低。而木隔片是一種無磁性材料,可以有效弱化磁場強度,降低磁性對PDC稱量結(jié)果的影響,進而改善PDC稱量的穩(wěn)定性。因此,在PDC稱量過程中,在樣品與電子天平的載物盤之間,增加一定厚度的無磁性且不易感磁的木材或塑料隔片等,在一定程度上可降低PDC稱量誤差,提高稱量結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖5 有無隔片時對稱量極差和標準差的影響

2.3 PDC磨削位置對其磨耗比的影響

圖6是1#和2# PDC樣品在對稱位置的磨耗比結(jié)果。從圖6中可以看出：1# PDC樣品X點的磨耗比與Y點的磨耗比相差1000,相對偏差為1.8%;2# PDC樣品2個位置的磨耗比相差3 000,相對偏差為2.0%。這表明在相同的磨削條件下,同一PDC樣品表面的不同位置的磨耗比基本相同,這主要是PDC在壓制過程中因圓周方向受力相同,且燒成工藝一致,所以其磨耗比基本相同。因此,在PDC磨耗比測試時可不對PDC樣品表面磨削位置進行區(qū)分。

圖6 PDC對稱位置的磨耗比結(jié)果

2.4 PDC磨削角度對其磨耗比的影響

圖7是2#、3#、4#、5# PDC樣品分別在45°和135°磨削的磨耗比結(jié)果。從圖7中可以看出：PDC樣品在135°磨削的磨耗比均高于在45°磨削的磨耗比,其中相差最大的是2# PDC的,其在135°磨削的磨耗比是在45°磨削的2.8倍;相差最小的是3#PDC樣品的,其135°磨削的磨耗比仍是45°磨削的1.3倍。這表明PDC磨削角度對磨耗比結(jié)果具有顯著影響,主要是因為PDC金剛石層是在高溫高壓下制備而成,其表面的組織密度及硬度高于內(nèi)部的,且在出廠前為了保證PDC的尺寸和形狀精度,其上表面經(jīng)過電加工和磨削加工,表面硬質(zhì)層被去除,同時電加工還引入了熱損傷,導致表面硬度降低[12]。當PDC在45°磨削時,砂輪首先接觸的是PDC的上表面,PDC磨耗較快;當PDC在135°磨削時,砂輪首先接觸的是磨削加工的圓周面,因其表面硬度高于金剛石層上表面的硬度,PDC磨耗較慢,磨耗比較高。

圖7 PDC在不同磨削角度下的磨耗比對比

2.5 磨削時間對PDC磨耗比的影響

圖8是5#和6# PDC樣品分別在磨削時間為8 min、16 min和24 min下的磨耗比結(jié)果。從圖8可以看出：隨著磨削時間增加,2種PDC樣品的磨耗比均呈現(xiàn)下降趨勢,當磨削時間由8 min增加到24 min時,5# PDC樣品的磨耗比由初始的1.62×105降到1.40×105,降低了13.6%;6# PDC樣品的磨耗比由初始的1.75×105降到1.43×105,降低了18.3%。這是由于PDC工作層表面耐磨性好,且PDC被磨削區(qū)域為圓柱棱,當磨削8 min時PDC的刃棱較鋒利,磨削力較小,磨削溫度較低,刃棱被磨耗的質(zhì)量較少,則其磨耗比較高;隨著磨削時間增加,PDC刃棱逐漸鈍化,磨削區(qū)接觸面積增大,磨削力和磨削溫度急劇升高,刃棱處不僅產(chǎn)生了磨耗磨損,還出現(xiàn)了破碎磨損,因此PDC質(zhì)量損失較高,則磨耗比降低。

圖8 PDC磨耗比隨磨削時間的變化

從圖8還可以看出：6# PDC樣品在磨削8 min后的磨耗比較5# PDC的高8.0%,但隨著磨削時間的增加,兩者的磨耗比趨于接近,說明6# PDC的初始耐磨性能好于5# PDC的,但在磨削中后期(16 ～24 min)兩者的耐磨性差異較小。所以,在實際磨耗比測試中,建議考慮磨耗比與磨削時間的關(guān)系,適當延長磨削時間。

3 結(jié)論

(1)PDC的磁性是影響其稱量過程中質(zhì)量變化的關(guān)鍵因素,增加木隔片可減小PDC磁性對電子天平示值波動的影響,有效降低PDC稱量的極差和標準差,提高PDC稱量的穩(wěn)定性。

(2)在相同的磨削條件下,PDC金剛石層表面對稱位置的磨耗比相對偏差僅為1.8%～2.0%,但PDC在135°磨削的磨耗比是在45°磨削的1.3～2.8倍。

(3) PDC磨耗比隨著磨削時間的增加呈下降趨勢,且磨削時間由8 min增加至24 min時,最大降幅達到了18.3%。所以,在實際磨耗比測試時,建議考慮磨耗比與磨削時間的關(guān)系,適當延長磨削時間。