超硬聚晶金刚石磨损性能及其应用研究

【摘要】：超硬聚晶金刚石(UHPCD)材料是一种以金刚石微粉和化学气相沉积(CVD)金刚石柱为原料在高温高压条件下合成的新型超硬材料,对于这种材料在不同工况下的摩擦学性能研究可以为其在实际生产中应用提供理论基础。本论文通过车削花岗岩的方式研究超硬聚晶金刚石材料在钻探领域应用时的抗磨性能和磨损机制,利用CSM摩擦磨损试验机考察了其在微观领域中的摩擦学性能,最后针对性地设计了超硬聚晶金刚石钻头并研究超硬聚晶金刚石材料在钻头实际生产中的性能表现。研究结果表明:(1)超硬聚晶金刚石复合材料和聚晶金刚石(PCD)材料均能有效切削花岗岩,在不同转速测试条件下,UHPCD的材料均表现出了约为PCD材料一半的磨耗比,即两倍的耐磨性;超硬聚晶金刚石在车削过程中会形成一个以CVD金刚石为顶,周边聚晶为支撑的凸台,而聚晶金刚石的磨损面则会逐渐贴合花岗岩柱表面,这主要是由于CVD金刚石的硬度高于PCD材料造成。超硬聚晶金刚石在磨削花岗岩的过程中的材料损失主要是由于疲劳导致的材料的层状剥落;而聚晶金刚石的材料损失主要是由PCD材料的颗粒剥落所导致的。(2)UHPCD经抛光后端面处CVD金刚石和PCD在跨尺度载荷和速度下的摩擦学性能十分接近;在载荷1×101-1×102μN的范围内摩擦系数高且波动大,随载荷增加呈现下降的趋势,影响摩擦系数的主要原因是微凸体的互锁作用;在1×102-1×104μN的范围内摩擦系数相对较低但存在波动,影响摩擦系数的主要原因是表面粗糙度;在1×104-7×106μN的范围内,摩擦系数稳定且有随载荷增加而下降的趋势,这可能是由于载荷的增加客服了粘附力所致。摩擦线速度在10-1000μm/s范围变化时,UHPCD材料的摩擦系数波动很小。(3)成功设计制备了超硬聚晶金刚石钻头,并成功应用在岩石可钻性等级为9-12级的前陈矿区中,超硬聚晶金刚石钻头对比相同工艺聚晶金刚石钻头寿命至少提升10%;超硬聚晶金刚石使用寿命高于聚晶金刚石钻头主要是由于超硬聚晶金刚石的耐磨性要优于聚晶金刚石且切削效率高于聚晶金刚石,可以认为超硬聚晶金刚石的钻进效率也会高于聚晶金刚石。