聚晶金刚石复合片（制造耐磨工具的新型功能材料）

释义

学科：钻探工程

词目：聚晶金刚石复合片

英文：polycrystalline diamond compact

将聚晶金刚石薄层附着粘结在硬质合金衬底上的复合材料称金刚石复合片，代号为PDC。金刚石复合片兼有金刚石聚晶的极高耐磨性和硬质合金的高抗冲击，并且金刚石层能始终保持锐利的切削刃，因而在石油和地质钻探中的软至中硬地层使用，效果非常好。复合片中的金刚石含量高达99%，故金刚石层硬度极高、耐磨性极好，其努氏硬度为（6.5～7）×104兆帕，甚至更高。其厚度很薄，一般控制在0.5～1毫米左右。竖直镶焊在钻头上，其刃口锋利而且始终保持自锐，也称为微切削具钻头。

背景

复合片因其本身的优越性，在国内外竞相研制和生产，而且品种规格很多。美国GE公司是最先推出复合片的生产厂家，它的主要产品有compax，后又生产出stratapax，后者为钻探专用产品，它的耐磨性比硬质合金高l00～150倍，可与天然金刚石媲美。其他如南非、日本也都于20世纪70～80年代推出不同类型的复合片。中国从20世纪80年代初开始研制金刚石复合片，1975年，成都工具所研制出FJ系列刀具用PDC，1979年，北京人工晶体所研制出JYF型PDC刀片，1981年，贵阳第六砂轮厂研制出JFS-F系列PDC刀片，1987年，郑州磨料磨具磨削研究所成功研制出石油钻头用PDC，1988进行小批量生产，商品代号JFZR，1990年组建新亚公司实现规模化生产，大大加速了PDC在我国的普及应用。至今，国产PDC规格齐全，基本能够满足国民经济发展的需要。

发展方向

1、聚晶金刚石层不断加厚，由不足1mm发展到2-4mm，产品的寿命也随之提高。郑州新亚、河南亚龙的石油系复合片金刚石层已经做到4mm，代表了国内最先进水平。

2、金刚石晶粒越来越细，耐磨性和抗冲击性综合性能提高。

3、通过优化工艺或脱Co、增加耐热层等工艺，提高热稳定性。

4、界面结构的优化，改善界面应力。

5、产品直径不断加大，提高合成效率。

6、改善烧结效果，减小性能差异。

7、异形复合片，国内大型复合片制造企业郑州新亚及河南亚龙等公司研制出了多金刚石层复合片、钢盔型复合片、屋脊型复合片、锥形复合片、弧形金刚石复合片等新型金刚石复合片，通过改变金刚石层形状在不改变耐磨性的前提下极大提高了金刚石复合片的抗冲击韧性，占领了国内大部分市场。

人造金刚石复合片是超硬材料类，这个超字不具体，范围很广。超硬材料就是洛氏硬度（HR），布氏硬度（HB），维氏硬度（HV）很高的材料。一般的45#刚HR是30-60，最硬的天然金刚石。这个概念涵盖范围很广，高硬度钢、高硬度陶瓷、人造钻石等等都可以算。

性能与切削特点

1、硬度为HV7500-9000，仅次于天然金刚石，而且它的硬度和耐磨性在各方向一致，不需选向。它的强度由于有韧性较高的硬质合金支撑，其复合抗弯强度可达1500Mpa.

2、具有很高的耐磨性，其耐磨性一般为硬质合金的60-80倍。在切削硬度较高的（HV>1500）非金属材料时，其刀具耐用度极高。

3、具有较低的摩擦系数，金刚石与有有色金属的摩擦系数为0.1-0.3，而硬质合金与有色金属的摩擦系数是0.3-0.6，这样用PCD刀具时，可降低切削力和切削温度约1/2-1/3.

4、具有很高的导热性，金刚石的导热系数为146W/M.K，是硬质合金的1.5-7倍，可以大大的降低切削区的温度，提高刀具耐用度。

5、金刚石的线膨胀系数很小（0.9-1.18*10（-6）mm/mm.温度），约为一般钢（11*10（-6）mm/mm.温度）的1/10.而且由于刀刃锋利，已加工表面冷硬度现象小，为硬质合金刀具的1/3左右，所以加工精度好。

6、由于聚晶层粒度直径一般约为2-0.5微米，它的刃口锋利程度不如天然金刚石刀具，所以加工精度低于天然金刚石刀具，只能达到表面粗糙度Ra0.2-0.05 微米，但它海可以制成尺寸较大的刀片，用于成型加工。