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PC抗冲击性能测试及测定仪的研制D


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《 刚石 与磨料 磨具 工程》 金  

/  口

P C抗冲击性能测试及测定仪的研制  D
4 07  中国地质 大学( 304 武汉) 士后流动站  旦堡  博
10 2 吉林 大 学勘 察 工 程 系 张祖

培 I郑 治 川 30 6    
摘要 本文在 研 究分析 现有 P C抗 冲击性 能测试 方 法 的基础 上 , 拟 P C在 钻 井过程 中的 实际受 力状 态 , D 模 D  

7  

1 引言 

研二 制  皇

’ 井 对  

这 是 一 种 疲 劳 冲 击 测 试 方 法 , 很好 地模 拟 了  虽
P C的实 际工况 , 由于 很 难找 到各 项 性 能指标 完全  D 但 相 同的花 岗岩棒 . 试 结 果 可信 度 较 小 ; 外 , 试 时  测 另 测 还必须 将 P C焊在 刀架 上 。 D  

性 槲试 乏 验 验     1  

P C作为切 削 工具 , D 被广 泛 地 应 用 于油 气 钻 井 作 

业中. 在钻进过程中, 由于轴向力和水平切削力的联合  
作用 、 钻具 与孔 壁 的摩 擦 、 杆 柱 的弯 曲 、 底 不 平 及  钻 孔 残 留岩 粉 、 机振动 等 因素 的影响 , 得钻 头 上的 P C 钻 使 D  受 冲击力 ,D P C抗 冲 击性 能反 映 了产 品 的韧 性 和 粘结 

英 国 D er公 司采 用 硅 铝 台 金 做 材料 , eBe ̄ 制成 圆 
形 的 工件 , 件 上每 10间隔有 一 v形 槽 , 工 8。 测试 时采用 

强度 . 是一综合 性指 标 , 是决 定其 使用效 果好 坏 的关  也
键所在 . 因此 , P C进 行 抗 动 载性 能 测试 具 有 非 常  对 D 重要 的实际 意义。   2 现 有 I C抗 动载 性 能测试 方法  P D

10 m/i 0r rn的切 削速 度 , 次 切 削 深 度 为 l m。 以试  a a 单 m 样 失效 时所 经过 v形 槽 的次数 作 为 测试 指 标  比较  来 P C的抗 冲击 性 能和粘结 质 量  】 D  
2 3 重 砣 冲击 法  .

国 内外对 P C抗冲击 性 能 的测 定都 非 常重 要 , D 到 
目前为止 ,D P C抗 冲 击性 能检 测 方 法 主要 有 高速 运 动 

重砣 冲击 是在 吊线 冲击 架 上进行 的 。冲击 架 由一 
抛 光 的钢 板 和 液 压 系 统 组 成 。液 压 系 统 可 以平 稳 调  节, 可作用 在试 样 上 5O一10 N 的轴 向压 力 ; 砣 可  O 00 重

颗粒 冲蚀 法 、D P C车削带 槽花 岗岩 棒旋 转撞击 法 、 重砣 
冲击 法及 国 内赵尔信 等人 研究 的可变 换 冲击功 落球式 

沿拉紧 的钢丝 移 动 , 载荷 靠不 同 的重 砣产 生 , 范围  动 其 在 0 1 0J .—50。试 验采 用 的测 试 参数 一般是 : 向压 力  轴 为 10N, 00 单次 冲击 功 为 06 , 验时 将试 样放 于 冲击  .J试
架 的钢板 上 , 并通过 一直 径为 a2 m 0 m的钢杆 向试 样施 

冲击 法等 。   21 高速运 动颗 粒 冲蚀法  . 美 国 G. C . E.o采用 该方 法测定 其产 品 的抗 冲击 性  能“。其基本 原 理是 用 硅 粉 或 玻璃 粉 作 为 抛 射材 料 , 】  
利用 电容放 电原理 使 这 些 粒子 获得 动 能 , 形成 高速 粒  子流 , 冲击被 测试 样 的表 面 , 其 产生 侵 蚀 破 坏 , 得  使 测

加10 0 N的轴向压力 , 0 然后多次抛落冲锤 . 直至试样完  全破 坏 。以试样 破 坏时 的抛 落次数 ( 冲击 总能 量 ) 为  作 衡量 P C抗 冲击 性 能 的指标” 。 D 】 
该 测试 方法测 出的 是在 一 定 的 条 件下 , 试样 完全  破碎 的冲 击次数 或 冲击功 , 实际上 ,D 但 P C切 削工 具在  井下 工作 时 , 往受 冲击剪 切 力而部 分或边 缘失效 . 往 而  不是整体 破 坏 , 以该 测 试 方 法不 能很 好 地模 拟 P C 所 D 
的实 际受 力 状态 。   2 4 可变换 冲击功落 球 式冲 击 法  . 该 方法 是赵 尔信 等 人  研 究 出来 的 , 国 内得 到  在

试样 受冲击前 后 的质量 损 失 , 根据 试 验 所 采用 喷 射 物 
质 的种 类 、 粒子流 的速度 及 质量损 失 比作出 曲线 , 为  作 其抗 冲击性 能的标准 指标 。  

该 测试 系统 由高能 电容 器组 、 发射装 置 、 高速 分幅  测速相机 及抛 射体 组成 , 对设 备要 求较高 , 不易 推广应 
用。  

22 P . DC车削 带槽 花 岗岩棒旋 转撞 击法    将 P C制 成车刀 , D 以一 定的 转速 和给进 力 横切 带  轴 向沟槽 的花 岗岩 棒 , 以车 刀发生 崩刃 、 分层 或破 碎 时 
所经受 的冲击 次数 作为其 抗 冲击性 能指标 。  

了一定程 度 的应 用 , 原 理 是 将 钢球 在 一定 高度 自由 其   落下 , 钢球 的势 能转化 为动 能 ( 冲击 能 )利用 该 能量 冲  ,
击 试样进 行 测试 。适用 于 测定 各 种 P D和 P C的冲  C D

t 第一作 者简介 : .9 8年 5月 生, 男 16 博士 , 吉林 大 学副教 授 , 现在 中 国地质 大 学 ( 汉 ) 士后 流 动站 从 事有  武 博
关超硬 材料 的科研 工作。  

20 .(2 ) 00 6 1o 

击韧性 。它 由支撑 杆 、 冲球及 球 夹 、 承冲砧 等构成 。球  夹固定在 滑套 上 , 可沿支 撑杆 上 下滑 动 , 以调 节落球 的 
高度 ; 另外 , 球夹 也 是 可更 换 的 , 故此 可 以通过 变 换 落  锤高度 或冲球 的大 小来调 节 冲击 功 。   测试 时 , 冲球 逐 次 冲砸 P C的边 缘 部 分 ( 次  使 D 单 冲击能量 一般 为 O 2 ) 以试样 表 面 出现可见 裂纹 或产  .J , 生破碎 时 , 得到 冲击 功 值 作 为 衡量 其 抗 冲 击性 的定量  指标 , 冲击功来 表 示 , 位 为焦耳 。 用 单  
此种 钡 试 方 法 在 原 理 上 是 完 全 可 行 的 , 试 误 差  I 测

3 2 测试原 理  . 本测试 仪 采用 多 次 疲 劳 冲击法 进 行 测试 , 原 理  其 是 利用 电磁 铁 将 冲锤抬 起 , 然后 从一 定高度 自由下 落 ,  

势能 转变 为 冲击 能 。 多次 反复 地 给 P C表面 聚晶 金  D 刚石层 施加 冲击 剪 切载 荷 , 使其 表 面 崩 块 , 被剪 断, 或  
从 而得 到试 样破坏 时 承受 的冲 击 次数 , 据 单 次 冲击  根

的能量 , 算 出 P C失效 时所 承 受 的 总能 量 , 计 D 以此 作  为评 价 P C抗冲击 性 能 的指标 。 D  
为 了更好 地模 拟 P C在 井 下 工 作 时 的实 际受 力  D 状态, 在测 试 P C的抗 冲击 性 能 时 , 计 了“ 臂 梁 ” D 设 悬   式 夹 持 装 置 , P C试  使 D I  

也能满足要 求 (《5 , %) 是一 种 比较 理 想 的测 试 方 法 ,   但随着 P C制造技 术 的不 断 进步  D D P C的质 量得 到 了 

大幅度 的提高 , 测试 一 个 试样 往 往 需 要 上 百次 甚 至 数 
百次的 冲击 。所 以该方 法 虽 然 操 作 简便 , 但重 复 性 的  工作量 太大 , 外采 用 人工记 录 冲击次 数 , 另 也是 比较繁 
琐的 。  

样受剪切 冲击载荷。同  

l    F

所以, 无论 是 国 内的还是 国外 的 , 些测试方 法 都  这 有其局 限性 , 还需 研 究 一种 被 大家 普 遍认 可 的检测 方  法和检测 仪器 。   3 F Y型 P C抗动载 性 能 测试仪及 测试原 理   D Z D 31 D Z .   F Y型 P C抗 冲击性 能 测试 仪介绍  D DZ F Y型复 合 片 冲击 破碎 能测 定 仪 是 一种 采 用 可  变换 冲击 功 的落锤 式 自动 冲击 装 置 . 用 于测 定 各种  适

3 4 可靠 性验 证  .

缘P /  切首 、J 破所/. 是时   萎 /, 处冲 / 载先   坏示 / 在, , 瓣D   。产 ∥ 荷。 / 边C , ,击   在的 A 如生 作薹 缘  测边 图  用厂 部/ 试' 于 分 2    ̄
图 2 P C测试原理 图   D  

为 了检 验仪 器传 递 能 量 的可 靠性 , 在不 放 试样 的  情 况下 , 用压 电石 英 力传 感 器来 接 收 冲 锤 冲击 产 生  采
的力 峰值 和 冲击 能量 , 比较 实测 能量 及 冲击力 和 理 论  值的 大小 , 而 验 证测 试 系统 的可靠 性 。表 1 从 是测 试 
结噪 。  
寰 1 冲 击 力最 冲 击 能 量 的宴 捌 和 器 论 值 对 比 

人造金 刚石 聚晶(C ) 复合 片 (D ) PD 和 P C 的冲击性  。   其 主要 由机 械装 置 和 控制 系统 两 大部 分组 成 ( 如 
图1 所示 ) 。控制 系统 可 实现 冲锤 的 自动 冲击 、 停 冲  暂 击及终 止冲击等 动 作 , 可 自动记 录和打 印输 出测 试  也 结果 。仪器的 主要参 数 为 : 单次 冲击 能量 : O~2 5 ; .J 冲  击频率 :2次t i ; 测 试 复 合 片 范 围 : ( 1 a rn 可   8~2 )× 6  
( . 2)m 。 3 5 o ( m)   

落锤 高 度 

冲 击 舶 量 ,  J

最 大冲 击 力 .  N

理 论 值  实 测 值  误 差 , % 理 论值   宴 测 值 谩差 ,   %
-  0 O 2 0 0   O. 8 2     170 如 38 O 3 6 5   O. I 2 4   1 00 326  ∞  2  5 O. 21 0   O 41 3 2 4 40   6 9  O. 6 ∞   O  l 0   兜 7 5D 1 2  J   l 0  2   l 9  l   10  .0 4  7 1   47.  5 5    75 6 9 4.   4 6 0.   4 2 8.   5   88 6 .  23 2. 3 6  14   .了 2. 6 2  4. l O 

据表 l 最 大冲击 力 的最 大相对 误差 为 4 O %, , . 1 冲 

l  
一_ 

;  
,一

J  

击 能量 的最 大相 对 误 差 为 1 2 % , .0 由此 可 见 . 测 试  该

\ ,   5  
= 

系统 能确保试 样所 受 的冲击 力及 冲击能量 和理论值 基 
本 一致 , 即是该 测试 系 统 具 有 较 高 的 可靠 性和 测 试  也 精度 。   4 P)   I C的 性能 检 测及数据 处 理 
( 控 制系统  b )

f  —   , 6  
I   r7    
一  

采用 D Z F Y型测 试 仪 , 行 了 P C抗 动载 性 能测  进 D 试, 单次 冲击 功 为 2 O , .J测试 时可 采用 两种形 状的 冲头  楔形 和 球 形 。检 测 结 果如 表 2 显 然 , 同一条  。 在

Ⅱ  
一  

、  

I L  -   ■ j.  

  1

--

一   4  


l 调 节蠕栓 : 一 一 2 螺母 ;4 一立挂 ;   3 一电磁铣 上下夹扳 ;5   7 -电磁铣  6 一冲锤锤 ; 一 粱;9 8 横 一冲头 ;   1 一试样夹特装置{1— D 0 lP C试样  l 一滑板 ;1 一底座  2 3





件下 . 冲击次 数 n值大 的 P C试 样 , 抗 动 载性 能强 、 D 其  

寿命 长 , 简单 的数据处 理方 法 即是 : 同一类 产 品中取  在
不 同的试 样 , 别 用 不 同 水 平 的 冲击 能 量 E进 行 测  分 试 , 算 出 n值 的平 均值及 r的均方 差和 分散度 , 做  计 l 并 出单 次 冲击 功 与 n的 平 均 值 的 关 系 曲 线 图。但 由于  P C结构 上的非 均 匀 性 或 内部缺 陷 . 得 在 同一 条件  D 使

{ 机械装 置  a )

图1 P   DC动 裁 测 试 系统 

?l ? 2  

《 刚石 与磨抖磨 具 工程 》 金  

下测试的数 据具 有很 大 的波 动 性 , 为了 研究 P C等超  D 硬复合 材料 在冲 击载荷 作用 下的一 般行 为规 律与相关  因素 ( 化学 成分 、 构 、 造工 艺 等 ) 结 制 的关 系 , 求 在相  要 同能量下尽可 能多 测 一些 试 样 , 随后 进行 数理 统 计 处  理, 这样才 能得 到 比较 可靠的试 验数 据 。  
裹2 眦 抗 动 薮 性 麓 测试 嫡 暴 裹  备  注  样 品牌 号  样 品 中 号  冲 击 欢 散  冲 击 总 能 量  ( 厂束 )   () n  () J 
CR- ∞   3 1   2  8 , 5  6

P) I C工作 时的 真实 情 况。   () 3能够 自动完成 检 测 和 记 录工 作 。即测 定 仪能 
自动识 别 P C是 否 被破坏 ( 断) 同时 还能 自动 记 录  D 剪 , 冲击 的次数 及 冲击 的 总能 量 , 可将 测 试 结 果打 印输  并

出i 减少 了操 作人 员 的繁杂 劳 动。   () 样 台与底 座之 间采 用燕 尾槽 形式连 接 。 动  4试 滑
自如 , 定方 便 . 于更 换试 样 。 锁 易  

() D 5P c的应 用越来 越 广泛 , 对其 质量 进行 合理 的 
评 价和检测 也 显得 十分必 要 和迫切 , 因此 , 建议 有关部  门应 给予足 够 的重视 , 制定 该 方面 的检测 标 准。   参 考 文 献 
.  

( 四方 盐 司 )  
C 1o C   R 36 F ( 四方 公 司)  

2  
3  

5  
>30 0 

1  0 )60 0 
经 3 0改 冲击 后 没  0 有 损 伤 而停 止 冲击 

4  
5  

>30 0 
>3   ∞ 48 S 

CR1 3   91 CB

6  

96 7 

( 四方 叠 司)  

7  
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17 4 
1r   6

24 9 
32 5 

囊 晶层 掉 蚨 

I 方啸 虎 主 壤 . 硬 材 料 蘑 础 与 标 准 . 章 : 回建 材 工 业 出 版 社 起 北 中
19 .   9 8 4.

国 外某 登 司 

9   1  O

21 7  15 6 

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1 禀晶 层 和 基  O 件 同 时 破 碎 

2 z.亡E JE.id D .,e同   Fn  . Fe . yL i   r l n
R v ,99 " l9 3 :0  oi 18 . o ( ) 14  ̄  ̄4

1o  i ̄n  r,Id日i  i l d - fIa od Gi . uta 1 ̄ o   )l t n rl)m n

5 结 束 语 

3 陈 蓦雷 . 春地 质 学 虎茸 士 学位 诂 吏 .9 16 长 19 .  4 中 再 专利 c   48 l , 种 托 冲击 韧性 州 主 授 . H 2 55 r 一 0 J   5 张 租 培 , 回 民. 牵 卦袁 窖 等 . F' 叠 一 石 单 晶 置 蔓 奢 片 冲 击 t 肆  D' Z Y型 I 能一 定位 . 雕 石 与蘑 料 蠹 鼻 工 程 ,99. oI 叠 19 N .  
( 稿 耳期 : 收 2 ∞0—0 7—2) 宕 

() 1本测试 系统 可 以对 多种 形 状 的 P C进 行动 载  D 检测 . 并且 冲击功大 小调 节方 便 , 测试样 范 围广 。 可   () 据 P C在井 下 工作 时 的 受 力 状 态 , P C 2根 I ) 在 D  边 缘 施 加 冲击 剪 切 载 荷 进 行 测 试 , 试 结 果 能 拟 合  测

( 辑; 编 王孝琪 )  

( 上接 第 9页 )  

工 鼻技 术 ,97 3( )3—6  19 ;I6  .

具有成 本低 、 率 高 、 艺 简便 等 优 点 , 尤 其 适 合  效 工 它
C 1金 刚石膜 的楹抛光 。 V)  
5 结 论 

3 提 虎 r 土 . 哪石 虞 性 虎置 .应 用 新 技 丰 新 工艺 ,97 ( )3   供 全 t t - 19 ;6 :9

.  

4 ’村净,   | 蠕羹 学 葶 . 啊石 虞 加 工 技 术 . 技 术 新 工 艺 ,9  f) J  叠 斯 l9 J  3


-  4
.  

5 付 一 置 手 韩 土抛 先 叠 咧 石 虞 技 术 . 拄 丰 通 讯 ,9 ;1 : —5   高 1% () 1
6   S  n d  I , h p,   d a o d f m* .   I . Sa i ̄ l im n   l   i m l . nn .9 3。 6 8 2—8 4. e 一 N   1 9 3 2: 2   2    ̄e ig wi   dI ihn   t m 曲  h 一札^  h

电加工方 法可用 来抛 光 C 1金 刚石膜 。抛光 前 , V)  
需要在膜 表 面预先用 化学 镀涂 覆一层 导 电金属 。该 技  术的关键是 选择 潦覆 材料 。试 验 表 明 , 钛是 较 好 的  纯

7 M? 汕 k e .H   Y ~ I   毗一i - 啦 I o|  棚 d m h  v 坷 一m   ]h pb   c D出伽帅 d   i fm ^lc_ 【妇 馏 o L  o日e lr l I h  e d I fb p 1bd?r  e j I岫
1 I . 9 6 8 - 7一Ⅻ 1   - 9 . 8} 9 0 .  

涂覆 金属 之 一 。C D金 刚石 膜 的 去 除是 多 种效 应综  V

.u 雠e Sd  

c i "e . ∞I r .    eh

合作用的结果 . 它包括了爆 炸抛出、 碳的氧化和蒸发、  
界 面的化学反 应 以及金 刚石 的石 墨化 。觋 已证 明金刖 

8 A. it,   .  ' Ii  f b   Hm ̄ H r o hⅡ 0 c 哪 曲  |ord Be  i mI n   o E   pI 印0icd Ⅱ - l 1 tI 4 d 强
j b 帅 咖 9 B. .   c  j 出 dTI odF T .9 2( 1)4 4 . m  o .InSl  钉廿 19 .22 :3— 8  j i | H .啦 舯   . 一i b ∞ 帅 p】    a5 o iE   一册   删 i  nm 】 

石 的表 面石 墨化 . 是实 现 C D金 刚石膜 连续 电抛 光 的  V 重要 条件 。使 用 该 项技 术 可 以 高教 率 的实 现 C D金  V
刚石膜 的粗抛 光 。   致谢 : 项 目得 到 国 家 自然科 学基金 、 东省 自然  本 广 科 学基金赞助 支持 , 此感谢 。 特  
参 考 文 献 

^  耐 O ̄e .92 , (3 :36 39  P li 19 .- t)20 —26 . B
1   V. A弘  t O P. d  .  , p e     E   蜘 帅 d a d d_   n  唧 1 . d一] k n 腽 i  l n
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I 编辑 : 王孝 琪)  


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