一种聚晶金刚石复合片去应力方法与流程

1.本发明涉及超硬材料技术领域，具体涉及一种降低聚晶金刚石复合片残余应力的方法。


背景技术：

2.聚晶金刚石复合片(简称”pdc”)是由聚晶金刚石和碳化钨-钴硬质合金经超高压高温合成而得。pdc超硬复合材料制品己广泛应用于多个领域。由于金刚石与硬质合金二者的热膨胀系数相差很大，pdc在高压下烧结完成后卸压冷却过程中不可避免地会产生热残余应力。残余应力的存在会降低pdc的强度，在使用过程中金刚石层容易崩边甚至从基体上剥落，从而导致pdc失效。
3.当前行业内普遍采用传统的热时效方式降低pdc的残余应力，热时效需要专用的加热炉，投资大、能耗大、效率低；最重要的容易造成pdc的热损伤，导致强度降低。振动时效即给零件施加交变应力，该应力与零件的残余应力叠加，当应力叠加的结果达到一定的数值后，在应力集中部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形，塑性变形降低了该处残余应力峰值，并强化了金属基体。故振动时效在消除应力的同时还会提升零件强度。当前振动时效主要应用于钢铁行业大型构件、焊接件应力的消除，不会引起热损伤及变形，具有时效周期短、效率高，节能环保等优点。针对现有技术中的问题，本发明首次将振动时效应用于pdc应力消除领域，在降低应力的同时不损伤pdc强度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服了现有技术中采用传统的热时效方式降低pdc的残余应力的缺陷，提出一种降低聚晶金刚石复合片残余应力的方法，将振动时效应用于pdc应力消除领域，该方法耗时短、成本低、操作简便，降低应力的同时提升pdc的强度。
5.本发明的目的是通过如下措施来实现的：
6.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
7.s1：振动构件的预备，将多组puc片与夹具组合成整体构件a；
8.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
9.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
10.s4：振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
11.为了进一步优化本发明，可优先选用以下技术方案：
12.优选的，所述步骤s1，具体还包括：
13.s101：准备需要时效处理的多组pdc片，将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
14.s102：：根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有
效振型；
15.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；
16.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
17.s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
18.优选的，所述s101夹具为钢板，多组pdc片顶部通过螺钉盖板固定于钢板上，保证刚性联结。
19.优选的，所述钢板厚度为35-40mm、长2m、宽1m。
20.优选的，所述s101夹具为抽屉式箱体，箱体的一侧活动设置有用于移动固定pdc片的挡板。
21.优选的，所述步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置。
22.优选的，所述步骤s2，具体包括：
23.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
24.s202：振动时效处理时间0.5小时～3小时；振动时效过程中控制振动加速度20～100m/s2；
25.s203：以有效频率激振所述构件。
26.优选的，所述步骤s101中多组pdc片叠放且并排布置。
27.本发明的有益效果：
28.1.利用本方案提出的去应力方法，可实现降低应力的同时提升强度
29.2.适合生产应用，效率高，投资小，操作方便，节能环保。
30.3、本方案中残余应力采用xrd进行定性说明，振动时效前后物相无变化，仅发生了衍射峰右移，根据布拉格公式2dsinθ＝nλ，衍射角增大，晶格距离减小，即样品振动时效后拉应力减小或者转变为有益的压应力；对振动时效前后的样品进行扫描电镜分析，未发现微观组织形貌发生变化；对采用振动时效和热时效的样品进行落锤冲击强度对比，各取样品5片，结果表明振动时效后的样品平均冲击强度高于热时效12.5％；本处理方法效率高：振动时效处理一批耗时十几分钟，热时效需要十几小时，大大提升处理效率。
附图说明
31.图1为聚晶金刚石复合片去应力的步骤流程图；
32.图2是聚晶金刚石复合片形成的第一种构件示意图。
33.图3是图2的俯视图
34.图4是振动时效前后xrd衍射图谱。
35.其中：100-构件，101-激振器，102-加速度传感器，103-弹性支撑。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.其中聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，pdc)属于新型功能材料，是采用金刚石微粉与硬质合金衬底在超高压高温条件下烧结而成，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。
38.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。
39.如图1-4所示：
40.实施例1：
41.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
42.s1：振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a100；
43.其中步骤s1，具体还包括：
44.s101：准备需要时效处理的多组pdc片成叠且并排布置，将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
45.s102：：根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；
46.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置，本实施例中弹性支撑采用橡胶垫。
47.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
48.s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
49.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
50.其中步骤s2，具体包括：
51.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
52.s202：振动时效处理时间12min；振动时效过程中控制振动加速度20m/s2；
53.s203：以有效频率激振所述构件。
54.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
55.s4：振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
56.实施例2：
57.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
58.s1：振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a100；
59.其中步骤s1，具体还包括：
60.s101：准备需要时效处理的多组pdc片成叠且并排布置，将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
61.s102：：根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；
62.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置，本实施例中弹性支撑采用橡胶垫。
63.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
64.s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
65.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
66.其中步骤s2，具体包括：
67.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
68.s202：振动时效处理时间0.2小时-3小时；振动时效过程中控制振动加速度20-100m/s2；
69.s203：以有效频率激振所述构件。
70.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
71.s4：振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
72.实施例2：
73.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
74.s1：振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a100；
75.其中步骤s1，具体还包括：
76.s101：准备需要时效处理的多组pdc片成叠且并排布置，将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
77.s102：：根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；
78.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置，本实施例中弹性支撑采用橡胶垫。
79.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
80.s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
81.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
82.其中步骤s2，具体包括：
83.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
84.s202：振动时效处理时间15min；振动时效过程中控制振动加速度35m/s2；
85.s203：以有效频率激振所述构件。
86.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
87.s4:振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
88.实施例3：
89.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
90.s1:振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a100；
91.其中步骤s1，具体还包括：
92.s101：准备需要时效处理的多组pdc片成叠且并排布置,将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
93.s102：:根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；
94.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置，本实施例中弹性支撑采用橡胶垫。
95.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
96.s105：将加速度传感器102安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
97.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
98.其中步骤s2，具体包括：
99.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
100.s202：振动时效处理时间1小时；振动时效过程中控制振动加速度50m/s2；
101.s203：以有效频率激振所述构件。
102.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
103.s4:振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
104.实施例4：
105.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：
106.s1:振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a100；
107.其中步骤s1，具体还包括：
108.s101：准备需要时效处理的多组pdc片成叠且并排布置,将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；
109.s102：:根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；
110.s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置，本实施例中弹性支撑103采用橡胶垫。
111.s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；
112.s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。
113.s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；
114.其中步骤s2，具体包括：
115.s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；
116.s202：振动时效处理时间3小时；振动时效过程中控制振动加速度100m/s2；
117.s203：以有效频率激振所述构件。
118.s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；
119.s4:振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。
120.其中作为一种夹具形式，s101中织带的夹具为厚度为35-40mm、长2m、宽1m钢板，多组pdc片顶部通过螺钉盖板固定于钢板上，保证刚性联结。
121.如图2、3所示，作为另一种夹具形式，s101夹具为抽屉式箱体，箱体的一侧活动设置有用于移动固定pdc片的挡板。
122.如图3所示，振动时效后物相无变化，结合剂相衍射峰右移明显，说明晶格间距变小，宏观解释为压应力增大或者由拉应力转变为压应力，众多周知压应力对于材料的强度提升是有益的，经对比振动时效后的pdc冲击强度提升约10％；证明振动时效对pdc应力的消除是有效的。
123.针对本实施例振动时效、热时效后的产品进行落锤冲击实验：
124.实验方法：采用行业通用的落锤冲击对两种时效方法对比：各取样品5片，分别标记为#1、#2、#3、#4、#5；每片在相同的冲击能量下冲击直至破坏，对比实验数据如表1。
125.下表为振动时效与热时效冲击强度测试数据
[0126][0127]
上述数据表明：5片冲击破坏的平均冲击次数分别为10.8次和9.6次,振动时效冲击强度较热时效强度提升12.5％。
[0128]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:振动构件的预备，将多组pdc片与夹具组合成整体构件a；s2：确定整体构件a的振动时效的工艺参数；s3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；s4:振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用xrd衍射测试pdc振动时效前后应力的变化。2.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述步骤s1，具体还包括：s101：准备需要时效处理的多组pdc片,将其固定于专门的夹具中，确保各个复合片之间以及夹具与复合片之间刚性接触，形成整体构件a；其中刚性接触为：振动时不发生相对位移；s102：:根据所述步骤s101中制得构件a的材质、尺寸、应力分布等分析判断所需有效振型；s103：根据步骤s102中预测的有效振型结果，在有效振型的节线附近弹性支撑所述步骤s101中制得的构件a；s104：将激振器安装在所述步骤s101中制得的构件a振动时的波峰处；s105：将加速度传感器安装在步骤s101中制得的构件a的边缘或端部。3.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述s101夹具为钢板，多组pdc片顶部通过螺钉盖板固定于钢板上，保证刚性联结。4.根据权利要求3所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述钢板厚度为35-40mm、长2m、宽1m。5.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述s101夹具为抽屉式箱体，箱体的一侧活动设置有用于移动固定pdc片的挡板。6.根据权利要求3所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述步骤s103中弹性支持的支撑点为有效振型中振幅最小位置。7.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述步骤s2，具体包括：s201：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效构件的固有共振频率，选定亚共振区作为有效振型的共振峰，亚共振区确定在共振峰高度的1/3～2/3所对应的频率范围内；s202：振动时效处理时间0.5小时～3小时；振动时效过程中控制振动加速度20-100m/s2；s203：以有效频率激振所述构件。8.根据权利要求2所述的一种聚晶金刚石复合片去应力方法，其特征在于：所述步骤s101中多组pdc片叠放且并排布置。

技术总结
本发明涉及超硬材料技术领域，公开了一种聚晶金刚石复合片去应力方法，包括以下步骤：S1:振动构件的预备，将多组PDC片组合成整体构件A；S2：确定整体构件A的振动时效的工艺参数；S3：全自动振动时效处理；设备根据设定的参数自动运行，自动停止；S4:振动时效后应力评价；其中应力评价采用定性评价方式，运用XRD衍射测试PDC振动时效前后应力的变化，将振动时效应用于PDC应力消除领域，该方法耗时短、成本低、操作简便，降低应力的同时提升PDC的强度。降低应力的同时提升PDC的强度。降低应力的同时提升PDC的强度。


技术研发人员：常岩岩 骈小璇 韩欣 王伟涛
受保护的技术使用者：郑州新亚复合超硬材料有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15