单晶金刚石质量检验

如题所述

目前,单晶金刚石质量检验的指标为:抗压强度、晶体形态、热稳定性、粒度、抗冲击韧性等。

一、金刚石单颗粒抗压强度的测定

测定时,把金刚石视为等积形的小立方体,测量其能承受的最大垂直压力(即破碎压力)作为其抗压强度,开始用公斤·力/平方厘米表示,现在直接用“公斤”数来表示。

采用的仪器为单颗粒抗压强度测定仪,其结构见图2-12-1,其工作原理为杠杆原理。

具体操作时方法是:用标准筛筛取某粒度号金刚石,用“四分法”镊取适当量的样品,置于玻璃板上,排长长的一排(颗粒间不重叠),不得挑选,均匀间隔地取40粒样,将金刚石放在压块上,将压头压在金刚石上,然后慢慢加载(移动游砣),直至压碎为止。

计算时,先求出40粒负荷值的算术平均值,核对各粒负荷值,凡超过平均值一倍者舍去,余数再按公式求平均值,即为该样强度值。

碎岩工程学

式中:P为单颗粒强度值,kg;Qi为每粒金刚石破碎负荷,kg;40为测量颗粒数;n为负荷超过平均值1倍的颗粒数。

图2-12-1 单颗粒抗压强度测定仪

二、晶体形态测定

金刚石晶形的好坏,标志着金刚石质量的好坏,并直接影响使用效果。

检查项目包括:等积形、完整单晶形、非完整单晶形、无定形单晶体、聚晶体和连晶体。

等积形是指长、短轴之比不大于1.5∶1;完整单晶形,是指晶面完整无熔蚀现象;非完整单晶形是指晶面不完整,有严重熔蚀现象;无定形单晶体:如剑尖、扁条状或树枝状;聚晶是很多微小单晶体聚合在一起;连晶是两个或两个以上不完整单晶体生长在一起。

分析方法:采用四分法取样,逐个用实体显微镜观察,分析量不少于1000粒;然后计算各种晶形所占百分数。

例如,对于JR3品级:等积形金刚石不得低于观察总数的80%;完整晶形占12%;连聚晶体不大于3%。

三、热稳定性测定

热稳定性值一般以温度来表示。金刚石的热稳定性,即在某温度下金刚石失去原有的性能。热稳定性的测定有如下两种方法:

1.金刚石在空气中的热稳定性测定

利用MH02型高温显微镜进行测定的。测定时,首先将试样放在卧式管状加热炉内,边升温边观察,随着温度升高至金刚石表面碳化温度,金刚石透明度消失,随后晶棱上出现锯齿状的毛刺,此时记录下的温度值,以表示金刚石的热稳定性。

2.在保护气氛下的热稳定性测定

加热时,向加热炉内通入氮氢保护气体(N2+H2),从700℃开始至1300℃止,每升高100℃保温半小时,待冷至室温后,将试样取出进行单颗粒抗压强度测定,以某温度下的抗压强度值表示金刚石的热稳定性。

四、粒度检查

人造金刚石磨料,根据其颗粒尺寸大小不同,分为磨粒和微粉两大类:前者用筛分法检查,后者用显微镜观察。

1.筛分法

根据试样粒度选用标准筛,按粒度检查取样,筛分时间规范(表2-12-1),称取一定数量洁净的试样,倒入最上层筛网中。筛分后对各层筛上物分别称重,并算出粒度组成的质量分数。

表2-12-1 粒度检查取样、筛分时间规范

例如,对于定为80目金刚石,要求:①100%通过70目的筛网;②80目网上的金刚石,不大于5%(按质量计);③100目网上的金刚石,不小于85%;④120目网上的金刚石,不小于9%;⑤通过120目网上的金刚石不大于1%。

2.显微镜法

主要用来检查金刚石细于W40的微粉。微粉共分12个等级:从W0.5~W40,0.5、40为微粉颗粒尺寸,单位为微米(μm)。

显微镜法用的主要仪器为:1500X生物显微镜、电动求积仪和目镜测微尺。

检查方法:取少量试样置于器皿中,滴入适量的甘油拌匀,用玻璃棒粘一小滴于玻璃板上,使试样均匀摊开;选择好显微镜的放大倍数(对于W3.5及以细),采用1000×~1500×;对于W5~W14,采用600×~800×;对于W20~W40,采用150×~300×。检查有否大颗粒存在、粒度是否均匀、细粒是否过多。被检查颗粒总数不小于500粒。

如发现有大颗粒存在,可作为不合格样品处理。

例:对于W40微粉,小于20μm颗粒不大于10%;对于W10微粉,小于5μm颗粒不大于10%。

五、抗冲击性能

过去对超硬磨料(包括金刚石)的测试,仅停留在静载上,而超硬磨粒在工作中往往承受动载。因此,很有必要对超硬磨料进行抗动载(或抗冲击)性能的测试。但该测试有一定的难度,至今无统一标准。国内外虽有些可测的仪器,但测出的数据大多为“当量强度”,反映不了真正的强度值。

测试方法较多,仅举几例加以说明。

1.球磨法

是将金刚石样品与钢球放在容器内随机撞击和研磨一定时间后,观察样品破碎程度的大小,并以保持原尺寸颗粒的百分数(当量强度)作为测试指标。

美国、日本均有此类仪器,它用于磨料行业比较合适。

2.辊碎法

用于辊碎法的辊轮装置,见图2-12-2所示。它是由主动辊轮、从动辊轮、电机、应变片等组成,辊轮用硬质合金制作,两个辊轮之间间隙可以调正。

图2-12-2 辊轮装置示意图

磨粒由振动送料器送入,当磨粒通过间隙时,受到两辊轮的挤压而破碎,破碎力的信号由应变片转换成电信号,经放大后,输入单板机进行处理,然后显示并打印(见信号处理系统图2-12-3)。该装置是以破碎力表示抗冲击性能。

图2-12-3 信号处理系统图

3.落锤法

落锤法是利用一个冲锤自由下落所产生的冲击力来砸碎金刚石颗粒。冲击力由压电石英传感器接受变成电量,经电荷放大器放大后,输入微机显示和打印。

落锤装置结构简单(图2-12-4),它由电磁线圈、冲锤、压电石英传感器、底座等组成。工作时,接上直流电靠电磁吸合原理即能使冲锤上下。

图2-12-4 落锤装置示意图

落锤法的最大优点是,能直接测出冲击力和冲击功,便于钻探行业应用。但该法的致命弱点是,测量的不连续性,导致存在测量误差和操作不方便。

原长春地质学院勘察工程系在该落锤装置上增加了一个“吸能装置”,即一次就能测出金刚石的抗动载性能,剩余的能量被“吸能装置”所吸收,这就克服了落锤法的弱点,提高了测试正确性,加快了测试速度。

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