金刚石与粘结剂界面设计及其对地质钻头性能的影响机制

Diamond particles are fixed by binder alloy matrix in impregnated diamond drilling bit. The performance of impregnated diamond drilling bit is dependent on the interface strength between diamond and binder alloy matrix. It is difficult to take into account both interface strength and carcass performances. Therefore, more researchers force on the improvement of interface state using coated diamond particles, such as titanium or nickel coated diamond particles. However, the influence of interface composition and chemical bond state between binder alloy matrix and the coating on drilling bit performances are always ignored. It should be noted that boron can bond to diamond by covalent bond and to binder alloy matrix by electrovalent bond, resulting in a stronger interface bonding. Thus, boron coated diamond is a promising material for improving interface strength between diamond and bonder alloy matrix. In this project, we plan to design and improvement the interface between bonder alloy matrix (including copper alloys and iron alloys) and diamond using boron and boride coated diamond particles, for investigating the influence and enhancement mechanism of interface state, composition and chemical bond state on drilling bit performances.

孕镶金刚石钻头中金刚石主要靠粘结剂金属固定在胎体中，金刚石与粘结剂的界面状态直接决定钻头性能。单纯改变粘结剂合金成分很难同时兼顾胎体性能和胎体对金刚石的把持力，因此通过金刚石表面镀层的方法设计金刚石与粘结剂界面成分和结构就成为目前的研究热点。目前常在金刚石表面镀镍（Ni）和钛（Ti），在镀层与金刚石之间形成碳化物界面从而增加界面强度，但镀层与粘结剂之间界面的成分与化学键态则往往被忽略，界面成分、结构和化学键态对孕镶金刚石钻头性能的影响机制仍缺少研究。硼（B）可以与金刚石形成更为牢固的共价键连接，且与粘结剂中常见的铁（Fe）、钴（Co）、Ni等成分形成稳定的化合物，因此可以预期使用硼化物镀层改善金刚石与粘结剂界面可以更好的提高金刚石与胎体的结合力。本项目将以目前常用的铜基和铁基粘结剂合金为研究对象，通过金刚石表面镀硼化物的方法研究并建立界面成分、结构和化学键态对孕镶金刚石钻头性能的影响机制。

孕镶金刚石钻头中金刚石主要靠粘结剂金属固定在胎体中，金刚石与粘结剂的界面状态直接决定钻头性能。单纯改变粘结剂合金成分很难同时兼顾胎体性能和胎体对金刚石的把持力，因此通过金刚石表面镀层的方法设计金刚石与粘结剂界面成分和结构就成为目前的研究热点。目前常在金刚石表面镀镍（Ni）和钛（Ti），在镀层与金刚石之间形成碳化物界面从而增加界面强度，但镀层与粘结剂之间界面的成分与化学键态则往往被忽略，界面成分、结构和化学键态对孕镶金刚石钻头性能的影响机制仍缺少研究。硼（B）可以与金刚石形成更为牢固的共价键连接，且与粘结剂中常见的铁（Fe）、钴（Co）、Ni等成分形成稳定的化合物，因此可以预期使用硼化物镀层改善金刚石与粘结剂界面可以更好的提高金刚石与胎体的结合力。本项目以铜基、铝基和铁基粘结剂合金为研究对象，通过金刚石表面镀B4C以及TiBx的方法研究并建立界面成分、结构和化学键态对孕镶金刚石钻头性能的影响机制。结果表明，镀层可以有效的提高金刚石的热稳定性，改善金刚石与胎体的界面，提高相应孕镶金刚石钻头的工作效率。镀层可以使孕镶金刚石钻头对花岗岩的钻进速度提高一倍。