一種新型地質(zhì)鉆頭鍍層復(fù)合材料制備及綜合性能測定

王琪瑋

(青海省第四地質(zhì)勘查院,青海 西寧 861000)

金剛石鉆頭是目前地質(zhì)鉆探機(jī)較為重要的組成部分,對地質(zhì)鉆探用的鉆頭進(jìn)行優(yōu)化是地質(zhì)鉆研行業(yè)較為重要的一項(xiàng)研究,對此,部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究,如制備了一種新型沖擊-刮切復(fù)合PDC鉆頭,并對鉆頭的使用性能進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)出一種新型組合導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭,并以紅石泉鈾礦勘查區(qū)為試驗(yàn)對象,研究了組合導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭在實(shí)際中的應(yīng)用。針對堅(jiān)硬地質(zhì)設(shè)計(jì)出一種PDC定向鉆頭,并對其鉆進(jìn)性能進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)的中部切削結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭,并對其性能進(jìn)行研究。基于此,在文獻(xiàn)[1]研究基礎(chǔ)上,從鉆頭本身材料出發(fā),制備了一種新型地質(zhì)鉆探用的復(fù)合鉆頭材料,并對材料的鉆進(jìn)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:硼粉(AR),硼達(dá)科技;硼酸(AR),卓宇新材料;金剛石(標(biāo)準(zhǔn)品),拓普新材料;酒精(AR),博誠化工;稀硝酸(AR),鋇豐化工;鐵鎳預(yù)合金粉(標(biāo)準(zhǔn)品),科太隆合金。

主要設(shè)備:TF1208型高真空管式爐(棲渺科技);DZF型真空干燥箱(和呈儀器);JV-DX型 X射線衍射儀(爾迪儀器);ZT-1953型電子顯微鏡(中特精密儀器); TGA-103型熱重分析儀(準(zhǔn)權(quán)儀器)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合鍍層金剛石制備

(1)在室溫條件下降硼粉、硼酸和金剛石充分混合倒入剛玉坩堝中,在管式爐的作用下充分加熱。加熱過程為:將管式爐爐腔內(nèi)的氣體抽出,使腔內(nèi)的氣壓降至5×10-3Pa以下;

(2)提升爐溫并進(jìn)行保溫處理,爐溫和保溫時(shí)間分別為1 200 ℃和6 h。保溫結(jié)束后保持真空環(huán)境使其自然冷卻。通過稀硝酸處理氧化硼存留物,通過篩分離未反應(yīng)的硼粉,得到碳化硼鍍層金剛石(下文簡稱為鍍層金剛石);

(3)將20 g鍍層金剛,8.7 g鉻粉,12.25 g氯化鈉和17.6 g氯化鉀混合,在一定溫度條件下進(jìn)行熔融反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間為2 h,自然冷卻后得到復(fù)合鍍層金剛石。設(shè)施合成溫度為700～1 200 ℃。

上述試驗(yàn)中,金剛石編號標(biāo)記為:普通金剛石記為A0,鍍層金剛石記為A1,復(fù)合鍍層金剛石以每100 ℃為一個(gè)節(jié)點(diǎn),從低到高編號記為A2～A7。

1.2.2復(fù)合材料的制備

(1)將鍍層金剛石/未鍍層金剛石與鐵鎳預(yù)合金粉采用酒精濕混的方式混合,金剛石與預(yù)合金粉的質(zhì)量比為3∶1;

(2)在抗彎石墨模具中填入混合后粉末,然后烘箱中烘干去除多余酒精,烘干時(shí)間為1 d;

(2)將干燥后的混合料放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)處理。燒結(jié)程序?yàn)?待爐內(nèi)真空度大于1×10-2Pa時(shí)開始燒結(jié),燒結(jié)溫度、滿載壓力和保溫時(shí)間分別為850 ℃、30 MPa和5 min;升溫速率和加載速率分別為 10 ℃/min和0.25 MPa/min,當(dāng)溫度提升至300 ℃時(shí)保溫半小時(shí)去除體系內(nèi)多余的氣體。燒結(jié)結(jié)束后,待樣品自然冷卻至300 ℃泄壓,繼續(xù)冷卻至室溫后脫模并進(jìn)行打磨。

1.2.3鉆頭制備

分別以普通金剛石、鍍層金剛石和復(fù)合鍍層金剛石(合成溫度為1 000 ℃)為主要原料制備金剛石鉆頭。

1.3 性能測試

1.3.1微觀形貌

通過ZT-1953型電子顯微鏡對材料微觀形貌進(jìn)行分析[2-3]。

1.3.2熱重分析

通過 TGA-103型熱重分析儀進(jìn)行熱失重分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合鍍層金剛石微觀形貌分析

通過SEM照片對材料的微觀形貌進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示,圖1(a)～圖1(f)分別代表編號A2～A7的金剛石。

圖1 材料微觀形貌

由圖1可知,A2～A7金剛石表面鍍層均較為完整,將金剛石完全包裹,邊和棱角均較為分明。但鍍層的情況也有明顯的差異,A2樣品的鍍層表面較粗糙,可觀察到明顯凸起小顆粒,這可能是受碳化硼生長堆積規(guī)律影響。A3、A4樣品鍍層表面光滑,但存在涂層無法完全覆涂棱角區(qū)域的情況。A5、A6樣品鍍層較完整,棱角和邊緣部分也被完全包裹,表面完整度較高。繼續(xù)增加合成溫度,鍍層開始出現(xiàn)了較明顯的裂紋,金剛石棱角開始變得不明顯,整體開始變得“圓潤”,這說明在此條件下,鍍層的仍繼續(xù)生長堆積[4-5]。當(dāng)合成溫度提升至1 200 ℃后,金剛石表面的鍍層開始出現(xiàn)貫通性裂紋和大面積脫落的情況,鍍層的保護(hù)作用開始失效。以上變化就說明了復(fù)合鍍層完整度和形貌均明顯優(yōu)于單一鍍層,證明了鉻元素與碳化硼鍍層可以很好的相容,復(fù)合涂層形貌的變化情況也說明了合成溫度是影響涂層情況的重要因素[6-7]。結(jié)合涂層形貌情況,選擇復(fù)合涂層的合成溫度為900～1 000 ℃。

2.2 抗氧化性能

通過熱重分析確定樣品的抗氧化性能,結(jié)果如圖2所示。

(a)TGA曲線

由圖2可知,當(dāng)溫度提升至720 ℃時(shí)金剛石開始出現(xiàn)失重現(xiàn)象,這是因?yàn)榻饎偸瘍?nèi)的碳元素經(jīng)過氧化后,狀態(tài)逐漸變?yōu)闅怏w溢出,使得金剛石質(zhì)量開始減少。這個(gè)變化說明純金剛石在空氣中能抵御的最高溫度為720 ℃。當(dāng)繼續(xù)增加測試溫度至1 000 ℃,金剛石的質(zhì)量快速下降至原質(zhì)量的45%,這說明在該溫度條件下,金剛石已經(jīng)被氧化,使其質(zhì)量明顯下降。A1樣品則在溫度上升至700 ℃后,出現(xiàn)明顯的增長,當(dāng)溫度達(dá)到855 ℃時(shí),樣品質(zhì)量開始下降。這是因?yàn)樘蓟鹪诟邷貤l件下,易與空氣中的氧氣產(chǎn)生反應(yīng),使涂層出現(xiàn)氧化的情況,涂層氧化產(chǎn)物為氧化硼,使得質(zhì)量有一定上升,隨溫度的增加,氧化產(chǎn)物開始變?yōu)闅鈶B(tài)溢出,導(dǎo)致質(zhì)量明顯下降[8-9]。對比復(fù)合鍍層樣品可以發(fā)現(xiàn),隨合成溫度的增加,樣品失去保護(hù)點(diǎn)和失重點(diǎn)表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢,這就說明隨合成溫度的增加,金剛石表面覆涂的鍍層抗氧化性也先增加后降低。當(dāng)合成溫度為900～1 000 ℃時(shí),復(fù)合鍍層金剛石失重點(diǎn)和失去保護(hù)點(diǎn)的溫度最高,這就說明該合成溫度條件下,復(fù)合鍍層金剛石表現(xiàn)出較好的抗氧化性能[10-11]。

2.3 復(fù)合材料性能研究

2.3.1相對密度

對復(fù)合鍍層金剛石鐵基復(fù)合材料(下文簡稱復(fù)合材料)的相對密度進(jìn)行測試,結(jié)果如圖3所示。

圖3 相對密度測試結(jié)果

由圖3可知,以復(fù)合鍍層為原材料制備的復(fù)合材料相對密度明顯高于碳化硼鍍層金剛石和普通金剛石,且合成溫度為900 ℃的復(fù)合材料相對密度低于1 000 ℃復(fù)合材料。這說明復(fù)合鍍層能有效提升金剛石復(fù)合材料的密實(shí)度,同時(shí),合成溫度也是影響復(fù)合材料密實(shí)度重要因素[12]。合成溫度為1 000 ℃制備復(fù)合材料相對密度為99.4%,表現(xiàn)出較好的密實(shí)效果。

2.3.2抗彎強(qiáng)度

對復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測試,結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗彎強(qiáng)度變化

由圖4可知,加入未經(jīng)鍍層的金剛石后,復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度較純胎體材料有一定下降,在金剛石表面進(jìn)行鍍層處理后,對抗拉強(qiáng)度的下降有一定改善[13]。其中,1 000 ℃合成復(fù)合鍍層的抗彎強(qiáng)度約為1 432 MPa,接近于胎體抗彎強(qiáng)度,也就是在該合成溫度下制備的復(fù)合涂層金剛石對復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的改善效果最好。

2.3.3磨耗比測試

通過磨耗比對材料的耐磨性進(jìn)行表征,結(jié)果如圖5所示。

圖5 磨耗比試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知,碳化硼鍍層金剛石的磨耗比略低于純金剛石磨耗比,明顯低于復(fù)合鍍層金剛石磨耗比,這就說明金剛石鍍層類型是影響磨耗比的主要原因[14-15]。當(dāng)金剛石上覆涂1 000 ℃合成溫度復(fù)合鍍層時(shí),復(fù)合材料的磨耗比達(dá)到最高1 026;這說明復(fù)鍍層金剛石制備的復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的耐磨性能,可在地質(zhì)鉆探鉆頭的使用中發(fā)揮重要作用。

2.4 鉆頭工作能力的測定

2.4.1孔隙度和界面間隙

鉆頭類型是影響鉆頭胎體工作層性能的重要因素,對不同鉆頭的孔隙度和界面間隙進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6所示。

圖6 孔隙度和界面間隙測試結(jié)果

由圖6可知,B3鉆頭的孔隙度和界面寬度分別為1%和4.9 μm,明顯低于其余2種鉆頭。這說明復(fù)合鍍層能明顯提升鉆頭胎體工作層密實(shí)度,進(jìn)而提升胎體對金剛石的包鑲能力,使得胎體對金剛石的把持能力更高,提升了金剛石的有效切割時(shí)間,增加了鉆頭壽命。

2.4.2鉆進(jìn)試驗(yàn)后工作磨損情況

3種鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)后工作磨損情況如圖7所示。

(a)普通金剛石

由圖7可知,未經(jīng)過任何處理的金剛石直接鑲嵌,胎體對金剛石的包鑲能力較弱,在鉆頭使用過程中,胎體無法把持金剛石,使得胎體出現(xiàn)破損,金剛石出現(xiàn)脫落的情況。普通鍍層的金剛石增強(qiáng)了胎體對金剛石的包鑲能力,緩解了胎體破損的情況,但仍存在胎體底唇面出現(xiàn)金剛石脫落的現(xiàn)象。同時(shí),在鉆頭使用的過程中,鐵鎳胎體的磨損主要來源于金剛石,在鉆頭工作模式下,脫落的金剛石進(jìn)一步對胎體磨損,使得鉆頭的磨損加劇。而復(fù)合鍍層的金剛石,硼化物與胎體存在化學(xué)與機(jī)械的結(jié)合,使其界面結(jié)合力較強(qiáng),胎體對金剛石的把持力較強(qiáng),使其在工作時(shí),不易發(fā)生脫落的情況。鉆頭胎體的單位進(jìn)尺磨損量得到有效降低,同時(shí)提高了鉆進(jìn)速度和鉆頭使用壽命,使得切削效率明顯提升。

3 結(jié)語

(1)經(jīng)過燒結(jié)處理后,成功在金剛石表面覆涂Cr-B-C鍍層。對鍍層微觀形貌進(jìn)行分析,合成溫度為900～1 000 ℃制備的復(fù)合鍍層表面完整光滑,金剛石棱角和邊緣部分也被完全包裹;

(2)合成溫度為1 000 ℃的復(fù)合鍍層金剛石鐵鎳基復(fù)合材料相對密度為99.4%,抗彎強(qiáng)度約為1 432 MPa,磨耗比為1 026,表現(xiàn)出較好的密實(shí)度和耐磨性;

(3)以合成溫度為1 000 ℃的復(fù)合鍍層金剛石鐵鎳基復(fù)合材料為原料制備的鉆頭,金剛石與胎體間孔隙度和界面寬度分別為1%和4.9 μm,在使用的過程中,并未出現(xiàn)金剛石脫落的情況,鉆頭胎體的單位進(jìn)尺磨損量得到有效降低,同時(shí)提高了鉆進(jìn)速度和鉆頭使用壽命,使得切削效率明顯提升。