趙小軍, 方小紅, 段隆臣, 陳 楊, 譚松成

(1.中石化江鉆石油機(jī)械有限公司,湖北 武漢 430223;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

深部鉆探在地下深層礦產(chǎn)資源和能源的開發(fā)利用、地球深部探測領(lǐng)域的科學(xué)研究等方面仍然是不可替代的技術(shù)手段[1-2]。高效長壽命的金剛石鉆頭研發(fā)對于提高深部鉆探效率、降低鉆探成本至關(guān)重要,是鉆探事業(yè)發(fā)展的需要[3]。孕鑲金剛石鉆頭被廣泛應(yīng)用于深部鉆探的硬巖地層中,其典型結(jié)構(gòu)是將金剛石磨粒包鑲在胎體中,胎體材料是直接決定孕鑲金剛石鉆頭性能的關(guān)鍵因素[4]。在孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)作業(yè)過程中,期望鉆頭胎體具有足夠的自銳性和把持力[5-6]。

WC基、Co基和Fe基胎體是最常用的孕鑲金剛石鉆頭胎體,其中傳統(tǒng)的WC基胎體由于其硬度高、耐磨性能優(yōu)異使用得最為廣泛[7]。然而,WC基胎體的硬度調(diào)整范圍窄、地層適應(yīng)性差、燒結(jié)溫度高、對金剛石的把持能力低,加上原材料價(jià)格上漲等原因,已逐漸被其他材料取代[8-9]。Co基合金由于其強(qiáng)度和硬度高,對金剛石把持性能優(yōu)異,加上令人滿意的自銳性,一直被認(rèn)為是最好的胎體材料[10-11]。但是,Co是一種稀有、昂貴的戰(zhàn)略金屬,全球儲量非常有限,而且有毒,對環(huán)境有害[12]。這些負(fù)面因素迫使研究人員尋找其他可以替代Co的材料,以制造出具有與Co基合金類似特性的結(jié)合劑。Fe與Co同處Ⅷ副族,與Co具有許多類似的性能特征,且Fe基胎體具有力學(xué)性能好、價(jià)格低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[13]。但值得注意的是,傳統(tǒng)的鐵基金剛石工具表現(xiàn)出較差的切削效率和較短的使用壽命,這主要是因?yàn)槠錈Y(jié)溫度高,Fe會(huì)侵蝕金剛石使其表面石墨化,以及普通鐵粉易于氧化等[14-15]。幸運(yùn)的是,預(yù)合金化的鐵基胎體可有效降低燒結(jié)溫度并限制金剛石的熱損傷。同時(shí),Cu的熔點(diǎn)較低,與Fe能無限互溶,易于調(diào)節(jié)預(yù)合金粉末的燒結(jié)溫度[16]。因而,FeCuCo預(yù)合金粉是目前國內(nèi)外鉆頭胎體配方替代研究中的主要方向之一[17]。

然而,FeCoCu基胎體的硬度和耐磨性仍然比WC基胎體的低。因此,在FeCoCu基鉆頭胎體配方中仍然使用大量的WC充當(dāng)硬質(zhì)相[17-18]。為進(jìn)一步替代WC并改善FeCoCu基胎體的性能,在其中摻入預(yù)合金化的Ni-Cr粉末,對不同Ni-Cr預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)下胎體的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試及分析,得到Ni-Cr預(yù)合金粉末對FeCoCu基胎體性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用FeCoCu基胎體粉末是商業(yè)化的預(yù)合金粉,其配方組成是Fe69Co14Cu13Sn4,推薦的燒結(jié)溫度是780℃～860℃;實(shí)驗(yàn)用Ni-Cr預(yù)合金粉末配方組成為Ni50Cr50。FeCoCu和NiCr預(yù)合金粉的微觀形貌如圖1所示。圖1中:FeCoCu基預(yù)合金粉的顆粒形狀不規(guī)則,有條塊狀顆粒以及部分類球狀顆粒,而Ni-Cr預(yù)合金粉末的顆粒形狀均為液滴狀,其預(yù)合金化程度高。

圖1 預(yù)合金粉的微觀形貌

1.2 試樣制備與測試

FeCoCu胎體中加入的Ni-Cr預(yù)合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量,分別為0、5%、10%和15%,余量為FeCoCu預(yù)合金粉。實(shí)驗(yàn)用金剛石基本顆粒尺寸范圍為300～355 μm,其體積分?jǐn)?shù)為20%。為對比Ni-Cr預(yù)合金粉末對WC粉末的替代效果,將結(jié)合劑中的Ni-Cr預(yù)合金粉用相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WC替代,在其他因素相同的情況下制備兩組試樣進(jìn)行對照試驗(yàn)。

將胎體金屬粉末按比例倒入HSW-10三維行星式混料機(jī)中混合均勻。在制備含金剛石節(jié)塊試樣時(shí),為避免金剛石和金屬粉分層,加入金剛石質(zhì)量 3%的甘油為潤濕劑,與金屬粉末一起混合均勻?；旌虾玫姆勰┭b入石墨模具中,在SM-100A自動(dòng)智能燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行燒結(jié)獲得試樣,其燒結(jié)溫度為860℃,燒結(jié)壓力為18 MPa,保溫時(shí)間為4 min。

采用HR-150A洛氏硬度計(jì)測量試樣的硬度,在每個(gè)試樣在垂直于壓制方向的兩側(cè)選取3個(gè)點(diǎn)測量,以多個(gè)試樣的平均值為最終的硬度值,硬度試樣的尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm;采用CTM2500微機(jī)控制電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測量試樣的抗彎強(qiáng)度,測試試樣的尺寸為5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm,每個(gè)配方燒制3個(gè)空白胎體試樣,3個(gè)含金剛石試樣;采用SU8010超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌并分析金剛石表面元素分布情況;采用Bruker D8 Advance X射線衍射儀對試樣的物相組成進(jìn)行分析。

胎體對金剛石顆粒的把持能力用抗彎強(qiáng)度損失率η表示,其計(jì)算公式為

(1)

式中:σ1為空白胎體的抗彎強(qiáng)度;σ2為含金剛石體積分?jǐn)?shù)為20%的胎體抗彎強(qiáng)度。

采用點(diǎn)膠法排布三縱列金剛石于石墨模具表面,經(jīng)過熱壓燒結(jié)令金剛石粘著于胎體表面,制備單層金剛石有序排列的試樣來評價(jià)胎體中金剛石的出刃情況,金剛石的排布如圖2所示。試樣在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與SiC砂輪對磨(軸向壓力50 N,轉(zhuǎn)速200 r/min),每對磨一定時(shí)間后在激光共聚焦顯微鏡下觀測金剛石出刃情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗彎強(qiáng)度

不同Ni-Cr或WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下FeCoCu基胎體的抗彎強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度損失率如圖3所示。從圖3可知:在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,胎體的抗彎強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢,其變化幅度不超過10%;隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,胎體的抗彎強(qiáng)度不斷增大,由993 MPa增大到1 213 MPa,增大22.1%;隨著Ni-Cr或WC的加入,胎體的抗彎強(qiáng)度都在1 000 MPa以上,可為金剛石鉆頭提供足夠的強(qiáng)度支撐。

圖3 不同Ni-Cr或WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下胎體抗彎強(qiáng)度

在胎體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Ni-Cr時(shí),胎體的抗彎強(qiáng)度損失率由39.9%增大到49.1%;隨著Ni-Cr的繼續(xù)加入,抗彎強(qiáng)度損失率會(huì)減小,在Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)抗彎強(qiáng)度損失率為43.4%。在胎體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的WC時(shí),胎體的抗彎強(qiáng)度損失率由39.9%增大到63.8%,且隨著WC的繼續(xù)加入,抗彎強(qiáng)度損失率變化不大。在Ni-Cr或WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增大到15%時(shí),含Ni-Cr胎體的抗彎損失率要小得多,兩者胎體抗彎強(qiáng)度損失率的差值由14.7%增大到20.6%。因此,采用Ni-Cr替代WC可以大大降低抗彎強(qiáng)度損失率,改善胎體對金剛石的包鑲強(qiáng)度;并且隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增大到15%,胎體對金剛石的把持效果會(huì)更好。

空白胎體試樣斷口處的SEM形貌如圖4所示。由圖4可知:球形的Ni-Cr預(yù)合金粉末顆粒在燒結(jié)過程中并未完全熔融,可以充當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn),在胎體中能起到類似于WC的骨架作用。當(dāng)FeCoCu基胎體中加入5% Ni-Cr時(shí),Ni-Cr顆?？捎行ё璧K裂紋擴(kuò)散或改變了裂紋擴(kuò)展方向,從而增大了試樣的抗彎強(qiáng)度(圖4b);當(dāng)Ni-Cr含量繼續(xù)增大時(shí),會(huì)導(dǎo)致Ni-Cr顆粒相互接觸(圖4c);當(dāng)裂紋擴(kuò)展到相互接觸的Ni-Cr顆粒時(shí),裂紋會(huì)從Ni-Cr顆粒之間的裂縫穿過,使Ni-Cr顆粒不能有效阻礙裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致試樣的抗彎強(qiáng)度降低[19]。因此,隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,胎體的抗彎強(qiáng)度有先增大后減小的趨勢。

圖4 不同Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下空白胎體斷口處的SEM形貌

對Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的胎體中金剛石表面進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。從圖5可知:金剛石表面只檢測到C元素的波峰,表明金剛石表面沒有其他元素附著。

圖5 Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)金剛石表面的EDS分析

Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)金剛石表面的SEM形貌和EDS分析如圖6所示。如圖6所示,在Ni-Cr添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),可在金剛石顆粒各個(gè)面上發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量黏附的凸起狀附著物(圖6a、圖6b);對凸起附著物進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)附著物含有大量的Cr元素,Cr的原子百分含量為41.83%,而C的原子百分含量只有26.27%,另外還含有Fe、Cu、Ni、Co、Sn元素(圖6c)。

Cr是一種強(qiáng)碳化物形成元素,在一定燒結(jié)條件下,可與金剛石表面的C發(fā)生反應(yīng)生成Cr3C2、Cr7C3等碳化物[20],從而改善胎體材料對金剛石的潤濕性。

因此,Ni-Cr預(yù)合金粉的添加可有效改善胎體材料對金剛石的潤濕性,使Fe、Ni、Cr、Cu、Co、Sn等元素可以在金剛石表面聚集,提高了胎體對金剛石的把持能力。隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增大到15%,胎體材料對金剛石的潤濕性會(huì)增加,導(dǎo)致胎體對金剛石的把持性能增加,胎體的抗彎強(qiáng)度損失率減小。

2.2 硬度

不同Ni-Cr或WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下FeCoCu基空白胎體的硬度如圖7所示。從圖7可知:隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,胎體的硬度值不斷增大,當(dāng)Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),胎體硬度值達(dá)到104.5 HRB,比純FeCoCu基胎體(Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)時(shí)的增大12.6%;在WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),胎體的硬度由92.8 HRB增大到96.8 HRB,隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大,胎體的硬度變化不大,當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),胎體硬度值為98.2 HRB,比純FeCoCu基時(shí)增大5.8%;同時(shí),在Ni-Cr和WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),含Ni-Cr胎體的硬度更高。因此,Ni-Cr預(yù)合金粉末比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下WC粉末的硬度強(qiáng)化效果更好。

圖7 不同Ni-Cr或WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下胎體的硬度

對不同Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的空白胎體試樣進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:不添加Ni-Cr粉末的FeCoCu基胎體中Cu-Sn成分以Cu13.7Sn固溶體與Cu10Sn3化合物的形式存在;加入5% Ni-Cr添加劑后,胎體中含有α-Fe、γ(Fe,Ni)固溶體、Cr7Ni3化合物相;Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到15%時(shí),胎體的XRD衍射圖譜峰值與5% Ni-Cr的一致,包含的相也相同。

在FeCoCu基胎體中加入Ni-Cr預(yù)合金粉末,Ni與與Fe反應(yīng)可生成γ(Fe,Ni)固溶體,對胎體起到固溶強(qiáng)化作用。因此,隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,γ(Fe,Ni)固溶體增多,胎體的硬度值增大。

2.3 金剛石表面形貌

不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下FeCoCu基胎體試樣斷口處金剛石形貌如圖9所示。由圖9可知:未添加WC的純FeCoCu基胎體中金剛石的表面較粗糙,有明顯的侵蝕現(xiàn)象;隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大到15%,金剛石表面仍然存在侵蝕現(xiàn)象,WC的加入并沒有改善金剛石的表面形貌。

圖9 不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下試樣斷口處金剛石的SEM形貌

不同Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下FeCoCu基胎體試樣斷口處金剛石形貌如圖10所示。由圖10可知:在Ni-Cr添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),金剛石的頂面平整,而兩側(cè)仍有侵蝕現(xiàn)象;提高Ni-Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至15%時(shí),金剛石各個(gè)側(cè)面均完好平整。因此,添加Ni-Cr預(yù)合金粉末使金剛石表面明顯更加光滑,可顯著改善金剛石的表面狀態(tài),緩解金剛石表面的熱損傷。

圖10 不同Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下試樣斷口處金剛石的SEM形貌

2.4 金剛石出刃評價(jià)

對于不含Ni-Cr的純FeCoCu基胎體,對磨4 min后,順著摩擦方向的第一列兩側(cè)金剛石已經(jīng)出現(xiàn)脫落,部分金剛石已達(dá)到脫落的臨界狀態(tài);對磨7 min后,上下兩側(cè)金剛石出現(xiàn)大面積脫落,兩側(cè)胎體崩塌,僅中間3～4排金剛石保留;對磨10 min后,金剛石全部脫落,胎體磨損嚴(yán)重。對于Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%或10%的胎體,對磨7 min后才出現(xiàn)個(gè)別金剛石脫落現(xiàn)象;對磨10 min后,上下兩側(cè)金剛石都出現(xiàn)大面積脫落,兩側(cè)胎體崩塌。對于Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的胎體,對磨7 min后沒有出現(xiàn)金剛石脫落現(xiàn)象;對磨10 min后,金剛石出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象,但金剛石的保有數(shù)量最多。

對于不含Ni-Cr的純FeCoCu基胎體,對磨2 min后,金剛石的平均出刃高度只有146 mm;而對于Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的胎體,金剛石的平均出刃高度分別為141mm、165 mm、178 mm。Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的胎體不僅出刃迅速,而且在對磨2 min后,金剛石的平均出刃高度維持在178～210 mm的高出刃水平上。

上述分析表明,適量Ni-Cr預(yù)合金粉末的加入,不僅胎體自銳性更好,而且在一定程度上改善了胎體對金剛石的把持能力,金剛石在工作過程中可以較長時(shí)間地保持高出刃高度,使金剛石可以發(fā)揮出最佳功效,充分提升了金剛石的有效利用率,起到提高金剛石工具切削效率和使用壽命的作用。

3 結(jié)論

(1) 在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,FeCoCu基胎體的抗彎強(qiáng)度及其損失率呈先增大后減小的趨勢,而胎體的硬度呈不斷增大的趨勢;在Ni-Cr和WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),含Ni-Cr胎體的抗彎強(qiáng)度損失率要顯著低于含WC胎體的,而其硬度要高于含WC胎體的。

(2) 純FeCoCu基胎體中存在Fe元素對金剛石表面的熱侵蝕現(xiàn)象,但隨著Ni-Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,改善了金剛石的表面形貌,緩解了金剛石表面的熱損傷,增強(qiáng)胎體材料對金剛石的潤濕性。

(3) 適量Ni-Cr預(yù)合金粉末的加入,有助于增強(qiáng)FeCoCu基胎體的自銳性,改善胎體對金剛石的把持性能,提高金剛石的有效利用率。

(4) 含Ni-Cr胎體的抗彎強(qiáng)度都保持在1 000 MPa以上,且Ni-Cr預(yù)合金粉末對FeCoCu基胎體硬度、把持性能的增強(qiáng)效果是明顯優(yōu)于WC粉末的,是Fe基鉆頭胎體配方中良好的WC替代材料。