一種新型地質鉆頭鍍層復合材料制備及綜合性能測定

王琪瑋

(青海省第四地質勘查院,青海 西寧 861000)

金剛石鉆頭是目前地質鉆探機較為重要的組成部分,對地質鉆探用的鉆頭進行優化是地質鉆研行業較為重要的一項研究,對此,部分學者也進行了很多研究,如制備了一種新型沖擊-刮切復合PDC鉆頭,并對鉆頭的使用性能進行研究。設計出一種新型組合導向擴孔鉆頭,并以紅石泉鈾礦勘查區為試驗對象,研究了組合導向擴孔鉆頭在實際中的應用。針對堅硬地質設計出一種PDC定向鉆頭,并對其鉆進性能進行研究。設計了2種結構的中部切削結構的PDC鉆頭,并對其性能進行研究?；诖?在文獻[1]研究基礎上,從鉆頭本身材料出發,制備了一種新型地質鉆探用的復合鉆頭材料,并對材料的鉆進性能進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:硼粉(AR),硼達科技;硼酸(AR),卓宇新材料;金剛石(標準品),拓普新材料;酒精(AR),博誠化工;稀硝酸(AR),鋇豐化工;鐵鎳預合金粉(標準品),科太隆合金。

主要設備: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(準權儀器)。

1.2 試驗方法

1.2.1復合鍍層金剛石制備

(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:將管式爐爐腔內的氣體抽出,使腔內的氣壓降至5×10-3Pa以下;

(2)提升爐溫并進行保溫處理,爐溫和保溫時間分別為1 200 ℃和6 h。保溫結束后保持真空環境使其自然冷卻。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行熔融反應,反應時間為2 h,自然冷卻后得到復合鍍層金剛石。設施合成溫度為700～1 200 ℃。

上述試驗中,金剛石編號標記為:普通金剛石記為A0,鍍層金剛石記為A1,復合鍍層金剛石以每100 ℃為一個節點,從低到高編號記為A2～A7。

1.2.2復合材料的制備

(1)將鍍層金剛石/未鍍層金剛石與鐵鎳預合金粉采用酒精濕混的方式混合,金剛石與預合金粉的質量比為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,烘干時間為1 d;

(2)將干燥后的混合料放入真空熱壓燒結爐中進行燒結處理。燒結程序為:待爐內真空度大于1×10-2Pa時開始燒結,燒結溫度、滿載壓力和保溫時間分別為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,當溫度提升至300 ℃時保溫半小時去除體系內多余的氣體。燒結結束后,待樣品自然冷卻至300 ℃泄壓,繼續冷卻至室溫后脫模并進行打磨。

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行分析[2-3]。

1.3.2熱重分析

通過 TGA-103型熱重分析儀進行熱失重分析。

2 結果與討論

2.1 復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行分析,結果如圖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。繼續增加合成溫度,鍍層開始出現了較明顯的裂紋,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,鍍層的仍繼續生長堆積[4-5]。當合成溫度提升至1 200 ℃后,金剛石表面的鍍層開始出現貫通性裂紋和大面積脫落的情況,鍍層的保護作用開始失效。以上變化就說明了復合鍍層完整度和形貌均明顯優于單一鍍層,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]。結合涂層形貌情況,選擇復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,結果如圖2所示。

(a)TGA曲線

由圖2可知,當溫度提升至720 ℃時金剛石開始出現失重現象,這是因為金剛石內的碳元素經過氧化后,狀態逐漸變為氣體溢出,使得金剛石質量開始減少。這個變化說明純金剛石在空氣中能抵御的最高溫度為720 ℃。當繼續增加測試溫度至1 000 ℃,金剛石的質量快速下降至原質量的45%,這說明在該溫度條件下,金剛石已經被氧化,使其質量明顯下降。A1樣品則在溫度上升至700 ℃后,出現明顯的增長,當溫度達到855 ℃時,樣品質量開始下降。這是因為碳化硼在高溫條件下,易與空氣中的氧氣產生反應,使涂層出現氧化的情況,涂層氧化產物為氧化硼,使得質量有一定上升,隨溫度的增加,氧化產物開始變為氣態溢出,導致質量明顯下降[8-9]。對比復合鍍層樣品可以發現,隨合成溫度的增加,樣品失去保護點和失重點表現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。當合成溫度為900～1 000 ℃時,復合鍍層金剛石失重點和失去保護點的溫度最高,這就說明該合成溫度條件下,復合鍍層金剛石表現出較好的抗氧化性能[10-11]。

2.3 復合材料性能研究

2.3.1相對密度

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

圖3 相對密度測試結果

由圖3可知,以復合鍍層為原材料制備的復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 ℃的復合材料相對密度低于1 000 ℃復合材料。這說明復合鍍層能有效提升金剛石復合材料的密實度,同時,合成溫度也是影響復合材料密實度重要因素[12]。合成溫度為1 000 ℃制備復合材料相對密度為99.4%,表現出較好的密實效果。

2.3.2抗彎強度

對復合材料的抗彎強度進行測試,結果如圖4所示。

圖4 抗彎強度變化

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

2.3.3磨耗比測試

通過磨耗比對材料的耐磨性進行表征,結果如圖5所示。

圖5 磨耗比試驗結果

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]。當金剛石上覆涂1 000 ℃合成溫度復合鍍層時,復合材料的磨耗比達到最高1 026;這說明復鍍層金剛石制備的復合材料表現出良好的耐磨性能,可在地質鉆探鉆頭的使用中發揮重要作用。

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行測試,結果如圖6所示。

圖6 孔隙度和界面間隙測試結果

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。這說明復合鍍層能明顯提升鉆頭胎體工作層密實度,進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間,增加了鉆頭壽命。

2.4.2鉆進試驗后工作磨損情況

3種鉆頭鉆進試驗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,使得胎體出現破損,金剛石出現脫落的情況。普通鍍層的金剛石增強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金剛石脫落的現象。同時,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,脫落的金剛石進一步對胎體磨損,使得鉆頭的磨損加劇。而復合鍍層的金剛石,硼化物與胎體存在化學與機械的結合,使其界面結合力較強,胎體對金剛石的把持力較強,使其在工作時,不易發生脫落的情況。鉆頭胎體的單位進尺磨損量得到有效降低,同時提高了鉆進速度和鉆頭使用壽命,使得切削效率明顯提升。

3 結語

(1)經過燒結處理后,成功在金剛石表面覆涂Cr-B-C鍍層。對鍍層微觀形貌進行分析,合成溫度為900～1 000 ℃制備的復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 ℃的復合鍍層金剛石鐵鎳基復合材料相對密度為99.4%,抗彎強度約為1 432 MPa,磨耗比為1 026,表現出較好的密實度和耐磨性;

(3)以合成溫度為1 000 ℃的復合鍍層金剛石鐵鎳基復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,并未出現金剛石脫落的情況,鉆頭胎體的單位進尺磨損量得到有效降低,同時提高了鉆進速度和鉆頭使用壽命,使得切削效率明顯提升。