Ni-Cr預合金粉末對FeCoCu基鉆頭胎體性能的影響

趙小軍, 方小紅, 段隆臣, 陳 楊, 譚松成

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

0 引言

深部鉆探在地下深層礦產資源和能源的開發利用、地球深部探測領域的科學研究等方面仍然是不可替代的技術手段[1-2]。高效長壽命的金剛石鉆頭研發對于提高深部鉆探效率、降低鉆探成本至關重要,是鉆探事業發展的需要[3]。孕鑲金剛石鉆頭被廣泛應用于深部鉆探的硬巖地層中,其典型結構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鍵因素[4]。在孕鑲金剛石鉆頭的鉆進作業過程中,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,其中傳統的WC基胎體由于其硬度高、耐磨性能優異使用得最為廣泛[7]。然而,WC基胎體的硬度調整范圍窄、地層適應性差、燒結溫度高、對金剛石的把持能力低,加上原材料價格上漲等原因,已逐漸被其他材料取代[8-9]。Co基合金由于其強度和硬度高,對金剛石把持性能優異,加上令人滿意的自銳性,一直被認為是最好的胎體材料[10-11]。但是,Co是一種稀有、昂貴的戰略金屬,全球儲量非常有限,而且有毒,對環境有害[12]。這些負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基胎體具有力學性能好、價格低、環境友好等優點[13]。但值得注意的是,傳統的鐵基金剛石工具表現出較差的切削效率和較短的使用壽命,這主要是因為其燒結溫度高,Fe會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]。幸運的是,預合金化的鐵基胎體可有效降低燒結溫度并限制金剛石的熱損傷。同時,Cu的熔點較低,與Fe能無限互溶,易于調節預合金粉末的燒結溫度[16]。因而,FeCuCo預合金粉是目前國內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充當硬質相[17-18]。為進一步替代WC并改善FeCoCu基胎體的性能,在其中摻入預合金化的Ni-Cr粉末,對不同Ni-Cr預合金粉末質量分數下胎體的力學性能和微觀結構進行測試及分析,得到Ni-Cr預合金粉末對FeCoCu基胎體性能的影響規律。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

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

圖1 預合金粉的微觀形貌

1.2 試樣制備與測試

FeCoCu胎體中加入的Ni-Cr預合金粉的質量分數為變量,分別為0、5%、10%和15%,余量為FeCoCu預合金粉。實驗用金剛石基本顆粒尺寸范圍為300～355 μm,其體積分數為20%。為對比Ni-Cr預合金粉末對WC粉末的替代效果,將結合劑中的Ni-Cr預合金粉用相同質量分數的WC替代,在其他因素相同的情況下制備兩組試樣進行對照試驗。

將胎體金屬粉末按比例倒入HSW-10三維行星式混料機中混合均勻。在制備含金剛石節塊試樣時,為避免金剛石和金屬粉分層,加入金剛石質量 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自動智能燒結機上進行燒結獲得試樣,其燒結溫度為860℃,燒結壓力為18 MPa,保溫時間為4 min。

采用HR-150A洛氏硬度計測量試樣的硬度,在每個試樣在垂直于壓制方向的兩側選取3個點測量,以多個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微機控制電子萬能材料實驗機測量試樣的抗彎強度,測試試樣的尺寸為5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm,每個配方燒制3個空白胎體試樣,3個含金剛石試樣;采用SU8010超高分辨場發射掃描電子顯微鏡(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行分析。

胎體對金剛石顆粒的把持能力用抗彎強度損失率η表示,其計算公式為

(1)

式中:σ1為空白胎體的抗彎強度;σ2為含金剛石體積分數為20%的胎體抗彎強度。

采用點膠法排布三縱列金剛石于石墨模具表面,經過熱壓燒結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機與SiC砂輪對磨(軸向壓力50 N,轉速200 r/min),每對磨一定時間后在激光共聚焦顯微鏡下觀測金剛石出刃情況。

2 結果與討論

2.1 抗彎強度

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

圖3 不同Ni-Cr或WC質量分數下胎體抗彎強度

在胎體中加入質量分數為5%的Ni-Cr時,胎體的抗彎強度損失率由39.9%增大到49.1%;隨著Ni-Cr的繼續加入,抗彎強度損失率會減小,在Ni-Cr質量分數為15%時抗彎強度損失率為43.4%。在胎體中加入質量分數為5%的WC時,胎體的抗彎強度損失率由39.9%增大到63.8%,且隨著WC的繼續加入,抗彎強度損失率變化不大。在Ni-Cr或WC質量分數由5%增大到15%時,含Ni-Cr胎體的抗彎損失率要小得多,兩者胎體抗彎強度損失率的差值由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度損失率,改善胎體對金剛石的包鑲強度;并且隨著Ni-Cr質量分數由5%增大到15%,胎體對金剛石的把持效果會更好。

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預合金粉末顆粒在燒結過程中并未完全熔融,可以充當硬質點,在胎體中能起到類似于WC的骨架作用。當FeCoCu基胎體中加入5% Ni-Cr時,Ni-Cr顆?？捎行ё璧K裂紋擴散或改變了裂紋擴展方向,從而增大了試樣的抗彎強度(圖4b);當Ni-Cr含量繼續增大時,會導致Ni-Cr顆粒相互接觸(圖4c);當裂紋擴展到相互接觸的Ni-Cr顆粒時,裂紋會從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展,最終導致試樣的抗彎強度降低[19]。因此,隨著Ni-Cr質量分數的增加,胎體的抗彎強度有先增大后減小的趨勢。

圖4 不同Ni-Cr質量分數下空白胎體斷口處的SEM形貌

對Ni-Cr質量分數為0時的胎體中金剛石表面進行能譜分析,結果如圖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質量分數為0時金剛石表面的EDS分析

Ni-Cr質量分數為15%時金剛石表面的SEM形貌和EDS分析如圖6所示。如圖6所示,在Ni-Cr添加質量分數為15%時,可在金剛石顆粒各個面上發現相當數量黏附的凸起狀附著物(圖6a、圖6b);對凸起附著物進行能譜分析,發現附著物含有大量的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是一種強碳化物形成元素,在一定燒結條件下,可與金剛石表面的C發生反應生成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質量分數由5%增大到15%,胎體材料對金剛石的潤濕性會增加,導致胎體對金剛石的把持性能增加,胎體的抗彎強度損失率減小。

2.2 硬度

不同Ni-Cr或WC質量分數下FeCoCu基空白胎體的硬度如圖7所示。從圖7可知:隨著Ni-Cr質量分數的增加,胎體的硬度值不斷增大,當Ni-Cr質量分數為15%時,胎體硬度值達到104.5 HRB,比純FeCoCu基胎體(Ni-Cr質量分數為0)時的增大12.6%;在WC質量分數為5%時,胎體的硬度由92.8 HRB增大到96.8 HRB,隨著WC質量分數繼續增大,胎體的硬度變化不大,當WC質量分數為15%時,胎體硬度值為98.2 HRB,比純FeCoCu基時增大5.8%;同時,在Ni-Cr和WC質量分數相同時,含Ni-Cr胎體的硬度更高。因此,Ni-Cr預合金粉末比相同質量分數下WC粉末的硬度強化效果更好。

圖7 不同Ni-Cr或WC質量分數下胎體的硬度

對不同Ni-Cr質量分數下的空白胎體試樣進行XRD分析,結果如圖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質量分數增大到15%時,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預合金粉末,Ni與與Fe反應可生成γ(Fe,Ni)固溶體,對胎體起到固溶強化作用。因此,隨著Ni-Cr質量分數的增加,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質量分數下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,有明顯的侵蝕現象;隨著WC質量分數逐漸增大到15%,金剛石表面仍然存在侵蝕現象,WC的加入并沒有改善金剛石的表面形貌。

圖9 不同WC質量分數下試樣斷口處金剛石的SEM形貌

不同Ni-Cr質量分數下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添加質量分數為5%時,金剛石的頂面平整,而兩側仍有侵蝕現象;提高Ni-Cr的質量分數至15%時,金剛石各個側面均完好平整。因此,添加Ni-Cr預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,緩解金剛石表面的熱損傷。

圖10 不同Ni-Cr質量分數下試樣斷口處金剛石的SEM形貌

2.4 金剛石出刃評價

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金剛石已經出現脫落,部分金剛石已達到脫落的臨界狀態;對磨7 min后,上下兩側金剛石出現大面積脫落,兩側胎體崩塌,僅中間3～4排金剛石保留;對磨10 min后,金剛石全部脫落,胎體磨損嚴重。對于Ni-Cr質量分數5%或10%的胎體,對磨7 min后才出現個別金剛石脫落現象;對磨10 min后,上下兩側金剛石都出現大面積脫落,兩側胎體崩塌。對于Ni-Cr質量分數15%的胎體,對磨7 min后沒有出現金剛石脫落現象;對磨10 min后,金剛石出現大面積脫落現象,但金剛石的保有數量最多。

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質量分數為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質量分數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間地保持高出刃高度,使金剛石可以發揮出最佳功效,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 結論

(1) 在試驗參數范圍內,隨著Ni-Cr質量分數的增加,FeCoCu基胎體的抗彎強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質量分數相同時,含Ni-Cr胎體的抗彎強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象,但隨著Ni-Cr質量分數的增加,改善了金剛石的表面形貌,緩解了金剛石表面的熱損傷,增強胎體材料對金剛石的潤濕性。

(3) 適量Ni-Cr預合金粉末的加入,有助于增強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胎體的抗彎強度都保持在1 000 MPa以上,且Ni-Cr預合金粉末對FeCoCu基胎體硬度、把持性能的增強效果是明顯優于WC粉末的,是Fe基鉆頭胎體配方中良好的WC替代材料。