FeCoCu預(yù)合金粉末含量和燒結(jié)溫度對碳化鎢基鉆頭性能的影響

李俊萍　胡立

關(guān)鍵詞 胎體性能；熱壓鉆頭；預(yù)合金粉末；耐磨性；燒結(jié)溫度

中圖分類號 P634 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0029-06

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3002

收稿日期 2022-07-18 修回日期 2022-08-20

常用的孕鑲金剛石鉆頭胎體主要有碳化鎢基、鐵基、鈷基等。由于鈷的價格昂貴，且鐵和鈷為同族元素，因此，研究代鈷的鐵基預(yù)合金粉體材料成為近幾年的主要研究方向之一[1-5]。其中FeCoCu 預(yù)合金粉的制備研究工作取得了一定的成果[6-8]，并在砂輪、鋸片、繩鋸鉆等行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛[9-12]，證明鐵基金剛石工具具有一定的優(yōu)勢。在地質(zhì)鉆頭領(lǐng)域中，碳化鎢基金剛石鉆頭由于耐磨性高、對地層具有較好的適應(yīng)性，在地質(zhì)鉆探中應(yīng)用廣泛。但是，在鉆遇硬-堅硬弱研磨性地層時，孕鑲金剛石鉆頭唇面上的金剛石顆粒被磨鈍后不能有效出刃破碎地層，且由于鉆壓不足等原因，碳化鎢基金剛石鉆頭會出現(xiàn)進(jìn)尺慢、時效低、唇面被拋光等現(xiàn)象。為了提高鉆頭胎體耐磨性與地層研磨性的適應(yīng)性，提高鉆頭自銳能力，選取FeCoCu 預(yù)合金粉作為胎體成分，代替一部分碳化鎢，通過對胎體本身的性能進(jìn)行研究，考證胎體成分設(shè)計的合理性和燒結(jié)工藝范圍，為熱壓鉆頭胎體預(yù)合金化研究和碳化鎢-鐵基胎體的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)置

FeCoCu 預(yù)合金粉末與傳統(tǒng)鉆頭胎體粉末中的單質(zhì)粉對比，其各組成成分合金化充分，均勻性更好，能有效避免成分偏析；粉末的燒結(jié)溫度低，不僅避免了高溫對金剛石顆粒的熱損傷，還起到了節(jié)能降耗的作用，一定程度上降低了鉆頭的生產(chǎn)成本。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

在前期的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在663Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下， 通過調(diào)節(jié)碳化鎢基胎體組成中FeCoCu 與WC 粉末的配比關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)胎體性能的目的[13]。為了更進(jìn)一步明確FeCoCu 含量對胎體性能的影響規(guī)律，如表1 所示，設(shè)置FeCoCu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、15%、25%、35% 和45%，對應(yīng)的WC 粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、40%、30%、20% 和10%。結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果[13] 和有關(guān)文獻(xiàn)[2]，發(fā)現(xiàn)FeCoCu 粉末大概在850 ℃ 燒結(jié)溫度下具有較高的力學(xué)性能。為了更好地分析燒結(jié)溫度對胎體性能的影響規(guī)律，設(shè)置了3 種不同的燒結(jié)溫度（900 ℃、870 ℃、840 ℃）。WC 粉末作為骨架材料，能提高胎體的硬度和耐磨性，提高鉆頭的鉆進(jìn)壽命。FeCoCu 粉末的成分組成（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為35%～ 45% 的Fe， 25%～50% 的Co， 25%～ 50% 的Cu 和0.1%～ 3.0% 的Re[6]。FeCoCu 比表面積大，活性大，含有稀土元素，在較低的燒結(jié)溫度下硬度（HRB）可達(dá)到95～108[14]。從表1 中還可看出：663Cu 粉末作為黏結(jié)材料包鑲金剛石，保證金剛石正常工作；適量的Ni 可以提高胎體強(qiáng)度和耐磨性，Mn等可以降低胎體含氧量，活化胎體性能，促進(jìn)其燒結(jié)。

1.2 胎體性能試驗(yàn)測試

在金剛石鉆頭胎體的各項質(zhì)量指標(biāo)中，選擇相對直接的指標(biāo)[15-16] 進(jìn)行性能測試，主要包括胎體相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度和耐磨性。

采用排水法測量胎體密度，并通過排水法測定的密度與理論密度的比值，求得相對致密度。每組共測試6 個試樣。采用HR-150A 硬度計測試洛氏硬度（HRC），每組共測試2 個試樣。采用CTM2000 型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試胎體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，每組共測試4 個樣品。各項性能數(shù)值取算術(shù)平均值作為測試數(shù)值。

如圖1 所示，采用MG-2000A 型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試胎體耐磨性，每組共測試2 個樣品。耐磨性試驗(yàn)是在相同的測試條件下，測試胎體試樣磨損前后的質(zhì)量損失。在同一測試條件下，與相同的SiC 砂輪對磨的胎體磨損量越少，說明胎體試樣耐磨性越好；反之，則耐磨性越差。胎體試樣規(guī)格為8.5 mm × 8.5 mm ×15.0 mm，不含金剛石；垂直荷載為200 N；主軸回轉(zhuǎn)速度為300 r/min；摩擦磨損試驗(yàn)時間為2 min。每組胎體配方測定2 個試樣，取平均值作為測試數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 胎體性能分析

如圖2 所示，胎體的相對致密度均在95% 以上。隨著FeCoCu 粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，胎體試樣的相對致密度逐漸降低，在25% 至45% 范圍內(nèi)，相對致密度的變化幅度減小。粉末的燒結(jié)過程是原子不斷遷移和消除孔隙率的過程[17]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到一定值后，原子的遷移和擴(kuò)散則進(jìn)入一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，胎體內(nèi)的孔隙率的消除速率也趨于穩(wěn)定，在圖2 中則體現(xiàn)為在燒結(jié)溫度為840 ℃ 和870 ℃ 時，胎體相對致密度逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃，F(xiàn)eCoCu 粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)25% 以上時，過高的燒結(jié)溫度和低熔點(diǎn)金屬含量的增多，導(dǎo)致液相含量過高，在燒結(jié)過程中容易引起液相流失的同時也會引起其他元素的流失，最終降低了胎體的相對致密度。

圖3 和圖4 所示分別為試樣的洛氏硬度和抗彎強(qiáng)度曲線。如圖3 和圖4 所示：胎體的洛氏硬度值和抗彎強(qiáng)度隨著FeCoCu 粉末含量的升高而逐漸降低，且抗彎強(qiáng)度均大于700 MPa。當(dāng)FeCoCu 粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25% 時，洛氏硬度值和抗彎強(qiáng)度的減小趨勢放緩。當(dāng)FeCoCu 粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25% 提高至45% 時，胎體中的鐵、銅、鈷等金屬相總量大于碳化鎢含量，成為主體成分，決定著胎體的力學(xué)性能，即硬度和抗彎強(qiáng)度相對較低。同時，各組之間鐵、銅的總含量差距較小，體現(xiàn)為硬度和抗彎強(qiáng)度的減小幅度較小。

圖5 所示為胎體磨損質(zhì)量損失率曲線。胎體磨損質(zhì)量損失率反映胎體耐磨性，損失率越低，說明胎體越耐磨。如圖5 所示：隨FeCoCu 粉末含量升高，胎體磨損質(zhì)量損失率總體呈逐漸上升的趨勢，即胎體耐磨性逐漸降低。在FeCoCu 粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于25% 的情況下，WC 含量較高，在對磨過程中，碳化鎢等硬質(zhì)顆粒由于硬度高、耐磨性強(qiáng)，整體提高了胎體的耐磨性。

隨著FeCoCu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25% 升高至45%，骨架材料WC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30% 降至10%，在燒結(jié)溫度為870 ℃ 時，胎體磨損質(zhì)量損失率增幅緩慢，差值為0.9%，即WC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 和10%、FeCoCu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%和45%，二者的耐磨性相當(dāng)。

2.2 燒結(jié)溫度對胎體性能的影響分析

為了更直觀地分析燒結(jié)溫度對胎體性能的影響規(guī)律，根據(jù)式（1）對胎體的相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量損失率的變化幅度進(jìn)行計算。

其中：Ａ_n為胎體性能（相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量損失率）的第n 組變化幅度，%；n 為胎體性能（相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量損失率）的測試組數(shù)，組；B_n為胎體性能（相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量損失率）的第n 組測試值。

根據(jù)計算結(jié)果得出胎體性能隨燒結(jié)溫度變化（圖6） 和胎體磨損質(zhì)量損失率隨燒結(jié)溫度的變化（圖7）。從圖6 和圖7 中可以看出：隨著燒結(jié)溫度的升高，相對致密度、洛氏硬度的變化幅度呈緩慢下降趨勢，抗彎強(qiáng)度的變化幅度先上升后下降，但改變幅度都較小，最大變化幅度為-8.7%；質(zhì)量損失率的變化幅度隨著燒結(jié)溫度的升高而升高，即胎體耐磨性隨著燒結(jié)溫度的升高而降低，且變化幅度顯著，最大增幅達(dá)到310%。

結(jié)合胎體磨損質(zhì)量損失率曲線（圖5），發(fā)現(xiàn)在鐵基合金與燒結(jié)溫度的耦合作用下，胎體的耐磨性變化幅度存在較寬的調(diào)節(jié)區(qū)間，同時也體現(xiàn)了FeCoCu 預(yù)合金粉末的低溫?zé)Y(jié)性能。

因此，可以通過燒結(jié)溫度和鐵基預(yù)合金含量的雙向調(diào)節(jié)，弱化胎體耐磨性，提高金剛石出刃，起到調(diào)節(jié)胎體鋒利度的作用，從而適應(yīng)弱研磨性地層的鉆進(jìn)要求；對于強(qiáng)研磨性地層，調(diào)整FeCoCu 含量，增加WC 骨架材料，增加胎體硬度和耐磨性，提高鉆頭使用壽命。

3 野外鉆進(jìn)試驗(yàn)

四川甘孜銅礦勘探孔鉆遇石英脈夾層的硅質(zhì)灰?guī)r，地層堅硬，鉆進(jìn)時效低，鉆頭壽命約為20 m。由于采用繩索取心鉆進(jìn)，希望能提高鉆頭壽命，減少鉆進(jìn)輔助時間。

地層夾雜石英脈，在一定程度上對鉆頭磨損嚴(yán)重，若要提高鉆頭壽命，要求鉆頭胎體具有較高的耐磨性。在前期的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計鉆頭胎體硬度（HRC）為30～ 35， 鉆頭胎體高度為10 mm， 鉆頭規(guī)格為S77/46。采用粗細(xì)粒度混合、粗顆粒金剛石占多數(shù)的配比方式，以利于提高鉆頭鉆進(jìn)效率。

如圖8 所示為鉆進(jìn)30 m 后的鉆頭唇面。其胎體磨損高度為2.5 mm，換算后鉆頭壽命約為120 m，金剛石出刃情況良好，胎體對金剛石顆粒的包鑲效果良好，內(nèi)外徑?jīng)]有出現(xiàn)異常磨損情況。鉆進(jìn)時效為1.8 m / h，達(dá)到現(xiàn)場施工要求。從現(xiàn)場取出的巖心如圖9 所示。

4 結(jié)論

設(shè)置3 種燒結(jié)溫度（840 ℃、870 ℃ 和900 ℃）條件，控制FeCoCu 粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5% 至45% 遞增變化，測試燒結(jié)胎體的相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度、磨損質(zhì)量損失率等各項性能指標(biāo)，得出如下結(jié)論：

（1）3 種燒結(jié)溫度下，胎體試樣相對致密度均達(dá)到95% 以上。隨著FeCoCu 含量的升高，胎體相對致密度逐漸降低，在FeCoCu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25% 至45% 范圍內(nèi)，其變化幅度減小。

（2） 胎體的洛氏硬度值和抗彎強(qiáng)度隨著FeCo-Cu 粉末含量升高而逐漸降低，且抗彎強(qiáng)度均大于700MPa，當(dāng)FeCoCu 粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25% 時，洛氏硬度值和抗彎強(qiáng)度的減小趨勢放緩。

（3）FeCoCu 粉末含量升高，胎體磨損質(zhì)量損失率總體呈逐漸提高的趨勢，即胎體耐磨性逐漸降低。

（4）胎體的相對致密度、洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度改變的變化幅度??；燒結(jié)溫度對胎體磨損質(zhì)量損失的影響幅度大，最大變化幅度達(dá)到310%。

（5）在鐵基合金含量與燒結(jié)溫度的耦合作用下，胎體的耐磨性變化存在較寬的調(diào)節(jié)區(qū)間，可通過二者的雙向調(diào)節(jié)，弱化胎體耐磨性，提高胎體對地層的適應(yīng)性。