溫度對(duì)不同外形PDC 切削齒性能的影響

張素慧，王傳留，戴勇波

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭被廣泛用于煤田地質(zhì)、石油鉆探和煤礦瓦斯抽采等諸多領(lǐng)域。PDC 鉆頭工作時(shí)承受很大的負(fù)荷，依靠一定的鉆壓使PDC 切削齒吃入地層。PDC 切削齒是鉆頭最主要的切削單元，其性能在很大程度上決定了鉆頭的鉆進(jìn)效果和使用壽命[1]。PDC 切削齒的磨損、崩刃、折斷、掉片、都會(huì)造成鉆頭報(bào)廢。因此，鉆頭的性能在很大程度上取決于PDC 切削齒的質(zhì)量。對(duì)于PDC 切削齒的研究，目前主要集中在以下幾個(gè)方面：PDC 切削齒的合成機(jī)理、磨損機(jī)理[2-3]；影響磨耗比、沖擊韌性的諸多因素：如測(cè)試部位、界面結(jié)構(gòu)、砂輪硬度、沖錘材質(zhì)等[4-10]；PDC 的制造方法、發(fā)展現(xiàn)狀[11-12]及地層應(yīng)用情況[13-15]；以及介紹PDC 的殘余應(yīng)力和微觀形貌[16-19]。但上述文獻(xiàn)并沒有提及溫度、外形對(duì)PDC 性能的影響。由于PDC 需釬焊在鉆頭體上，為了探究不同溫度下PDC 性能，以適應(yīng)不同的釬焊溫度，同時(shí)合理選用不同外形的PDC 來提高效率，筆者對(duì)受熱前后及不同溫度、外形的PDC 性能進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)材料與方法

目前，礦用PDC 根據(jù)其外形不同大致可分為平面片、微弧片和弧面片3 種，如圖1 所示。本次試驗(yàn)選用7 種1308 型PDC，PDC 數(shù)量、外形見表1。

圖1 PDC 切削齒的外形Fig.1 The shape of PDC cutters

表1 PDC 數(shù)量外形一覽表Table 1 The number and shape of PDC

質(zhì)量磨耗比Em按照J(rèn)B/T 3235—2013《聚晶金剛石磨耗比測(cè)定方法》來測(cè)量[20]，試驗(yàn)用砂輪尺寸100 mm×16 mm×20 mm。體積磨耗比Ev采用文獻(xiàn)[6]中提到的計(jì)算方法，該方法是在工具顯微鏡下測(cè)出磨損面弦長(zhǎng)，得出磨損體積。Em、Ev可通過式(1)、式(2)計(jì)算。

式中Ms為砂輪質(zhì)量磨耗量；Mj為PDC 質(zhì)量磨耗量；Vs為砂輪體積磨耗量；Vj為PDC 體積磨耗量。

磨削時(shí)間的測(cè)量采用直徑控制法，即磨削相同直徑尺寸的砂輪所用的時(shí)間。

抗沖擊韌性的檢測(cè)采用落錘式?jīng)_擊儀，沖擊功U通過式(3)計(jì)算。

式中m為沖錘質(zhì)量；g為重力加速度；h為沖擊高度；N為沖擊次數(shù)。

本次試驗(yàn)中m、h分別為2 kg、0.15 m，按單次沖擊功3 J 的能量持續(xù)沖擊。當(dāng)PDC 發(fā)生微觀裂紋時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖擊次數(shù)N即為該樣品的沖擊性能指標(biāo)。N越大，抗沖擊韌性越好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱前后PDC 的耐磨性

通過模擬釬焊溫度，將PDC 加熱到750℃并保溫15 min 后，比較受熱前后的性能差異。加熱前后PDC的質(zhì)量磨耗比、體積磨耗比如圖2 所示(結(jié)果用兩片切削齒的平均值表示)。圖2 中顯示，對(duì)于選用的7 種PDC，加熱前后均表現(xiàn)出體積磨耗比大于質(zhì)量磨耗比，其值為質(zhì)量磨耗比的1.5～2.0 倍，該趨勢(shì)與文獻(xiàn)[21]得出的結(jié)論一致。由于PDC 的磨損面存在不規(guī)則的直線，造成所測(cè)量的磨損面弦長(zhǎng)存在一定的誤差，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次采用質(zhì)量磨耗比進(jìn)行分析。由圖2 可知，加熱對(duì)PDC 耐磨性影響較大，根據(jù)文獻(xiàn)[22]規(guī)定，加熱前試驗(yàn)選用的PDC 磨耗比均大于30 萬，為高磨耗比片。加熱后試驗(yàn)選用的PDC 磨耗比衰減30%～50%，2 號(hào)、3 號(hào)磨耗比大于28.5 萬仍為高磨耗比片，可用于硬度較高的完整均質(zhì)地層。1 號(hào)、4 號(hào)—7號(hào)磨耗比為9～28.5 萬，說明加熱使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍ズ谋绕Ｉa(chǎn)過程中，可通過上述方法劃分PDC 切削齒的耐磨性級(jí)別，將耐磨性高的PDC 用于鉆頭外片或主要切削部位，耐磨性低的PDC 用于鉆頭內(nèi)片或次要切削部位。另外，受熱后7 號(hào)弧面片磨耗比(19 萬)最低，4種平面片的平均磨耗比(28 萬)比2 種微弧片的平均磨耗比(23 萬)大。

2.2 PDC 的磨削時(shí)間和平穩(wěn)性

PDC 磨削砂輪的時(shí)間變化曲線如圖3 所示，圖3a 和3b 分別表示加熱前和加熱到750℃后PDC磨削砂輪的尺寸與磨削時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖2 加熱前后PDC 質(zhì)量體積磨耗比Fig.2 Mass and volume abrasion ratio of PDC before and after heating

圖3a 中，隨著砂輪磨削量的增加，3 號(hào)、6 號(hào)PDC 磨削時(shí)間表現(xiàn)出波動(dòng)性，其余PDC 磨削時(shí)間總體呈增加的趨勢(shì)。圖3b 中，隨著砂輪磨削量的增加，6 號(hào)磨削時(shí)間表現(xiàn)出波動(dòng)性，其余PDC 磨削時(shí)間也是越來越長(zhǎng)。PDC 切削齒磨削時(shí)間由短到長(zhǎng)的現(xiàn)象，客觀上反映出磨削性能逐漸衰減的過程，這種類型的PDC 屬于直接出刃型[14]。

加熱前后，1 號(hào)—7 號(hào)累計(jì)磨削時(shí)間(用2 片切削齒的平均值表示)見表2。從表2 中看出，受熱后除4號(hào)磨削總時(shí)間縮短外，其他PDC 磨削總時(shí)間均增加，說明通常受熱后PDC 磨削時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)尺變慢。受熱后1 號(hào)—4 號(hào)平面片磨削時(shí)間均比5 號(hào)—6 號(hào)微弧片短，7 號(hào)弧面片磨削時(shí)間最長(zhǎng)，說明平面片進(jìn)尺快，磨削效率高。PDC 磨削砂輪時(shí)受力如圖4 所示，F(xiàn)為工裝自重作用在PDC 上的壓力，F(xiàn)N為PDC 的端面正壓力，F(xiàn)N=F·cos(α+45°)，當(dāng)F一定時(shí)，α越大，cos(α+45°)越小，則FN越小，說明切入PDC 的端面正壓力越小。因此，弧面片和微弧片磨削時(shí)間長(zhǎng)進(jìn)尺慢，相應(yīng)的磨耗比值也小。實(shí)際鉆進(jìn)中，若要求磨削時(shí)效快，快速鉆進(jìn)地層，選用1 號(hào)—3 號(hào)PDC 可有效提高鉆進(jìn)效率。

圖3 磨削時(shí)間與砂輪磨削量的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between the grinding time and the size of grinding wheel

表2 PDC 磨削時(shí)間及其效率參數(shù)Table 2 The total grinding time and efficiency parameters of PDC

為了比較各個(gè)PDC 的磨削效率，可近似用線性曲線y=kx+b對(duì)磨削時(shí)間進(jìn)行擬合，由于PDC 需釬焊在鉆頭體上，故主要關(guān)注受熱后的性能，只對(duì)圖3b 進(jìn)行擬合。k越大曲線越陡，平穩(wěn)性越差，磨削時(shí)間越長(zhǎng)；b越小初始磨削時(shí)間越短，初始效率越高。

圖4 PDC 磨削原理Fig.4 The grinding schematic of PDC cutters

1 號(hào)—7 號(hào)的k和b值見表2。表2 中，5 號(hào)、6號(hào)相關(guān)參數(shù)R2大于0.6，說明擬合曲線與實(shí)際磨削時(shí)間略有偏差；其余PDC 相關(guān)參數(shù)R2大于0.8，說明擬合曲線與實(shí)際磨削時(shí)間接近。6 號(hào)、1 號(hào)、3 號(hào)的k值小平穩(wěn)性較好。7 號(hào)的k和b值最大，磨削效率最低；而4 號(hào)的k值較大，b值最小，表明其開始磨削砂輪時(shí)速度較快，隨著磨削量的增加，所需時(shí)間越來越長(zhǎng)，效率降低。因此，實(shí)際鉆進(jìn)過程中，若要求平穩(wěn)性好，避免來回起下鉆更換鉆頭，可選用6 號(hào)、1 號(hào)、3 號(hào)PDC。在制造礦用PDC 鉆頭時(shí)，要充分考慮切削齒外形對(duì)磨削性能的影響，合理布置不同外形的切削齒，可有效改善鉆頭性能，同時(shí)提高鉆進(jìn)效率。

2.3 不同溫度下PDC 的耐磨性

將馬弗爐溫度分別升高到 650℃、700℃、750℃和800℃并保溫15 min 后，7 種樣品磨耗比隨溫度的變化曲線如圖5 所示。結(jié)果表明，不同溫度下PDC 對(duì)溫度的敏感度不同。熱敏感型的PDC在650℃時(shí)磨耗比高，溫度超過650℃時(shí)，磨耗比急速下降，在700～750℃時(shí)，磨耗比接近，如2 號(hào)—4 號(hào)。熱不敏感型PDC 在700℃以下時(shí)磨耗比接近，當(dāng)升高溫度到750℃時(shí)，磨耗比降低為原來的30%左右，如1 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)。總體來看，不同溫度下，7 號(hào)弧面片磨耗比都最低。另外，隨著溫度的增加，各個(gè)PDC 表現(xiàn)出磨耗比下降的趨勢(shì)，特別是當(dāng)溫度達(dá)到800℃，磨耗比幾乎都降為10 萬以下。部分PDC 表面甚至出現(xiàn)微孔洞。這是由于PDC 在空氣中受熱時(shí)，金剛石和金屬Co 與氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，受熱損傷影響，PDC 表面氧化物脫落形成微孔洞[23]。

圖5 磨耗比隨溫度的變化曲線Fig.5 Variation of abrasion ratio with temperature

2.4 不同溫度下PDC 的抗沖擊韌性

抗沖擊韌性隨溫度的變化如圖6 所示。圖6 顯示熱不敏感型PDC 沖擊功受溫度影響較小，如7 號(hào)、5 號(hào)、1 號(hào)。熱敏感型PDC 在650℃時(shí)沖擊功較高，當(dāng)溫度升高時(shí)沖擊功下降，如6 號(hào)、4 號(hào)。而2 號(hào)、3 號(hào)抗沖擊韌性隨溫度的變化表現(xiàn)出一定的離散性，兩片的沖擊功偏差較大。由此，對(duì)于硬脆地層，要求PDC 有較高的抗沖擊韌性時(shí)，可選用7 號(hào)、5 號(hào)和1 號(hào)。制造礦用PDC 鉆頭時(shí)，可將7 號(hào)、5 號(hào)和1 號(hào)用于鉆頭外片，其余的用于鉆頭內(nèi)片。

圖6 PDC 抗沖擊韌性隨溫度的變化Fig.6 Variation of impact toughness of PDC with temperature

PDC 受到?jīng)_擊時(shí)，其受力如圖7 所示。F為錘體自由落體作用在PDC 上的力，F(xiàn)N為PDC 的端面正壓力，F(xiàn)N=F·sin(α+β)，其中α為固定角度，當(dāng)F一定時(shí)，β越大，sin(α+β)越大，則FN越大，說明PDC 端面能承受的壓力越大。因此，弧面片和微弧片抗沖擊韌性較好。

當(dāng)溫度達(dá)800℃時(shí)，PDC 的沖擊功均低于100 J。這也是由于受到熱損傷的影響，PDC 表面出現(xiàn)缺陷使其抗沖擊韌性變差。由此可知，在800℃磨耗比和沖擊功大幅下降的趨勢(shì)，說明目前礦用1308 型PDC 的極限耐熱溫度為800℃。實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，可根據(jù)PDC 對(duì)溫度的敏感性不同進(jìn)行分級(jí)，以滿足不同釬焊溫度的焊接。

圖7 PDC 抗沖擊韌性原理Fig.7 The schematic diagram of impact toughness of PDC

3 結(jié)論

a.加熱對(duì)PDC 切削齒的耐磨性和磨削時(shí)間影響較大。750℃后磨耗比降低30%～50%，且磨削時(shí)間增加進(jìn)尺變慢。800℃時(shí)磨耗比小于10 萬，沖擊功小于100 J。因此，目前礦用1308 型PDC 的極限耐熱溫度為800℃。

b.PDC 切削齒對(duì)溫度的敏感程度不同，耐磨性分為高磨耗比片和低磨耗比片；抗沖擊韌性分為熱敏感型、熱不敏感型和離散性。PDC 選型時(shí)，根據(jù)不同溫度下的性能對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，以滿足不同釬焊溫度的焊接。

c.平面片磨削時(shí)間短，而微弧片和弧面片磨削時(shí)間長(zhǎng)磨耗比低，但沖擊韌性大大提高。在制造礦用 PDC 鉆頭時(shí)，將高耐磨、高沖擊功 PDC用于鉆頭外片或主要切削部位，同時(shí)組合使用不同外形的切削齒，可有效改善鉆頭性能以提高鉆進(jìn)效率。