温度对不同外形PDC 切削齿性能的影响

2020-04-16张素慧王传留戴勇波

煤田地质与勘探 2020年1期

张素慧，王传留，戴勇波

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

金刚石复合片(PDC)钻头被广泛用于煤田地质、石油钻探和煤矿瓦斯抽采等诸多领域。PDC 钻头工作时承受很大的负荷，依靠一定的钻压使PDC 切削齿吃入地层。PDC 切削齿是钻头最主要的切削单元，其性能在很大程度上决定了钻头的钻进效果和使用寿命[1]。PDC 切削齿的磨损、崩刃、折断、掉片、都会造成钻头报废。因此，钻头的性能在很大程度上取决于PDC 切削齿的质量。对于PDC 切削齿的研究，目前主要集中在以下几个方面：PDC 切削齿的合成机理、磨损机理[2-3]；影响磨耗比、冲击韧性的诸多因素：如测试部位、界面结构、砂轮硬度、冲锤材质等[4-10]；PDC 的制造方法、发展现状[11-12]及地层应用情况[13-15]；以及介绍PDC 的残余应力和微观形貌[16-19]。但上述文献并没有提及温度、外形对PDC 性能的影响。由于PDC 需钎焊在钻头体上，为了探究不同温度下PDC 性能，以适应不同的钎焊温度，同时合理选用不同外形的PDC 来提高效率，笔者对受热前后及不同温度、外形的PDC 性能进行了比较。

1 试验材料与方法

目前，矿用PDC 根据其外形不同大致可分为平面片、微弧片和弧面片3 种，如图1 所示。本次试验选用7 种1308 型PDC，PDC 数量、外形见表1。

图1 PDC 切削齿的外形Fig.1 The shape of PDC cutters

表1 PDC 数量外形一览表Table 1 The number and shape of PDC

质量磨耗比Em按照JB/T 3235—2013《聚晶金刚石磨耗比测定方法》来测量[20]，试验用砂轮尺寸100 mm×16 mm×20 mm。体积磨耗比Ev采用文献[6]中提到的计算方法，该方法是在工具显微镜下测出磨损面弦长，得出磨损体积。Em、Ev可通过式(1)、式(2)计算。

式中Ms为砂轮质量磨耗量；Mj为PDC 质量磨耗量；Vs为砂轮体积磨耗量；Vj为PDC 体积磨耗量。

磨削时间的测量采用直径控制法，即磨削相同直径尺寸的砂轮所用的时间。

抗冲击韧性的检测采用落锤式冲击仪，冲击功U通过式(3)计算。

式中m为冲锤质量；g为重力加速度；h为冲击高度；N为冲击次数。

本次试验中m、h分别为2 kg、0.15 m，按单次冲击功3 J 的能量持续冲击。当PDC 发生微观裂纹时，对应的冲击次数N即为该样品的冲击性能指标。N越大，抗冲击韧性越好。

2 试验结果与讨论

2.1 加热前后PDC 的耐磨性

通过模拟钎焊温度，将PDC 加热到750℃并保温15 min 后，比较受热前后的性能差异。加热前后PDC的质量磨耗比、体积磨耗比如图2 所示(结果用两片切削齿的平均值表示)。图2 中显示，对于选用的7 种PDC，加热前后均表现出体积磨耗比大于质量磨耗比，其值为质量磨耗比的1.5～2.0 倍，该趋势与文献[21]得出的结论一致。由于PDC 的磨损面存在不规则的直线，造成所测量的磨损面弦长存在一定的误差，为保证结果的准确性，本次采用质量磨耗比进行分析。由图2 可知，加热对PDC 耐磨性影响较大，根据文献[22]规定，加热前试验选用的PDC 磨耗比均大于30 万，为高磨耗比片。加热后试验选用的PDC 磨耗比衰减30%～50%，2 号、3 号磨耗比大于28.5 万仍为高磨耗比片，可用于硬度较高的完整均质地层。1 号、4 号—7号磨耗比为9～28.5 万，说明加热使其转变为低磨耗比片。生产过程中，可通过上述方法划分PDC 切削齿的耐磨性级别，将耐磨性高的PDC 用于钻头外片或主要切削部位，耐磨性低的PDC 用于钻头内片或次要切削部位。另外，受热后7 号弧面片磨耗比(19 万)最低，4种平面片的平均磨耗比(28 万)比2 种微弧片的平均磨耗比(23 万)大。

2.2 PDC 的磨削时间和平稳性

PDC 磨削砂轮的时间变化曲线如图3 所示，图3a 和3b 分别表示加热前和加热到750℃后PDC磨削砂轮的尺寸与磨削时间的关系曲线。

图2 加热前后PDC 质量体积磨耗比Fig.2 Mass and volume abrasion ratio of PDC before and after heating

图3a 中，随着砂轮磨削量的增加，3 号、6 号PDC 磨削时间表现出波动性，其余PDC 磨削时间总体呈增加的趋势。图3b 中，随着砂轮磨削量的增加，6 号磨削时间表现出波动性，其余PDC 磨削时间也是越来越长。PDC 切削齿磨削时间由短到长的现象，客观上反映出磨削性能逐渐衰减的过程，这种类型的PDC 属于直接出刃型[14]。

加热前后，1 号—7 号累计磨削时间(用2 片切削齿的平均值表示)见表2。从表2 中看出，受热后除4号磨削总时间缩短外，其他PDC 磨削总时间均增加，说明通常受热后PDC 磨削时间变长，进尺变慢。受热后1 号—4 号平面片磨削时间均比5 号—6 号微弧片短，7 号弧面片磨削时间最长，说明平面片进尺快，磨削效率高。PDC 磨削砂轮时受力如图4 所示，F为工装自重作用在PDC 上的压力，FN为PDC 的端面正压力，FN=F·cos(α+45°)，当F一定时，α越大，cos(α+45°)越小，则FN越小，说明切入PDC 的端面正压力越小。因此，弧面片和微弧片磨削时间长进尺慢，相应的磨耗比值也小。实际钻进中，若要求磨削时效快，快速钻进地层，选用1 号—3 号PDC 可有效提高钻进效率。

图3 磨削时间与砂轮磨削量的关系曲线Fig.3 The relationship between the grinding time and the size of grinding wheel

表2 PDC 磨削时间及其效率参数Table 2 The total grinding time and efficiency parameters of PDC

为了比较各个PDC 的磨削效率，可近似用线性曲线y=kx+b对磨削时间进行拟合，由于PDC 需钎焊在钻头体上，故主要关注受热后的性能，只对图3b 进行拟合。k越大曲线越陡，平稳性越差，磨削时间越长；b越小初始磨削时间越短，初始效率越高。

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

1 号—7 号的k和b值见表2。表2 中，5 号、6号相关参数R2大于0.6，说明拟合曲线与实际磨削时间略有偏差；其余PDC 相关参数R2大于0.8，说明拟合曲线与实际磨削时间接近。6 号、1 号、3 号的k值小平稳性较好。7 号的k和b值最大，磨削效率最低；而4 号的k值较大，b值最小，表明其开始磨削砂轮时速度较快，随着磨削量的增加，所需时间越来越长，效率降低。因此，实际钻进过程中，若要求平稳性好，避免来回起下钻更换钻头，可选用6 号、1 号、3 号PDC。在制造矿用PDC 钻头时，要充分考虑切削齿外形对磨削性能的影响，合理布置不同外形的切削齿，可有效改善钻头性能，同时提高钻进效率。

2.3 不同温度下PDC 的耐磨性

将马弗炉温度分别升高到 650℃、700℃、750℃和800℃并保温15 min 后，7 种样品磨耗比随温度的变化曲线如图5 所示。结果表明，不同温度下PDC 对温度的敏感度不同。热敏感型的PDC在650℃时磨耗比高，温度超过650℃时，磨耗比急速下降，在700～750℃时，磨耗比接近，如2 号—4 号。热不敏感型PDC 在700℃以下时磨耗比接近，当升高温度到750℃时，磨耗比降低为原来的30%左右，如1 号、5 号、6 号。总体来看，不同温度下，7 号弧面片磨耗比都最低。另外，随着温度的增加，各个PDC 表现出磨耗比下降的趋势，特别是当温度达到800℃，磨耗比几乎都降为10 万以下。部分PDC 表面甚至出现微孔洞。这是由于PDC 在空气中受热时，金刚石和金属Co 与氧气发生放热反应，受热损伤影响，PDC 表面氧化物脱落形成微孔洞[23]。

图5 磨耗比随温度的变化曲线Fig.5 Variation of abrasion ratio with temperature

2.4 不同温度下PDC 的抗冲击韧性

抗冲击韧性随温度的变化如图6 所示。图6 显示热不敏感型PDC 冲击功受温度影响较小，如7 号、5 号、1 号。热敏感型PDC 在650℃时冲击功较高，当温度升高时冲击功下降，如6 号、4 号。而2 号、3 号抗冲击韧性随温度的变化表现出一定的离散性，两片的冲击功偏差较大。由此，对于硬脆地层，要求PDC 有较高的抗冲击韧性时，可选用7 号、5 号和1 号。制造矿用PDC 钻头时，可将7 号、5 号和1 号用于钻头外片，其余的用于钻头内片。

图6 PDC 抗冲击韧性随温度的变化Fig.6 Variation of impact toughness of PDC with temperature

PDC 受到冲击时，其受力如图7 所示。F为锤体自由落体作用在PDC 上的力，FN为PDC 的端面正压力，FN=F·sin(α+β)，其中α为固定角度，当F一定时，β越大，sin(α+β)越大，则FN越大，说明PDC 端面能承受的压力越大。因此，弧面片和微弧片抗冲击韧性较好。

当温度达800℃时，PDC 的冲击功均低于100 J。这也是由于受到热损伤的影响，PDC 表面出现缺陷使其抗冲击韧性变差。由此可知，在800℃磨耗比和冲击功大幅下降的趋势，说明目前矿用1308 型PDC 的极限耐热温度为800℃。实际生产过程当中，可根据PDC 对温度的敏感性不同进行分级，以满足不同钎焊温度的焊接。