FeCoCu预合金粉末含量和烧结温度对碳化钨基钻头性能的影响

李俊萍　胡立

关键词 胎体性能；热压钻头；预合金粉末；耐磨性；烧结温度

中图分类号 P634 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0029-06

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3002

收稿日期 2022-07-18 修回日期 2022-08-20

常用的孕镶金刚石钻头胎体主要有碳化钨基、铁基、钴基等。由于钴的价格昂贵，且铁和钴为同族元素，因此，研究代钴的铁基预合金粉体材料成为近几年的主要研究方向之一[1-5]。其中FeCoCu 预合金粉的制备研究工作取得了一定的成果[6-8]，并在砂轮、锯片、绳锯钻等行业内应用广泛[9-12]，证明铁基金刚石工具具有一定的优势。在地质钻头领域中，碳化钨基金刚石钻头由于耐磨性高、对地层具有较好的适应性，在地质钻探中应用广泛。但是，在钻遇硬-坚硬弱研磨性地层时，孕镶金刚石钻头唇面上的金刚石颗粒被磨钝后不能有效出刃破碎地层，且由于钻压不足等原因，碳化钨基金刚石钻头会出现进尺慢、时效低、唇面被抛光等现象。为了提高钻头胎体耐磨性与地层研磨性的适应性，提高钻头自锐能力，选取FeCoCu 预合金粉作为胎体成分，代替一部分碳化钨，通过对胎体本身的性能进行研究，考证胎体成分设计的合理性和烧结工艺范围，为热压钻头胎体预合金化研究和碳化钨-铁基胎体的应用提供一定的参考依据。

1 试验设置

FeCoCu 预合金粉末与传统钻头胎体粉末中的单质粉对比，其各组成成分合金化充分，均匀性更好，能有效避免成分偏析；粉末的烧结温度低，不仅避免了高温对金刚石颗粒的热损伤，还起到了节能降耗的作用，一定程度上降低了钻头的生产成本。

1.1 试验设计

在前期的试验中，发现在663Cu 质量分数为30%的前提下， 通过调节碳化钨基胎体组成中FeCoCu 与WC 粉末的配比关系，能够实现调节胎体性能的目的[13]。为了更进一步明确FeCoCu 含量对胎体性能的影响规律，如表1 所示，设置FeCoCu 质量分数分别为5%、15%、25%、35% 和45%，对应的WC 粉末的质量分数为50%、40%、30%、20% 和10%。结合前期试验结果[13] 和有关文献[2]，发现FeCoCu 粉末大概在850 ℃ 烧结温度下具有较高的力學性能。为了更好地分析烧结温度对胎体性能的影响规律，设置了3 种不同的烧结温度（900 ℃、870 ℃、840 ℃）。WC 粉末作为骨架材料，能提高胎体的硬度和耐磨性，提高钻头的钻进寿命。FeCoCu 粉末的成分组成（ 质量分数）为35%～ 45% 的Fe， 25%～50% 的Co， 25%～ 50% 的Cu 和0.1%～ 3.0% 的Re[6]。FeCoCu 比表面积大，活性大，含有稀土元素，在较低的烧结温度下硬度（HRB）可达到95～108[14]。从表1 中还可看出：663Cu 粉末作为黏结材料包镶金刚石，保证金刚石正常工作；适量的Ni 可以提高胎体强度和耐磨性，Mn等可以降低胎体含氧量，活化胎体性能，促进其烧结。

1.2 胎体性能试验测试

在金刚石钻头胎体的各项质量指标中，选择相对直接的指标[15-16] 进行性能测试，主要包括胎体相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度和耐磨性。

采用排水法测量胎体密度，并通过排水法测定的密度与理论密度的比值，求得相对致密度。每组共测试6 个试样。采用HR-150A 硬度计测试洛氏硬度（HRC），每组共测试2 个试样。采用CTM2000 型微机控制电子万能材料试验机测试胎体三点抗弯强度，每组共测试4 个样品。各项性能数值取算术平均值作为测试数值。

如图1 所示，采用MG-2000A 型高速摩擦磨损试验机测试胎体耐磨性，每组共测试2 个样品。耐磨性试验是在相同的测试条件下，测试胎体试样磨损前后的质量损失。在同一测试条件下，与相同的SiC 砂轮对磨的胎体磨损量越少，说明胎体试样耐磨性越好；反之，则耐磨性越差。胎体试样规格为8.5 mm × 8.5 mm ×15.0 mm，不含金刚石；垂直荷载为200 N；主轴回转速度为300 r/min；摩擦磨损试验时间为2 min。每组胎体配方测定2 个试样，取平均值作为测试数值。

2 试验结果与分析

2.1 胎体性能分析

如图2 所示，胎体的相对致密度均在95% 以上。随着FeCoCu 粉末质量分数的升高，胎体试样的相对致密度逐渐降低，在25% 至45% 范围内，相对致密度的变化幅度减小。粉末的烧结过程是原子不断迁移和消除孔隙率的过程[17]。当烧结温度达到一定值后，原子的迁移和扩散则进入一个相对稳定的状态，胎体内的孔隙率的消除速率也趋于稳定，在图2 中则体现为在烧结温度为840 ℃ 和870 ℃ 时，胎体相对致密度逐渐趋于稳定。当烧结温度为900 ℃，FeCoCu 粉末质量分数达25% 以上时，过高的烧结温度和低熔点金属含量的增多，导致液相含量过高，在烧结过程中容易引起液相流失的同时也会引起其他元素的流失，最终降低了胎体的相对致密度。

图3 和图4 所示分别为试样的洛氏硬度和抗弯强度曲线。如图3 和图4 所示：胎体的洛氏硬度值和抗弯强度随着FeCoCu 粉末含量的升高而逐渐降低，且抗弯强度均大于700 MPa。当FeCoCu 粉末质量分数大于25% 时，洛氏硬度值和抗弯强度的减小趋势放缓。当FeCoCu 粉末质量分数从25% 提高至45% 时，胎体中的铁、铜、钴等金属相总量大于碳化钨含量，成为主体成分，决定着胎体的力学性能，即硬度和抗弯强度相对较低。同时，各组之间铁、铜的总含量差距较小，体现为硬度和抗弯强度的减小幅度较小。

图5 所示为胎体磨损质量损失率曲线。胎体磨损质量损失率反映胎体耐磨性，损失率越低，说明胎体越耐磨。如图5 所示：随FeCoCu 粉末含量升高，胎体磨损质量损失率总体呈逐渐上升的趋势，即胎体耐磨性逐渐降低。在FeCoCu 粉末质量分数低于25% 的情况下，WC 含量较高，在对磨过程中，碳化钨等硬质颗粒由于硬度高、耐磨性强，整体提高了胎体的耐磨性。

随着FeCoCu 的质量分数从25% 升高至45%，骨架材料WC 的质量分数从30% 降至10%，在燒结温度为870 ℃ 时，胎体磨损质量损失率增幅缓慢，差值为0.9%，即WC 质量分数为30% 和10%、FeCoCu 质量分数为25%和45%，二者的耐磨性相当。

2.2 烧结温度对胎体性能的影响分析

为了更直观地分析烧结温度对胎体性能的影响规律，根据式（1）对胎体的相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度、质量损失率的变化幅度进行计算。

其中：Ａ_n为胎体性能（相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度、质量损失率）的第n 组变化幅度，%；n 为胎体性能（相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度、质量损失率）的测试组数，组；B_n为胎体性能（相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度、质量损失率）的第n 组测试值。

根据计算结果得出胎体性能随烧结温度变化（图6） 和胎体磨损质量损失率随烧结温度的变化（图7）。从图6 和图7 中可以看出：随着烧结温度的升高，相对致密度、洛氏硬度的变化幅度呈缓慢下降趋势，抗弯强度的变化幅度先上升后下降，但改变幅度都较小，最大变化幅度为-8.7%；质量损失率的变化幅度随着烧结温度的升高而升高，即胎体耐磨性随着烧结温度的升高而降低，且变化幅度显著，最大增幅达到310%。

结合胎体磨损质量损失率曲线（图5），发现在铁基合金与烧结温度的耦合作用下，胎体的耐磨性变化幅度存在较宽的调节区间，同时也体现了FeCoCu 预合金粉末的低温烧结性能。

因此，可以通过烧结温度和铁基预合金含量的双向调节，弱化胎体耐磨性，提高金刚石出刃，起到调节胎体锋利度的作用，从而适应弱研磨性地层的钻进要求；对于强研磨性地层，调整FeCoCu 含量，增加WC 骨架材料，增加胎体硬度和耐磨性，提高钻头使用寿命。

3 野外钻进试验

四川甘孜铜矿勘探孔钻遇石英脉夹层的硅质灰岩，地层坚硬，钻进时效低，钻头寿命约为20 m。由于采用绳索取心钻进，希望能提高钻头寿命，减少钻进辅助时间。

地层夹杂石英脉，在一定程度上对钻头磨损严重，若要提高钻头寿命，要求钻头胎体具有较高的耐磨性。在前期的试验基础上，设计钻头胎体硬度（HRC）为30～ 35， 钻头胎体高度为10 mm， 钻头规格为S77/46。采用粗细粒度混合、粗颗粒金刚石占多数的配比方式，以利于提高钻头钻进效率。

如图8 所示为钻进30 m 后的钻头唇面。其胎体磨损高度为2.5 mm，换算后钻头寿命约为120 m，金刚石出刃情况良好，胎体对金刚石颗粒的包镶效果良好，内外径没有出现异常磨损情况。钻进时效为1.8 m / h，达到现场施工要求。从现场取出的岩心如图9 所示。

4 结论

设置3 种烧结温度（840 ℃、870 ℃ 和900 ℃）条件，控制FeCoCu 粉末的质量分数从5% 至45% 递增变化，测试烧结胎体的相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度、磨损质量损失率等各项性能指标，得出如下结论：

（1）3 种烧结温度下，胎体试样相对致密度均达到95% 以上。随着FeCoCu 含量的升高，胎体相对致密度逐渐降低，在FeCoCu 质量分数为25% 至45% 范围内，其变化幅度减小。

（2） 胎体的洛氏硬度值和抗弯强度随着FeCo-Cu 粉末含量升高而逐渐降低，且抗弯强度均大于700MPa，当FeCoCu 粉末的质量分数大于25% 时，洛氏硬度值和抗弯强度的减小趋势放缓。

（3）FeCoCu 粉末含量升高，胎体磨损质量损失率总体呈逐渐提高的趋势，即胎体耐磨性逐渐降低。

（4）胎体的相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度随烧结温度改变的变化幅度小；烧结温度对胎体磨损质量损失的影响幅度大，最大变化幅度达到310%。

（5）在铁基合金含量与烧结温度的耦合作用下，胎体的耐磨性变化存在较宽的调节区间，可通过二者的双向调节，弱化胎体耐磨性，提高胎体对地层的适应性。