铸造碳化钨颗粒增强PDC钻头胎体的三体磨损行为.pdf

第 30 卷第 2 期 中国有色金属学报 2020 年 2 月 Volume 30 Number 2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals February 2020 DOI 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-36358 铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的 三体磨损行为 胡 可 1, 2，谢焕文1, 2，刘 辛1, 2，蔡一湘1, 2 1. 广东省科学院 广东省材料与加工研究所，广州 510650； 2. 国家钛及稀有金属粉末冶金工程技术研究中心，广州 510650 摘 要采用无压浸渗工艺制备了铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体材料，胎体材料组织均匀，胎体中碳化钨 颗粒完整，碳化钨颗粒与铜合金基体形成均匀扩散层。重点研究了 PDC 钻头胎体的三体磨料磨损行为和磨损机 理。结果表明铸造碳化钨颗粒形貌是影响 PDC 钻头胎体三体磨料磨损行为的主要因素。相对于破碎铸造碳化 钨，球形碳化钨内部微裂纹少且无应力集中，具有耐磨增效作用，可显著提高 PDC 钻头胎体材料的三体磨损性 能。球形碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的相对耐磨性是破碎碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的 10 倍。破碎碳化 钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的磨损表面呈现大量铜合金基体犁沟，多角状碳化钨颗粒被磨损变圆滑；而球形碳化 钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的磨损表面碳化钨颗粒突出林立，少量碳化钨颗粒被折断或发生破裂。 关键词PDC 钻头；铸造碳化钨；无压浸渗；三体磨料磨损 文章编号1004-06092020-02-0364-08 中图分类号TD421.2 文献标志码A PDCPolycrystalline diamond compact，聚晶金刚 石复合片钻头具有更高的安全性， 可极大地提高钻井 工作效率，降低钻井成本，已逐步取代牙轮钻头成为 破岩主力，在油气勘探领域发挥着重要作用[1−2]。PDC 钻头胎体的作用是包镶金刚石复合片并与钻头钢体牢 固连接。胎体的硬度和耐磨性对金刚石钻头的性能至 关重要，直接影响胎体对金刚石的包镶牢固程度以及 金刚石能否及时出刃[3]。 铸造碳化钨是 WC 和 W2C 两 相的共晶产物，具有高硬度高达 25003100 HV、高 热稳定性、高耐磨性以及与金属润湿性良好等优点， 被广泛添加至金属材料中以提高抗磨损性能[4−5]。 PDC 钻头胎体中通常添加有 30以上质量分数的铸造碳 化钨做为增强相[6−7]。无压浸渗是 PDC 钻头胎体的常 用制备技术。2003 年以来，国外 Hughes Christensen、 Smith 等钻头制造商推出的新型钻井 PDC 钻头多数是 以铸造碳化钨颗粒与镍粉为骨架粉末，通过无压浸渗 低熔点的铜合金而制成的[8]。采用铜合金做粘结金属 可避免金刚石高温石墨化，同时与骨架材料和钢基体 具有良好的润湿性和结合强度。胎体所用铸造碳化钨 主要有不规则状的破碎铸造碳化钨和球形铸造碳化钨 两种。目前钻头胎体的成分配方已臻成熟，应用多采 用形状不规则的破碎铸造碳化钨颗粒做为 PDC 钻头 胎体的主要骨架。然而，与破碎碳化钨相比，球形碳 化钨具有碳含量波动小、 共晶组织率高、 共晶尺寸小、 孔隙率低、硬度高以及耐磨性好等优点[4]。因此，近 年已有相关研究和专利通过添加球形铸造碳化钨颗粒 来改善胎体材料的性能[9−10]。李淑涛等[11]和邹黎明等[5] 采用球形碳化钨粉末制备超硬耐磨耐蚀涂层，结果表 明球形碳化钨的加入能有效提高机械零件的耐磨和耐 蚀性能，延长使用寿命。谢焕文等[10]通过对比研究球 形碳化钨与破碎碳化钨的粒度和含量对胎体组织与性 能的影响发现球形碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体材 料的性能有显著提高，在石油钻采、海洋装备、地质 矿山、工程机械等领域具有广阔的应用前景。 在油气勘探过程中， PDC 钻头在井底的工作条件 恶劣，既承受各种复杂的交变载荷如扭转振动、涡动 以及各种耦合作用等， 又受到岩石颗粒碎屑的冲刷磨 损海洋石油钻井时， 更是受到液固两相流的冲刷和腐 基金项目国家国际科技合作专项2011DFR50740；广东省战略性新兴产业核心技术攻关专项2011A091102007；广东省省属科研机构改革创新 项目2015B070701027，2016B070701021；广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项2018GDASCX-0963，2018GDASCX-0117； 广东省协同创新与平台环境建设专项2017A070701029；广州市产学研协同创新重大专项201604046009 收稿日期2019-02-22；修订日期2019-07-26 通信作者刘 辛，教授级高工，博士；电话020-601086128；E-mailshaneliu118 万方数据 第 30 卷第 2 期 胡 可，等铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的三体磨损行为 365 蚀[12]。 岩石颗粒、 磨屑等覆盖在相互对磨的材料之间， 形成摩擦第三体。因此，PDC 钻头钻进过程中的磨损 行为可看做是三体磨粒磨损海洋钻井过程中， 液相的 冲刷和腐蚀导致钻头的磨损行为更为复杂，本文暂不 考虑。迄今，PDC 钻头的磨损行为研究主要集中在 PDC 切削齿[13−14]， 而钻头胎体的磨损行为尤其是实际 工况下的三体磨损行为却鲜有报道。为此，本文以铸 造碳化钨颗粒混合镍粉作为骨架粉末，采用无压浸渗 工艺制备 PDC 钻头胎体材料， 在前期研究基础上重点 研究 PDC 钻头胎体的三体磨损行为， 探讨铸造碳化钨 颗粒形貌及含量对钻头胎体材料的三体磨料磨损行为 的影响，并揭示其磨损机理。 1 实验 1.1 PDC 钻头胎体材料的制备 采用V型混料机将铸造碳化钨粉末和镍粉混合均 匀制成骨架粉末，转速为 40 r/min，混料时间为 4 h。 铸造碳化钨粉末由自贡长城硬面材料有限公司提供， 分为不规则状的破碎铸造碳化钨与球形铸造碳化钨两 种。镍粉采用高压水雾化法制备，呈近球形，其粒度 小于 38 μm。铸造碳化钨粉末的成分与性能如表 1 所 示。原料粉末的微观形貌详见前期工作[10]。 采用无压浸渗工艺制备 PDC 钻头胎体材料。 将骨 架粉末装入石墨模具中，振实，并上置一定量的 CuNi 基合金粒作为粘结金属。将装好的石墨模具放入真空 热处理炉中对试样进行浸渗处理，保温温度为 1150 ℃，保温时间为 1 h。整个升温、保温及冷却过 程始终保持真空度低于 20 Pa。 保温结束后炉冷至室温 后取出，并采用线切割制备相关样品以备组织分析和 三体磨损性能测试。表 2 所示为 PDC 钻头胎体材料 的编号、成分配方及密度。 采用阿基米德排水法测量各配方胎体材料的密 度。 采用 JEOLJXA−8100 型电子探针观察胎体材料的 微观组织。采用 HR−150A 型洛氏硬度计测量胎体材 料的洛氏硬度，金刚石洛氏压头型号为 HRC−3，圆锥 角a为 120，载荷为 1.47 kN，顶端球面半径 R 为 0.2 mm。硬度测试前试样测试面采用 3002000的 SiC 砂纸上进行研磨抛光处理，每个试样取 6 个点进行洛 氏硬度测量，结果取其平均值。 1.2 三体磨损试验 采用 MMH−5 环块三体磨损试验机对胎体材料进 行磨损试验，转速为 30 r/min，试验载荷为 6 kg。磨 料为石英砂主要成分 SiO2，粒度为 120250 μm。每 个试样预磨时间为 120 min，预磨后每磨损 30 min 为 一个阶段进行清洗称量。利用 AL204 型电子天平精 度 0.01 mg称量计算试样磨损前后的质量损失。由于 各胎体材料所用原料及比例有所差异，造成各试样密 度不相同， 采用质量损失量不能科学地评价其耐磨性， 故本文采用体积损失评价胎体材料的耐磨性能。体积 损失量 Vm/ρ，m 为试样的质量损失量，ρ 为试样密 度。 采用 JEOLJXA−8100 型电子探针观察胎体材料的 表 1 铸造碳化钨粉末的成分与性能 Table 1 Compositions and properties of cast tungsten carbide powders used in this study Material Chemical composition Property Total carbon, wTC/ Free carbon, wFC/ Tungsten, wW/ Hardness, HV0.1 Flowability/ 0.02 sg−1 Apparent density/gcm−3 Spherical powder 3.94 0.046 95.88 2773 5.5 10.2 Crushed powder 3.91 0.025 95.93 2727 10.8 7.2 表 2 PDC 钻头胎体材料的编号和成分配方及密度 Table 2 Specimen number, composition and density of prepared PDC drill bit matrix material Specimen No. Characteristics of cast tungsten carbide particles Density of PDC bit matrix material/gcm−3 Morphology Particle size/μm Content in skeleton powder, w/ 1 Irregular 150−180 94 13.23 2 Irregular 150−180 87 13.24 3 Spherical 150−180 94 13.79 4 Spherical 150−180 87 13.40 万方数据 中国有色金属学报 2020 年 2 月 366 磨损表面形貌。采用 INCAPentaFET-x3 能谱仪对磨损 表面进行局部元素分析。采用 Bruker DEKTAK XT 探 针式表面轮廓仪测量胎体材料的磨损表面 3D 轮廓和 磨损面的表面粗糙度 Ra。 2 结果与讨论 2.1 胎体材料的微观组织 图 1 所示为胎体材料的微观组织。胎体材料中的 铸造碳化钨颗粒基本都保持完整并均匀分布在铜基粘 结相中。在相同的实验条件下，破碎铸造碳化钨颗粒 增强胎体材料的碳化钨颗粒尖角处可见孔隙， 如图 1a 和b所示。这主要是破碎碳化钨颗粒形状不规则，其 作为骨架在浸渗前的孔隙不均匀、部分通道被阻断所 致。此外，前期的能谱线扫描和 XRD 结果[10]显示 1 镍与浸渍铜合金充分熔合并均匀分布在铜合金基 体中； 2 铸造碳化钨颗粒在铜合金基体中发生局部溶 解并形成均匀扩散层，但在碳化钨与铜合金基体的界 面上未生成金属间化合物。碳化钨颗粒表面形成的扩 散层有利于胎体中的铸造碳化钨与浸渍合金形成良好 的结合，提高碳化钨与基体间的结合力和其对基体的 强化作用，有利于胎体材料性能的提高。 2.2 胎体材料的硬度 胎体硬度可以作为衡量胎体耐磨性的一个比较直 观的参考指标。一般来说，硬度越高，材料的耐磨性 能越好[15]。但耐磨性受诸多因素的影响。图 2 所示为 各配方胎体材料的洛氏硬度。 随着碳化钨含量的增加， 硬度计压头接触到碳化钨硬质点的几率增大，故铸造 碳化钨含量为94的胎体材料1和3的硬度高于碳化 钨含量为 87的胎体材料 2和 4的硬度。此外，当铸 造碳化钨含量相同时，碳化钨的颗粒形貌对胎体材料 的影响很小，也即球形碳化钨颗粒增强胎体材料 3和 4的硬度分别与破碎碳化钨颗粒增强胎体材料 1和 2 的相当。 2.3 胎体材料的三体磨损行为与磨损机理 胎体的耐磨性能是 PDC 钻头的重要性能指标之 一，直接影响钻头的选择、钻进规程参数的确定、所 用的操作技术以及所产生的经济指标[13]。图 3 所示为 各配方胎体材料三体磨损 2 h 后的宏观形貌。破碎碳 化钨颗粒增强胎体材料1和 2的摩损面可见较深的犁 沟，而球形碳化钨颗粒增强胎体 3和 4的磨损面则较 为平整，在未受力的试样边缘处仍可见磨损实验前的 抛光镜面光泽。 图 4a所示为胎体材料三体磨损过程中的体积磨 图 1 铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体材料的微观组织 Fig. 1 Microstructures of cast tungsten carbide particles reinforced PDC drill bit matrix materials a Specimen 1; b Specimen 2; c Specimen 3; d Specimen 4 万方数据 第 30 卷第 2 期 胡 可，等铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的三体磨损行为 367 图 2 胎体材料的洛氏硬度 Fig. 2 Rockwell hardness of PDC drill bit matrix materials 图 3 胎体材料三体磨损后的宏观形貌 Fig. 3 Macro profiles of PDC drill bit matrix materials after three-body wear tests 损速率随时间的变化曲线。由图 4a可知，30 min 后， 四种胎体材料的磨损速率基本维持稳定。但是，当铸 造碳化钨的颗粒形貌相同时，增加铸造碳化钨颗粒的 含量，高硬度的碳化钨颗粒增强了胎体的耐磨性能， 因此胎体材料的磨损速率相应降低。同时可以看出， 相对于破碎铸造碳化钨颗粒增强胎体材料 1和 2，球 形铸造碳化钨颗粒增强胎体材料3和4的磨损速率显 著降低。图 4b所示为胎体材料三体磨损 2 h 后的总 体积磨损量。胎体材料 1和 2含破碎铸造碳化钨与 胎体材料 3和 4含球形铸造碳化钨的体积损失量相 差 10 余倍，也即球形铸造碳化钨颗粒增强胎体材料 3和 4的耐磨性能远高于破碎铸造碳化钨颗粒增强胎 体材料 1和 2的耐磨性。结合图 2 中胎体材料的硬度 可知，当铸造碳化钨含量相同时胎体的硬度相当，但 胎体的耐磨性能却相差甚远。因此，铸造碳化钨的颗 粒形貌是影响胎体材料三体磨损性能的主要因素。此 外，虽然球形铸造碳化钨与破碎铸造碳化钨的硬度相 当见表 1，但球形碳化钨内部微裂纹少，且无应力集 图 4 胎体材料的三体磨损速率和磨损后的总体积磨损量 Fig. 4 Wear rate of PDC bit matrix materials vs wear timea and total wear volume of PDC bit matrix materialsb 中，对提高胎体材料的耐磨性能同样具有促进作用。 图 5 和 6 所示分别为胎体材料三体磨损后的表面 磨损形貌和磨损表面局部区域 EDS 图谱磨损时间为 2 h。图 7 所示为胎体材料磨损表面的 3D 轮廓图。由 图 7 可知，经过 2 h 的三体磨料磨损后，铸造碳化钨 颗粒表面均变得圆滑见图 5， 磨损表面上碳化钨的位 置均高于铜合金基体平面见图 5 和 7。 这说明铜合金 基体最先被磨粒磨损，磨损到一定程度后凸起的碳化 钨颗粒保护基体进一步被磨损，此时碳化钨颗粒承受 磨粒磨损。更为重要的是，对比胎体材料 1和 2与 3 和 4的微观磨损形貌发现，胎体材料 1和 2磨损表面 相对平整且呈现大量的铜合金基体犁沟，部分铜合金 更是“覆盖”在碳化钨颗粒表面；而胎体材料 3和 4 的磨损表面则呈现碳化钨颗粒“峰峦林立”，少量碳 化钨颗粒被折断或破裂。图 8 所示为胎体材料三体磨 料磨损后磨损面的表面粗糙度。当铸造碳化钨含量相 同时胎体材料 1和 3，不规则多角状碳化钨颗粒易 破碎或剥离基体见图 5a和图 7a， 而“裸露”的球 状碳化钨颗粒均匀分布在磨损表面，导致胎体材料 1 万方数据 中国有色金属学报 2020 年 2 月 368 图 5 胎体材料三体磨损后的表面磨损形貌 Fig. 5 Surface morphologies of PDC bit matrix materials worn by SiO2 slurries for 2 h a Specimen 1; b Specimen 2; c Specimen 3; d Specimen 4 图 6 胎体材料三体磨损后磨损表面局部区域的能谱图 Fig. 6 EDS patterns of local area pointed out in Fig. 5 on worn surface of PDC bit matrix materials a Area 1; b Area 2; c Area 3; d Area 4 万方数据 第 30 卷第 2 期 胡 可，等铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的三体磨损行为 369 图 7 胎体材料的磨损表面 3D 轮廓 Fig. 7 3D profiles of wear surfaces of PDC drill bit matrix materials a Specimen 1; b Specimen 2; c Specimen 3; d Specimen 4 图 8 胎体材料三体磨损后磨损面的表面粗糙度 Fig. 8 Roughness Ra of worn surfaces of PDC drill bit matrix materials after three-body wear tests 磨损后的表面粗糙度高于胎体材料 3的；而当碳化钨 颗粒呈球状时，降低碳化钨含量，胎体中的铜合金基 体含量增加，基体承受更多的磨损见图 5d和 7d， 从而导致胎体材料 4磨损后的表面粗糙度高于胎体材 料 3的。胎体材料 2磨损后的表面粗糙度最低，其可 能是破碎或剥离的碳化钨颗粒被“柔软”的铜合金基 体覆盖或填充导致磨损相对平整所致见图 5b和 7b。上述结果说明破碎碳化钨颗粒呈多角状，磨损 过程中易破裂或从基体中剥落，对基体的支撑作用较 差；而球形碳化钨颗粒硬度高、无尖角，在三体磨粒 磨损过程中球体表面滑动摩擦因数小，与磨料的摩擦 作用降低，因而不易破碎或从基体剥落，故球形碳化 钨颗粒具有耐磨增效作用， 进而显著提高 PDC 钻头胎 体材料3和 4的三体磨损性能。 综上所述， 球形铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎 体材料的三体磨料磨损过程及磨损机理可推测如下 1磨损初期，胎体材料中碳化钨颗粒与铜合金基 体同时受到磨料的切削和磨损， 因铜合金基体硬度低， 最先被磨料切削、犁沟。 2随着磨损过程继续进行，球形碳化钨颗粒抵抗 磨料的切削和磨损， 颗粒体积磨损量小球形铸造碳化 钨的硬度大于 HV2500远高于石英砂的硬度约 HV1600[16]。当材料硬度与磨料硬度之比 Hm/Ha≥0.8 时，材料的磨损率随材料硬度的提高急剧下降[15]。铜 合金基体大量磨损而下凹，碳化钨颗粒则突出于基体 之上，突出“林立”的球形碳化钨颗粒可减少周围下 凹的基体免受硬质磨料的进一步磨损，产生微观上的 “阴影效应”即磨损增效作用，而下凹的基体则反 过来给予碳化钨颗粒良好的“支撑作用”，避免碳化 钨颗粒的折断和剥落。 3） 磨损后期， 随着碳化钨颗粒周围铜合金基体的 持续下凹，基体对碳化钨颗粒的支撑作用明显下降， 而部分碳化钨颗粒则在磨料持续切削和疲劳磨损作用 下发生折断或破碎；继续磨损，折断或破碎的碳化钨 颗粒与铜合金基体“恢复”到同一水平状态，上述磨 损过程重复直至碳化钨颗粒再折断或破碎。 万方数据 中国有色金属学报 2020 年 2 月 370 3 结论 1 铸造碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体材料组织 均匀，胎体中碳化钨颗粒完整，碳化钨颗粒与铜合金 基体形成均匀扩散层。胎体材料的硬度几乎不受碳化 钨颗粒形貌的影响。 2 铸造碳化钨颗粒形貌是影响 PDC 钻头胎体三 体磨料磨损行为的关键因素。 相对于破碎铸造碳化钨， 球形碳化钨内部微裂纹少且无应力集中，具有耐磨增 效作用， 可显著提高 PDC 钻头胎体材料的三体磨损性 能。 球形碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的相对耐磨性 远优于破碎碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体， 前者的耐 磨性能是后者的 10 倍。 3 破碎碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎体的磨损表 面平整，呈现大量铜合金基体犁沟，多角状碳化钨颗 粒被磨损变圆滑； 而球形碳化钨颗粒增强 PDC 钻头胎 体的磨损表面碳化钨颗粒突出林立，少量碳化钨颗粒 被折断或发生破裂。 REFERENCES [1] 左汝强. 国际油气井钻头进展概述三 PDC 钻头发展 进程及当今态势[J]. 探矿工程岩土钻掘工程, 2016, 433 1−8. ZUO Ru-qiang. International advancement of drilling bits for oil and gas well3PDC bits progress and present trend Ⅰ[J]. Exploration Engineering Rock 2. National Engineering Research Center of Powder Metallurgy of Titanium＆Rare Metals, Guangzhou 510650, China Abstract Cast tungsten carbide particles reinforced PDC drill bit matrix was prepared by pressureless infiltration. The bit matrix showed a microstructure where the cast tungsten carbide particles were dispersed homogeneously in the Cu alloy. The tungsten carbide particles remained intact and ed a uni diffusion layer with the Cu alloy matrix. The three-body abrasive wear behavior and wear mechanism of the PDC drill bit matrix were investigated. The results show that the morphology of cast tungsten carbide particles is the main factor affecting the three-body abrasive wear behavior of PDC drill bit matrix. Compared with the crushed cast tungsten carbide, fewer internal micro-cracks and no stress concentration are found in the spherical tungsten carbide, which has an increase effectiveness to resist wear and significantly improves the three-body wear perance of PDC drill bit matrix. The wear resistance of PDC drill bit matrix reinforced by spherical tungsten carbide particles is 10 times of that of PDC drill bit matrix reinforced by crushed tungsten carbide particles. The worn surface of the PDC drill bit matrix reinforced by crushed tungsten carbide particles shows furrowed Cu alloy with worn tungsten carbide particles. Whereas, on the worn surface of PDC drill bit matrix reinforced by spherical tungsten carbide particles, the tungsten carbide particles stand out and a small number of them are broken. Key words PDC drill bit; cast tungsten carbide; pressureless infiltration; three-body abrasive wear Foundation item Project2011DFR50740 supported by the Special Program for International S Project2011A091102007 supported by the Special Program on Key Technology Research for Strategic Emerging Industries of Guangdong Province, China; Innovation Projects 2015B070701027, 2016B070701021 supported by the Program of Provincial Scientific Research Institutes in Guangdong Province, China; Projects2018GDASCX-0963, 2018GDASCX-0117 supported by the GDAS’ Program of Science and Technology Development, China; Project2017A070701029 supported by the Special Program for Collaborative Innovation and Facility Development of Guangdong Province, China; Major Project201604046009 supported by the Program of Industry-University-Research Institute Collaboration of Guangzhou, China Received date 2019-02-22; Accepted date 2019-07-26 Corresponding author LIU Xin; Tel 86-20-601086128; E-mail shaneliu118 编辑 何学锋 万方数据