铁基胎体材料成分对其性能的影响

1、铁基胎体材料成分对其性能的影响摘要：孕镶金刚石钻头是一种重要的钻探工具。其钻探效率和使用寿命受到多种因素的影响。其中，胎体材料对地质金刚石钻头的作用不可忽视。其胎体主要由骨架材料和粘结金属构成，本次研究设计四种铁基胎体材料；采用热压烧结法制作相应试块；进行硬度和抗弯强度测定；比较、评价胎体的性能，并分析胎体成分对性能的影响；继而讨论试验胎体材料对岩层钻探的适应性，从而使钻探中的探头能够适应越来越复杂多变的地层。关键词：孕镶金刚石；铁基胎体材料；硬度；抗弯强度。引言：随着社会经济的持续发展、科学技术的飞速进步，各行业对能源的需求量越来越大。相应地质勘探钻探量的急剧增加使能源开采面临着越来越高的挑

2、战。金刚石钻头是广泛应用于地质勘探、能源开发的重要钻探工具。随着地质科学和钻探技术的快速发展，未来的钻探事业将会向更深地层发展。所遇地层的各种条件会越来越复杂多变，不可预测性愈来愈大，故而钻探中对钻头性能的要求也会相应提升。孕镶金刚石钻头是一种重要的钻探工具，其胎体材料对地质金刚石钻头的性能影响很大，胎体材料主要由金刚石骨架材料和粘结金属构成，因此合适的胎体配方设计对制作出适应于多种地层钻探，并具有良好钻进效率和使用寿命显得尤为必要。本次研究设计出四种不同配方的铁基胎体材料，采用较为合适的热压烧结法制作样本，对样本进行洛氏硬度和抗弯强度测定，进而分析铁基胎体材料对其性能的影响。1.铁基胎体研究

3、现状国内外对金刚石钻头胎体的研究项目众多，概括起来，大致可以分为以下几个方面的研究：（一）、结合机理（金属胎体与金刚石结合）；（二）、胎体合金体系；（三）、金属（合金）胎体材料的制备（烧结）方法；（四）、金属胎体材料的性能及评价体系。 就地质勘探孕镶金刚石钻头而言，以碳化钨作为胎体的骨架材料应用最为普遍。而且，在生产实践中，碳化钨基胎体金刚石钻头收到了很不错的效果。但是，这种钻头存在钻头应用广谱性差的缺点。另外，近些年来碳化钨材料价格迅速升高，使得钻头生产的成本提高了很多，这就使得传统的碳化钨金刚石钻头市场竞争力和市场影响力急剧下降。因此在市场经济的迫切需求下，研究开发代替碳化钨基钻头胎体的材

4、料一直是钻头制造行业的一大课题。新胎体材料应该具有既能提高钻头的质量又能降低生产成本等的优点。铁金属作为一种廉价且最容易收集开采的材料，在粉末冶金行业中已被广泛应用于机械零件技术制造；而且制造工艺也相当的成熟。在金刚石工具制造技术方面，铁基金属在金刚石锯片中制做中已成功取代了传统的金刚石钴基锯片。胎体金属结合剂的应用研究也已有了长足的发展。很多发达国家，如美国，在上世纪50年代即开始用金属结合剂粘结金刚石，以制作金刚石工具。经过不断的改善和发展，到了60年代，这种技术已被十分广泛的应用。通常情况下，由于金属钴与金刚石粘接是有较好的润湿性，其制作的金刚石工具具有耐高温，高强度、韧性耗等性能，因此

5、，在国外的金刚石制造工具行业，用纯钴基、高钴基作为金属粘接剂被广泛应用。而在国内是从60年代才接触钴基粘接剂的研制工作。自20世纪70年代，地质钻探用的金刚石钻头开始采用金属粘结。在上世纪90年代以前，国内用的钴基结合剂多数以低钴基为主，至多为中钴基。由于钴在我国的存储量很是匮乏，导致国内用钴价格昂贵。因此，在金刚石工具金属结合剂领域，采用其它金属基材料替代钴基胎体的研究工作一直在持续发展。铁元素与钴元素在元素周期表中的位置相邻，他们的电子层数、最外层电子数都一样，所以化学上把习惯它们都称为铁族。因此，它们在很多性质上是相近的。近年来。由于钴的价格猛升，使得钴基胎体已很难满足现在社会的发展和需

6、求，为了能适应市场的竞争需要，用铁基或铜基代替钴基的研究应用在很多国家很多研究所（研究机构）都已经开始起步。近些年，很多研究人员在高温下金刚石受到铁对其的热浸蚀性、金刚石工具的自锐性以及提高其与金刚石的结合强度等方面进行了大量的试验研究，取得了显著进展。在未来的地探、钻采工作中，钻探将会面临更多深层地层的挑战。深地层钻探对钻探工艺和钻头的要求都是很高的。显然，对钻头胎体材料的选择亦非常重要。胎体材料一定要尽可能适应多种复杂地层条件，亦即胎体材料需要具有性能的多样性。开展铁基胎体材料的应用研究，对地质金刚石钻头的持续发展具有重要意义。铁基材料主要用于以下几个方面：（1） 铸铁结合剂铸铁结合剂主要

7、用于加工精密陶瓷的金刚石磨轮。（2） 多元合金化铁基结合剂 金刚石锯片结合剂，大多是在纯铁中加入适当的铜、锡等低熔点元素，辅以其它多种合金元素生产出铁基结合剂金刚石锯片。（3） 加入预合金化粉末的铁基胎体铁基胎体材料中加入部分预合金化粉末；采用分段升温、升压、保温和冷却等的工艺流程。所生产的的钻头具有较高的耐磨性、易于出刃、钻切速度快、使用寿命长、成孔质量好等特性。2.实验材料与方法2.1胎体的配方设计孕镶金刚石的胎体主要由骨架材料和粘结金属构成。其中，骨架材料在胎体材料中起到硬质点的作用，具有较高的强度和硬度要求。粘结金属的作用则是将骨架材料和金刚石粘结在一起。粘接金属一般具有较低的熔点，并

8、应对金刚石颗粒和金属碳化物有良好的润湿性。本试验设计了四组不同配方的铁基胎体材料，其化学成分配比如表2-1所示。表 2-1 机械混合胎体粉末的化学成分（mass，%）GroupFeCuCoSnZnMnNi1154040232144733243173839244701512122.2胎体试样的制备2.2.1模具本次试验所用的石墨模具结构如图2-1所示。 （a）模具主体(b) 模具上、下垫片图2-1 试验用石墨模具结构2.2.2实验配料每一组各含3块式样。计算确定了各组各成分的用量，材料在电子天平上称量。称量完成后，将原料粉末放入混料机混合。混料混合时间为24小时。混料混合充分后取出。用酒精棉清洗

9、模具并烘干。而后组装模具，进行粉末装料。胎体粉末在模具中装好之后，再借助压力机将粉末进一步压实。2.2.3烧结方法与过程本次试验采用的是热压烧结法。将压制好的石墨模具，在TLZK2001真空热压烧结机中进行烧结。通过调节功率设定烧结温度。以下是本次试验所选的烧结参数：烧结温度: 前三组烧结温度为940 ，第四组烧结温度为970保温时间：5 min（烧结时间）压力：13 mpa（压平为止）冷却：温度降到600时，从炉中取出模具放入保温砂（珍珠岩）箱中，冷却15h。待冷却至室温后，从保温砂箱中取出；通过压力机压出模具垫片和式样。继而用1000目碳化硅砂纸打磨加工，得到符合力学试验要求的试样。2.3

10、硬度试验硬度试验在HR-150A型洛氏硬度计上进行。试验采用HRC硬度度量。采用五点法测试块的硬度。每组胎体配方共三块试样分别对每块试块进行测试，在适合的平行压制方向选择5个测试点分别测试，然后取这5个硬度平均值作为相应被测试样的硬度。2.4抗弯试验采用三点弯曲的抗弯试验，测定各组胎体材料的弯曲强度。每组为三块试样。测试平面为垂直压制方向的平面。本试验测试设备为液压万能材料试验机，采用用专用的试验压具完成。弯曲强度试验原理及设置如图2-4所示。试验所用的加载速率为0.5 mm/min。抗弯强度的计算公式：其中，P压力测试值， N L压具的间距，L=24mm b试块宽度，mm h试块高度，mm 图2-4 胎体抗弯试验原理及设置3.实验结果根据以上试验条件烧结制作了试样块体。图3-1为烧结后经过打磨的典型试样。分别对相应的试样进行了洛氏硬度和弯曲强度的测定。图3-1 烧结打磨后的试样3.1硬度表3-1列出了所测得的各组胎体试样的平均硬度。由此得出的HRC硬度如图3-2所示。表3-1 铁基胎体硬度（HRC） Group1234AVE35.333.038.036.0STDEV1.10.81.11.6 图 3-2 铁基胎体材料硬度对比3.2弯曲强度表3-2列出了试验测得的各组胎体试样的平均弯曲强度数据。所对应的弯曲强度如图3-3所示。表3-2 铁基胎体弯曲强度（MP