石墨表面鍍鎳對金剛石鉆頭胎體性能的影響

謝蘭蘭, 潘秉鎖, 段隆臣

1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.中國地質大學 工程學院,武漢 430074)

金剛石熱損傷是金剛石鉆頭磨損形式中最常見的一種。通常在鉆進過程中，降低金剛石熱損傷是靠鉆井液的冷卻作用和潤滑作用實現(xiàn)的；但是在一些特殊場合，無法使用鉆井液，只能使用空氣鉆進，這樣金剛石鉆頭的冷卻就不能依靠鉆井液來實現(xiàn)了。石墨是一種較為理想的固體潤滑劑材料[1,2]。試驗表明，在鉆頭胎體材料中添加適量石墨進行燒結，可在干鉆過程中起到潤滑作用，降低摩擦熱的產(chǎn)生，減少金剛石的熱損傷。但是在燒結過程中，石墨不與胎體材料發(fā)生冶金作用。石墨是以軟質相的形式存在于胎體中的，雖提高了胎體的摩擦學性能，但是降低了胎體的物理力學性能(如硬度、抗彎強度等)[3]。

若對石墨表面進行修飾，改善胎體材料與石墨的界面結構及潤濕性，增強胎體與石墨之間的界面結合，則有助于提高自潤滑孕鑲金剛石鉆頭胎體材料的綜合力學性能及其摩擦學性能。表面金屬化可以使石墨表面具有金屬的性質，增強石墨與胎體材料的相容性[4]，增強兩者之間的結合力。作者采用電鍍法在石墨顆粒表面鍍上一層鎳,再將鍍鎳之后的石墨添加在鉆頭胎體中熱壓燒結制備鍍鎳石墨/胎體復合材料。本文主要探討了石墨表面鍍鎳對復合材料的物理力學性能(如硬度、抗彎強度等)、以及與花崗巖對磨時的干摩擦學性能的影響。

1 試 驗

1.1 試樣制備

試樣基本配方(質量分數(shù))為：WC 18%、鎳9%、鈷3%、錳5%、663青銅35%、Fe 30%。試樣中石墨的體積分數(shù)為5%，粒度為80/100目。鍍鎳后石墨質量增量為0%、36.36%、45.35%，分別為1#、2#、3#試樣。用于抗彎強度測試的試樣大小為7.1 mm×7.1 mm×36 mm，用于硬度測試以及摩擦磨損試驗的試樣大小為8.5 mm×8.5 mm×15 mm。每種配方的試樣壓制3塊，以求取平均值作為測試值。試樣在湖北省長江精工制造技術有限公司生產(chǎn)的SM100-A型自控智能燒結機上燒結制備，燒結工藝為：燒結溫度945℃，成型壓力15 MPa，保溫時間3 min。

1.2 抗彎強度測試

采用三點彎曲法在WE-30型液壓式萬能材料試驗機上對試樣進行抗彎強度測試，設計加壓速率為100 N/s。試樣的抗彎強度值按照式(1)計算得出。

(1)

式中：σ為抗彎強度(MPa)；W為試樣斷裂時的載荷(N)；l為支點間距，在本實驗中為32 mm；b為試樣寬度(mm)；h為試樣高度(mm)。

1.3 硬度測試

使用萊州華銀實驗儀器有限公司生產(chǎn)的HR-150A型洛氏硬度計對試樣進行硬度測試。參考孕鑲金剛石鉆頭胎體的硬度，本次選擇HRB進行測試，壓頭為淬火鋼球，設計硬度值預測在HRB 95～120之間。測試前，每種配方的試樣壓制3塊，每塊試樣分別在平行于正壓制方向和側壓制方向的2個面上各測試3個點，然后取這18個測試點的平均值作為該配方試樣的硬度值。

1.4 摩擦磨損試驗

本文使用MG-2000A型高速高溫摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對磨件為花崗巖，加壓200 N，轉速300 r/min，干摩擦10 min。耐磨性以試樣磨損試驗前后的質量損失來衡量。摩擦系數(shù)由MG-2000A型高速高溫摩擦磨損試驗機的運行軟件按照式(2)計算得出。

μ=F/N=M/(rN)

(2)

式中：μ為摩擦系數(shù)；F為摩擦力(N)；N為正壓力(N)；M為摩擦力矩(N·m)；r為回轉半徑(0.03 m)。

還使用Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察石墨顆粒與胎體材料之間的界面結合狀態(tài)。

2 試驗結果與討論

2.1 石墨與胎體的結合性能

圖1為石墨顆粒與基體結合界面的掃描電子顯微鏡照片。圖1-A、B為1#試樣的顯微照片，圖1-C、D為2#試樣的顯微照片。1#試樣與2#試樣的區(qū)別在于，1#試樣中添加的是未曾表面金屬化的石墨粉，而2#試樣中添加的則是鍍鎳石墨粉。從圖1-A、B中可以明顯地看到1#試樣中的石墨顆粒與胎體材料之間存在較大的空隙，機械互鎖作用很弱，屬于互不反應、互不溶解，又互不濕潤的弱界面反應類型。這是因為石墨的化學性質比較穩(wěn)定，在燒結溫度下沒有和胎體材料發(fā)生冶金作用；另外，石墨的表面能較高，難以被高溫燒結時的胎體材料潤濕。而從圖1-C、D中則可以看到2#試樣中的鍍鎳石墨顆粒與胎體材料之間的界面無明顯縫隙的存在，結合較為緊密。

圖1 石墨與胎體界面的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 The SEM photographs of the interface between graphite and matrix(A)1#試樣,×500; (B)1#試樣,×1000; (C)2#試樣,×500; (D)2#試樣,×1000

研究表明，在電鍍之后鎳能夠均勻分布于石墨顆粒的整個表面，甚至是石墨顆粒表面的凹陷處也能夠被鎳包覆，鍍鎳層與石墨的機械互鎖作用較好[5]。在之后的熱壓燒結過程中，由于高溫的作用，石墨還能以單質的形式部分溶于鎳的晶格之中，這就使得鎳與石墨之間的界面結合由簡單的機械互鎖轉變?yōu)槌侍荻茸兓墓倘荏w結合，兩者之間的界面結合更加牢固[6]。鎳又與胎體成分中的黏結劑銅無限互溶，形成面心立方結構的固溶體。石墨與胎體材料之間形成一種雙層界面的結合模式，即石墨-鎳單質-胎體，每一層界面結合都比較牢固，石墨就通過鎳與胎體緊密地結合在一起。由圖1-C、D可以看出，鍍鎳石墨顆粒和胎體之間已經(jīng)沒有明顯的界面，說明兩者之間的界面是連續(xù)變化的，界面結合比較牢固。

本次做掃描電子顯微鏡分析的試樣是抗彎強度測試之后的試樣，石墨顆粒是試樣斷裂之后的斷裂面上分布的石墨顆粒。在掃描電子顯微鏡下可以觀察到，1#試樣斷裂面上的絕大部分石墨顆粒均如圖1-A所示，朝向斷裂面的一面很光滑，沒有斷裂的痕跡，且圖1-A所示石墨顆粒右側的基體已經(jīng)完全從石墨表面剝離，這說明石墨顆粒與胎體的界面結合強度很低，試樣在受到外力作用折斷之后，斷裂面上分布的石墨顆粒由于與胎體結合不牢而被完整地留在兩個斷裂面上，或者是整顆脫落；2#試樣斷裂面上的絕大部分石墨顆粒則如圖1-C所示，朝向斷裂面的一面參差不齊，有明顯的斷裂痕跡，這就說明由于石墨顆粒與胎體結合牢固，在試樣受到外力作用而折斷時，斷裂面上分布的石墨顆粒也同胎體試樣一起被折斷。

2.2 抗彎強度

由圖2可以看到，石墨表面金屬化之后，胎體試樣的抗彎強度有所增大。與添加未曾金屬化的石墨粉的胎體試樣相比，添加質量增量為45.35%的鍍鎳石墨的胎體試樣抗彎強度值由871.72 MPa升高到920.90 MPa，升高了5.7%。石墨添加在鉆頭胎體中制成自潤滑復合材料，但由于石墨與胎體材料之間的物理、化學相容性差而影響自潤滑復合材料的整體性能。未曾金屬化的石墨與胎體材料一起燒結的過程中，胎體材料顆粒僅僅發(fā)生軟化和部分熔化，難以完全包裹表面能較高的石墨顆粒，二者之間的界面結構松散，界面結合強度低，在外力作用下界面處容易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展，這就導致胎體試樣的強度降低。而鍍鎳石墨顆粒與胎體材料之間的物理、化學相容性有所改善，界面結合強度有所提高，從而改善了復合材料的整體性能。

2.3 洛氏硬度

由圖3可以看出，石墨表面鍍鎳之后，胎體試樣的硬度值有所增大。與添加未曾金屬化的石墨粉的胎體試樣相比，添加質量增量為45.35%的鍍鎳石墨的胎體試樣的洛氏硬度由HRB 87.98升高到HRB 91.25，升高了3.8%，升高的幅度較小。這是由于試樣的硬度反映了試樣抵抗局部塑性變形的能力。胎體材料中的石墨顆粒越大、含量越高，就相當于其中的孔隙越大越多，其抵抗局部塑性變形的能力就越低，硬度值也就越小。石墨顆粒與胎體之間的界面結合強度高低對復合材料硬度的影響不大。但是鍍鎳石墨與胎體之間的空隙減小，也就是胎體材料中孔隙的體積變小，因此胎體材料的硬度有所升高。

圖2 石墨表面鍍鎳對復合材料抗彎強度的影響Fig.2 Effect of electroplating nickel on the surface of graphite on the bending strength

圖3 石墨表面鍍鎳對復合材料洛氏硬度的影響Fig.3 Effect of electroplating nickel on the surface of graphite on hardness

2.4 摩擦系數(shù)

由圖4可知，石墨表面鍍鎳之后，摩擦副的摩擦系數(shù)有所升高。圖5為1#、2#試樣在整個摩擦過程中摩擦系數(shù)的變化曲線圖，圖中橫坐標表示時間點，縱坐標表示摩擦系數(shù)?？梢钥闯觯?#試樣比2#試樣先進入穩(wěn)定磨損期。這是由于鍍鎳之后的石墨與胎體材料界面結合牢固，不易從胎體中脫落；另外，石墨鍍鎳之后提高了的石墨/胎體復合材料的整體承載力，復合材料較耐磨，更加大了石墨顆粒脫離胎體的阻力。在摩擦過程初期，1#試樣添加的是未曾金屬化的石墨，石墨與胎體結合不牢，因此比2#、3#試樣中的石墨先脫落，涂覆在摩擦表面形成潤滑膜，降低摩擦系數(shù)，因而整個摩擦過程的平均摩擦系數(shù)較低。

圖4 石墨表面鍍鎳對胎體試樣摩擦系數(shù)的影響Fig.4 Effect of electroplating nickel on the surface of graphite on friction coefficient

圖5 摩擦系數(shù)曲線圖Fig.5 The curve of friction coefficient(A)1#試樣摩擦系數(shù)曲線圖; (B)2#試樣摩擦系數(shù)曲線圖

2.5 磨損量

由圖6可以看出，石墨表面鍍鎳之后，石墨/胎體復合材料的磨損量有所升高。雖然添加鍍鎳石墨的試樣與添加普通石墨的試樣相比整體性能較好，但是后者在摩擦副表面形成的石墨潤滑膜較完整，因而與花崗巖對磨的幾率較低，磨損量較小。

圖6 石墨表面鍍鎳對胎體試樣磨損量的影響Fig.6 Effect of electroplating nickel on the surface of graphite on friction loss

3 結 論

a.未鍍鎳的石墨顆粒與胎體之間的界面類型屬于互不反應、互不溶解、互不潤濕的弱界面反應類型；石墨表面鍍鎳之后，二者之間的界面轉化為呈梯度變化的固溶體結合界面類型，結合強度大幅度提高。

b.石墨表面鍍鎳之后，試樣在受到外力作用時界面結合處不易形成裂紋，從而提高了胎體的整體性能，其抗彎強度有所提高。石墨顆粒與胎體之間的界面結合強度對胎體的硬度影響不大，但是石墨表面鍍鎳之后與胎體材料之間的空隙減小，也就是胎體中孔隙的體積變小，因此胎體的硬度也有所提高。

c.石墨表面鍍鎳之后，石墨從胎體中脫落的阻力增大，降低了摩擦副表面石墨潤滑膜的完整度，因而提高了摩擦副的摩擦系數(shù)，且增大了胎體的磨損量。

d.石墨表面鍍鎳之后，提高了石墨/胎體復合材料的物理力學性能，但是降低了其干摩擦性能。

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