浸漬合金對 PDC 鉆頭胎體性能的影響

摘要 PDC 鉆頭胎體的浸潤比對其力學(xué)性能和微觀形貌的影響較大，為了探究浸漬合金對胎體性能的影響規(guī)律，采用 Cu-Ni-Mn-Zn和 Cu-Ni-Mn-Sn 2種浸漬合金制作不同高度的工作層和非工作層試塊，得出不同浸漬合金下鉆頭胎體工作層和非工作層的浸潤比及力學(xué)性能差異，同時利用掃描電鏡對試塊的微觀形貌和元素含量進(jìn)行分析。結(jié)果表明：試塊的浸潤比為定值；胎體鉆頭工作層的浸潤比小于非工作層的，微觀形貌上表現(xiàn)為工作層中浸漬合金的島狀組織大而分散，非工作層的島狀組織小而致密；對于同種類型的試塊，通常浸潤比越大密度越大；采用 Cu-Ni-Mn-Sn得到的試塊硬度均大于 Cu-Ni-Mn-Zn 試塊的，但其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性遠(yuǎn)低于 Cu-Ni-Mn-Zn 試塊的。

關(guān)鍵詞 PDC 鉆頭胎體；浸漬合金；浸潤比；力學(xué)性能；微觀形貌

中圖分類號 TG146; TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0252-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192

收稿日期 2022-11-08 修回日期 2023-07-14

PDC 鉆頭被廣泛用于煤田地質(zhì)、石油鉆探及煤礦 井下瓦斯抽采等領(lǐng)域，其中的胎體式 PDC 鉆頭多采用 無壓浸漬法制造，由鎢鈷類粉末作為骨架材料，Cu、Sn、 Zn、Ni 等作為浸漬合金進(jìn)行燒結(jié)。鉆頭的性能除了受 粉料配方和燒結(jié)工藝的影響外，還受到浸漬合金與骨 架材料間潤濕性的影響。浸漬合金的主要作用是改善 骨架材料的性能從而提高鉆頭的綜合性能[1]。

國內(nèi)外對 PDC 鉆頭的研究多集中于胎體配方及 WC 粉料對其性能的影響[2-4]，制備的納米強(qiáng)化[5]或超細(xì) Fe[6-7]、Ni[8-9]預(yù)合金粉末對胎體性能的影響上。對于浸漬合金的研究，主要從優(yōu)化合金成分、改進(jìn)加工工藝以及制備等方面出發(fā)，開發(fā)出低成本、高可靠性的浸漬釬料[10-12]，同時分析 Zn、Mn、Ni、Cu 等及摻雜的稀土元素對金剛石鉆頭胎體的作用，并對其力學(xué)性能進(jìn)行測試及評估[13-15]，而對浸漬合金與骨架材料浸潤比的研究相對較少。因此，選用2種 Cu基浸漬合金，對比不同浸漬合金下胎體鉆頭工作層和非工作層的浸潤比及其力學(xué)性能的差異。

1 試驗材料與方法

分2組進(jìn)行試驗：第1組考察粉料質(zhì)量對浸潤比 的影響。采用 Cu-Ni-Mn-Zn浸漬合金制作4種不同高 度的工作層試塊，試塊長10 mm，寬8 mm，高分別為55，45，40及35 mm，每種高度制作5塊。圖1反映了不同高度試塊的制作過程：芯模扇形的高度不同（圖1a），燒結(jié)后得到的試塊高度也就不同（圖1b）。測試5塊 不同質(zhì)量工作層試塊的浸潤比。第2組考察 Cu-Ni-Mn- Zn 和 Cu-Ni-Mn-Sn 等2種浸漬合金對胎體鉆頭工作層 和非工作層的浸潤比和性能的影響。2種浸漬合金的 主要成分見表1。工作層由 WC、W2C 等骨架材料和浸漬合金組成，非工作層由 Fe、Ni 等金屬元素和浸漬合 金組成。按照長為10 mm、寬為8 mm、高為55 mm 的規(guī)格，制作2組工作層和非工作層試塊各5塊，其制作過程如圖2所示。

制作試塊時，將工作層或非工作層粉料分別在混料機(jī)中攪拌均勻，根據(jù)芯模扇形的底面積和擬裝高度計算裝入該扇形的粉料體積，再結(jié)合工作層或非工作層粉料的振實密度，計算出每個扇形理論裝入的粉料質(zhì)量，而對實際裝入的粉料質(zhì)量在理論值附近進(jìn)行微調(diào)。采用箱式電爐無壓浸漬工藝燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100℃， 保溫時間為120 min。

試塊的性能包括密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。采用直讀式電子比重計測試試塊的密度，采用200HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計測量試塊的硬度，采用萬能材料試驗機(jī)測試試塊的抗彎強(qiáng)度，采用 PIT452D-2擺錘沖擊試驗機(jī)測試試塊的抗沖擊韌性，采用 Sigma 300掃描電鏡對試塊的微觀形貌和元素含量進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粉料質(zhì)量對工作層浸潤比的影響

工作層試塊的浸潤比可通過式（1）計算：

式中：i為浸潤比；m塊為試塊燒結(jié)后的質(zhì)量；m粉為燒結(jié)前裝入模具的粉料質(zhì)量。

不同質(zhì)量的工作層試塊的浸潤比見表2，試驗結(jié)果用5塊試樣的平均值表示。由表2可知：粉料與浸漬合金在高溫熔合時，存在一定的浸潤比，且浸潤比基本為定值，不隨試塊高度即粉料質(zhì)量的改變而發(fā)生變化。浸漬合金通過材料元素間隙浸潤到粉料中，填滿顆粒間隙后多余的浸漬合金會出現(xiàn)剩余，使浸潤比基本維持在恒定值。

2.2 不同浸漬合金試塊的浸潤比、密度及力學(xué)性能

根據(jù)2.1中的方法，分別采用 Cu-Ni-Mn-Zn 和 Cu-Ni-Mn-Sn 得到不同浸漬合金下試塊工作層和非工作層的浸潤比、密度及力學(xué)性能，結(jié)果見表3。其中：試塊的浸潤比、密度用5塊試樣的平均值表示；抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性用3塊試樣的平均值表示；試塊硬度的測試為在圖1b 中的第1個試塊上畫1條直線，每隔3 mm 取1個點，共17個點，用17個點處硬度的平均值表示試塊的硬度。

由表3可知：對于2種浸漬合金燒結(jié)的試塊，其工作層的浸潤比均小于非工作層的，說明非工作層可吸 收更多的浸漬合金；工作層密度大于非工作層的，說明 對于相同尺寸的模具，裝入工作層粉料的質(zhì)量遠(yuǎn)大于 非工作層的；Cu-Ni-Mn-Sn 工作層的浸潤比大于 Cu-Ni- Mn-Zn 工作層的，其相應(yīng)的工作層密度也大；Cu-Ni-Mn- Sn 非工作層的浸潤比略小于 Cu-Ni-Mn-Zn非工作層的，其相應(yīng)的非工作層密度也略小。由此說明對于同種類型的試塊，通常浸潤比越大，試塊的密度也越大。

試塊的硬度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性是鉆頭的重要性能指標(biāo)。試塊工作層和非工作層的硬度變化如圖3所示。其中：圖3a、圖3b 分別為 Cu-Ni-Mn-Zn試塊的工作層和非工作層，圖3c、圖3d 分別為 Cu-Ni-Mn-Sn 試塊的工作層和非工作層。

由圖3可知：試塊的工作層和非工作層硬度存在一定的波動性，由于粉料中含有 WC、W2C，若測點在硬質(zhì)合金晶粒上則硬度偏高，若測點在晶粒間的間隙則硬度偏低。

表3中的平均硬度表明：2種浸漬合金工作層的硬度均大于非工作層的；采用 Cu-Ni-Mn-Sn得到的工作層和非工作層的硬度比 Cu-Ni-Mn-Zn相應(yīng)層的提升了6.42%和2.21%，且其耐磨性更好。這是由于 Cu-Ni-Mn-Sn 中 Ni 元素含量較高，且能無限固溶于 Cu 和 Mn 中形成連續(xù)固溶體而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，進(jìn)而增加了試塊的硬度[11-12]。

由表3還可知：2種浸漬合金工作層的抗彎強(qiáng)度均 大于非工作層的，但沖擊韌性均小于非工作層的；采用 Cu-Ni-Mn-Zn得到的工作層和非工作層的抗彎強(qiáng)度 比 Cu-Ni-Mn-Sn 相應(yīng)層的分別提升了26.80%和18.09%，沖擊韌性分別提升了8.83%和15.40%。 Cu-Ni-Mn-Sn 中 Sn 的存在，造成合金脆性相增加，從而使試塊的抗 彎強(qiáng)度及沖擊韌性變差；而 Cu-Ni-Mn-Zn 中 Mn元素含 量略高，可增加浸漬合金對 WC 顆粒的浸潤性，提高試 塊的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性[13]。

綜合比較2種浸漬合金，Cu-Ni-Mn-Sn 雖可提升工作層和非工作層的硬度，但遠(yuǎn)不及 Cu-Ni-Mn-Zn在抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性方面的提升。因此，Cu-Ni-Mn-Zn 浸漬合金對含有 WC、W2C 的粉料可得到更好的力學(xué)性能?？傊n合金不僅起到黏接相的作用，也影響骨架材料的浸潤比和試塊的力學(xué)性能。

2.3 試塊的微觀形貌

圖4所示為不同浸漬合金試塊的微觀形貌，其中 圖4a、圖4b 分別為 Cu-Ni-Mn-Zn 試塊的工作層和非工 作層，圖4c、圖4d 分別為 Cu-Ni-Mn-Sn 試塊的工作層 和非工作層。對試塊不同的位置進(jìn)行元素能譜分析，對應(yīng)的位置在圖4中已標(biāo)出，相應(yīng)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié) 果見表4。

根據(jù)表4中的元素含量和圖4a、圖4c 可以得出：2種試塊工作層中的位置 A 都是 W 元素，其顆粒完整且分布均勻，呈針狀組織。對比文獻(xiàn)[2，16]中提到的 鉆頭胎體組織形貌和斷口形貌（圖5），可推測位置 A 為 W2C；圖4a 中的位置 B 主要是 Cu、Zn、Ni 元素，圖4c 中的位置 B 主要是 Cu、Fe、Ni 元素，由此可判斷出浸漬合金主要分布在這個位置，呈島狀組織。且圖4a 中 Cu-Ni-Mn-Zn 的島狀組織較均勻，而圖4c中 Cu-Ni- Mn-Sn 的島狀組織大小相差較大；圖4a 中位置 C 主要是 W 元素，還有一定量的 Cu 和 Zn 等元素，圖4c 中的位置 C 主要是 W 和 Cu元素。對比幸雪松等[16]中的胎體斷口微觀形貌及圖5c 中的結(jié)果，可推測區(qū)域 C 主要為 WC，還存在一些浸漬合金元素的擴(kuò)散。

同樣結(jié)合表4中的元素含量和圖4b、圖4d 試塊非 工作層的形貌可知：圖4b、圖4d 中的位置 D 的顆粒狀 W 元素含量較高，其微觀形貌與圖5a、圖5b 中的相近，可能為 W2C；位置 E 為浸漬合金分布的主要區(qū)域；位置 F 主要是 W 元素，還有一定量的 Cu 和 Zn 等元素，其微 觀形貌類似圖5c，可能為 WC，且該區(qū)域存在一些浸漬 合金元素的擴(kuò)散。比較浸漬合金在工作層和非工作層 中的分布形態(tài)，可知其在工作層中的島狀組織較大且 分布稀疏，如圖4a、圖4c 中的位置 B；而在非工作層中 這種島狀組織更細(xì)小且分布緊密，如圖4b、圖4d 中的 位置 E。

2種浸漬合金在圖4的試塊形貌中的占比結(jié)果見表5（位置B 和位置 E）。結(jié)合表5數(shù)據(jù)及圖4形貌發(fā)現(xiàn)：圖4c 中的島狀組織比圖4a 中的占比更高，因此相同質(zhì)量的工作層可吸收更多的 Cu-Ni-Mn-Sn，使得表 3中 Cu-Ni-Mn-Sn 工作層的浸潤比為0.34，大于 Cu- Ni-Mn-Zn 工作層的浸潤比0.26；圖4b 中的島狀組織比圖4d 中的占比略高，使得表3中 Cu-Ni-Mn-Zn 非工作層的浸潤比為0.49，也比 Cu-Ni-Mn-Sn 非工作層的浸潤比0.44略大。且表5中2種浸漬合金在非工作層中的占比更大，這也是非工作層的浸潤比都大于工作層浸潤比的主要原因。

3 結(jié)論

（1）鉆頭胎體微粉和浸漬合金在高溫熔合時，其浸潤比為定值，不隨粉料質(zhì)量的改變而變化。對于同種類型的試塊，通常浸潤比越大，密度越大。

（2） Cu-Ni-Mn-Zn 工作層和非工作層試塊的抗彎強(qiáng)度比 Cu-Ni-Mn-Sn相應(yīng)層的分別提升了26.80%和18.09%，沖擊韌性分別提升了8.83%和15.40%，且其含有 WC、W2C 的粉料可得到更好的力學(xué)性能。

（3）不同浸漬合金下的鉆頭胎體工作層和非工作層的浸潤比對其微觀形貌和占比的影響較大。浸潤比越大，島狀組織越細(xì)小，分布致密且占比越高；反之浸潤比越小，島狀組織越粗大，分布分散且占比越低。

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作者簡介

張素慧，女，1988年生，博士研究生、助理研究員。主要研究方向：鉆探機(jī)具性能測試與分析。

E-mail：zhangsuhui1221@163.com

Effect of maceration alloys on the performances of PDC drill bit matrix

ZHANG Suhui1，2

（1. China Coal Research Institute， Beijing 100013， China）

（2. Xi'an Research Institute （Group） Co.， Ltd.， China Coal Technology amp; Engineering Corp.， Xi'an 710077， China）

Abstract The wetting ratio of PDC drill bit matrix has a great influence on its mechanical properties and microstruc- ture. To explore the influences of maceration alloys on the performance of PDC drill bit matrix， two kinds of macera- tion alloys， Cu-Ni-Mn-Zn and Cu-Ni-Mn-Sn， were used to make the working layer and the non-working layer test blocks with different heights. The differences in wetting ratio and mechanical properties between the working layer and the non-working layer of the matrix bit under different maceration alloys were obtained. At the same time， scanning electron microscopy was used to analyze the microstructure and the element content of the blocks. The results show that the wetting ratio of the test block is a constant value. The wetting ratio of the working layer of the bit matrix is smaller than that of the non-working layer. The microstructures show that the island structure of the maceration alloy in the working layer is large and dispersed， while the island structure in the non-working layer is small and dense. For the same type of test block， the higher the wetting ratio， the higher the density. The hardness of the test block obtained by Cu-Ni-Mn-Sn is higher than that of Cu-Ni-Mn-Zn， but its bending strength and impact toughness are much lower than that of Cu-Ni-Mn-Zn.

Key words PDC drill bit matrix；maceration alloys；wetting ratio；mechanical properties；microstructure