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金刚石复合片钻头的失效形式及工艺分析
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金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)是由聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层构成的超硬复合材料,由它做成的钻头具有极高的耐磨性、抗冲韧性和锐利的切削刃因而在煤田钻探中就获得了广泛的应用。但是在具体使用过程中,由于地质条件复杂、人工操作、工艺处理等方面存在着不规范之处,使金刚石复合片钻头的优势未能很好地发挥出来,造成不该有的损失。本文从金刚石复合片钻头失效的形式做一些工艺方面的分析:

1 裤体的非正常磨损

金刚石复合片钻头的工作条件极为苛刻,在工作中不但承受巨大的压力,同时还承受交变的冲击力,各种力的复合作用导致切削过程中的摩擦异常激烈,作为PDC钻头的基体不仅要有较强的综合机械性能,还要由较好的热振性和抗腐蚀性。裤体的材质、加工精度、热处理工艺、焊后的修磨等变得很重要,这就要求裤体材质要选用优质低碳合金钢,如42CrMo35CrMnSi等材料,加工成的裤体要进行相应的热处理,即淬火后进行低温回火,裤体热处理后的表面硬度在40~42HRC之间,组织为回火马氏体。

2刀片的破损

刀片的破损又分为以下几种形式:

2.1金刚石层与WC基托层的分离主要原因是金刚石涂层工艺技术欠成熟稳定,金刚石与基体的附着力较差,从而造成金刚石薄膜过早地从WC基托层上剥离而失效,极大降低了钻头的使用寿命及切削性能。提高膜/基附着力的工艺措施:进行表面的净化、粗化处理,清除硬质合金刀具在制造过程中不可避免地残留在基体表面上的污染物、吸附物、氧化物,以改变基底表面的微观结构;去除表面附着强度较低的WC颗粒,以增加反应气源与基体的接触面积,增加基底表面的表面能,提高金刚石在异质基体上的成核密度,从而增强膜/基的附着力。常用的方法有:化学清洗、机械微粉嵌镶,液体超声波处理等。PDC热残余应力是造成其非正常失效的主要原因,降低PDC内部热残余应力是提高PDC使用性能最行之有效的方法,通过采用非平面连接技术与梯度过渡技术,可以增大PCD层与硬质合金的接触面积和缓和由于两种材料的热膨胀系数、弹性模量等物理性能参数差异造成的应力集中。只有采取特定的结构形式,并加以合理的梯度过渡,才能有效降低PDC热残余应力,争强其抗冲击断裂的能力,提高其成品率及使用寿命。施加中间过渡层:采用钛粉和金刚石微粉烧结层,类金刚石膜,钨/金刚石成分梯度层等方法,能较好地消除薄膜与基托因晶格失配、热膨胀系数差异而造成的内应力。

2.2宏观破裂

宏观破裂就是表现为金刚石层的破裂,产生此种状况的原因失由于钻头在钻进过程种遇到硬质岩石或岩性变化较大的岩层时,受到较大的交变冲击,使切削齿在短时间内承受超负荷而导致宏观破裂,钻头报废。措施:操作人员要根据钻机的性能选择与之相匹配的PDC钻头,在钻探过程中保持稳定的钻压、钻速,尽量避免大的冲击;在材料制造过程中提高各层间的结合力,改善材料间的热胀系数的匹配,尽量减少内应力,也是减少宏观破裂的有效工艺措施。

3 脱焊

由于PCD的焊接工艺性差,各种参数控制要求高,操作中稍有不慎,便可导致PCD在使用过程中的脱焊,致使钻头报废。工艺措施:由于PCD允许的加热温度受限制(一般不允许超过760℃~800℃),一般选用银基钎料,采用感应钎焊或火焰钎焊。焊缝强度取决于被连接材料的组织和状态、钎焊过程和刀片与基体等三个方面。

(1)被连接材料的焊前处理:

结合面的设计:包括基体结合面的粗糙度、几何角度、形位公差的确定,PCD刀片的结合角度。最基本的思想是在保证焊接强度的前提下实现单面焊接和焊接应力趋于最小化。几何尺寸的检验:装配间隙应在0.10~0.15mm,中间间隙应不大于四周间隙。去除表面的氧化皮和油污:喷砂后水煮清洗,焊接前用丙酮清洗。

(2)选用合适的钎料和钎剂:钎料的选择既要满足刀具的使用条件又要符合刀片和基体材料的要求。一般选Bag6xx系列钎料和J102焊剂。

(3)钎焊过程的控制:钎焊时,首先加热涂过钎剂、加过钎料的刀柄,当钎料开始熔化时放上刀片,当钎料自由流动后停止加热。来回往复移动刀片,但当钎料失去光泽焊缝温度下降到液相线时,不再移动刀片,静止--保温--加压,直到钎缝变暗为止,焊后应将钻头放入保温箱中缓冷,不得急冷。

(4)焊后处理:焊后应及时清洗过量的钎剂和表面氧化皮。采取喷砂和热水浸泡即可完成处理过程。

4 结论

本文通过对金刚石复合片钻头得失效形式及工艺过程的分析,可以看出,只要严格按照工艺要求,控制好生产、使用中的各个环节,就能充分发挥聚晶金刚石复合片钻头的优势,延长其使用寿命,取得较好得经济效益。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/10/2010)
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