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金刚石—硬质合金复合齿及其钻头的研究

史晓亮  
【摘要】:目前,国内冲击凿岩用的潜孔锤钻头、钎头以及牙轮钻头等,其切削具一般都采用YG类硬质合金柱齿,由于硬质合金的耐磨性相对较低,在钻进坚硬岩层时,钻头的寿命和钻进时效都很低; 金刚石超硬复合材料钻头具有较高的耐磨性,已被广泛地应用于钻井工程,但由于其抗冲击性能较差,不适于冲击凿岩钻进,只能用于回转钻进。砂卵砾石地层的钻进,一直是钻探工作者想要解决的难题,地层复杂,钻进过程中钻头即要承受岩石的磨损,又要承受岩石的冲击; 其他钻头及钻进方法应用效果也不十分理想,使用普通硬质合金球齿,对一般卵石地层有一定的适应性,但遇到大的漂石时,钻头切削齿损坏严重而不进尺。 为了解决潜孔锤钻进硬岩以及砂卵砾石地层钻进的难题,研制一种具有较高耐磨性,同时又具有较高抗冲击性能的复合材料,来替代传统的硬质合金齿,是十分必要和迫切的。国内、外科技工作者对金刚石(CBN)—硬质合金复合齿进行了大量研究,并取得了一定的成果。但仍存在一定的问题:(1)如何解决金刚石(CBN)在高温热压烧结过程中的热损伤问题; (2)以廉价铁代替昂贵的钴作为粘结剂的胎体配方; (3)解决复合齿烧结模具的材质与结构优化设计问题,以降低复合齿加工成本,提高复合齿机械性能; (4)微量元素及稀土元素的添加方式、数量对复合齿性能的影响及作用机理。 本文总结并综合分析了国内外金刚石、立方氮化硼烧结体的制造方法,在这些理论和导师的正确指导下,解决复合齿的结构、配方和制造工艺流程中的难题,利用低温活化热压的方法,成功研制了金刚石(CBN)—硬质合金复合齿,利用金刚石与立方氮化硼表面金属化,解决了高温热压烧结时对金刚石的热损伤问题以及金刚石、立方氮化硼与基体结合包镶问题,同时通过合理添加稀土方式和添加量,基本解决以铁代钴复合齿技术难题。 由于金刚石(CBN)是非金属,与一般金属或合金间有很高的界面能,即使在较高的温度和压力下,金刚石表面也不能被低熔点金属或合金所浸润,小颗粒的金刚石只是仅仅机械被包镶于金属胎体中,而不是被冶金焊接,其粘接性差。由于金刚石(CBN)—硬质合金复合齿的烧结温度在1050℃左右,对普通金刚石的热损伤严重,大大影响了复合齿的性能。本文通过金刚石(CBN)表面采用镀覆技术(真空蒸镀W、化学镀Ni-W-B、Ni-W-P)解决了上述难题,使复合齿的性能得到了保证和提高。 通过对超硬复合齿烧结模具的结构和材料优化设计,大大降低了复合齿的加工成本,提高了其机械性能,有利于优化烧结参数(烧结压力、烧结温度、保温保压时间)和复合齿结构的优化。陶瓷烧结压头的使用相对于石墨压头,模具寿命提高了20多倍,复合齿加工模具成本降低超过了100%,同时使复合齿的抗弯强度、磨耗比、抗冲击韧性大大提高,


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