干式钻进金刚石钻头的制备及钻进性能研究

对干式钻进金刚石钻头的优点和国内干式钻进市场的现状,以及干式钻进钻头胎体设计的原则等问题进行了概述,实验中引入超细钨铜合金粉末来解决钻头烧结及钻进过程中存在的问题。实验结果显示:采用质量分数为45%的钨铜合金粉末,配合Cu、Co及Ni等金属粉组成胎体,通过制粒、预压成型、脱蜡、烧结、焊接等工艺制备了实验钻头,当烧结温度为850℃,压力25 MPa,保温时间180s时,钻头刀头的硬度超过HRB110,金刚石出刃效果好。与韩国某公司钻头进行花岗岩钻进对比显示:本实验钻头钻进效率提高7%,寿命和韩国某公司钻头相当,体现出了良好的干式钻进性能。      

CSB-2预合金粉质量分数和烧结温度对热压富铁基胎体力学性能的影响

热压富铁基金刚石钻头具有成本低、钻速高的优点,已在钻探中广泛应用。对比相同的热压富铁基胎体配方,通过测试试样的致密度、显微硬度、抗弯强度和抗冲击韧性,研究CSB-2预合金粉质量分数和烧结温度对金刚石钻头胎体力学性能的影响。试验结果表明:添加CSB-2预合金粉的胎体性能均比单质混粉胎体性能好。随CSB-2质量分数的增加,胎体的致密度、显微硬度、抗弯强度和抗冲击韧性分别最大提高了7.68%、27.99%、94.43%和312.82%;同时,胎体粉末预合金化有利于降低胎体的热压烧结温度;为获得良好的应用效果,CSB-2质量分数应大于30%,且最佳烧结温度为940~980℃。      

Fe质量分数对金刚石钻头胎体及钻进性能的影响研究

设计Fe-Cu基胎体配方,研究Fe质量分数对金刚石钻头胎体及钻进性能影响。测试不同配方下烧结试样的硬度、相对密度与三点抗弯强度,使用扫描电镜对断口进行微观分析,通过模拟钻进实验测试钻头的钻进效率与寿命。结果表明:Fe-Cu基配方胎体具有较好的烧结成型性,胎体相对密度可达到理论密度的98%;胎体硬度随Fe质量分数的增加先增加后下降,在Fe质量分数大于45%时趋于平稳、质量分数为60%时达到最大值,为35HRC;胎体三点抗弯强度的变化规律不明显,数值变化不大。断口SEM结果表明:随Fe质量分数增加,韧性下降,金刚石刻蚀加重。模拟钻进实验表明:在Fe质量分数为30%时,钻头对6~8级可钻性地层具有较好的钻进效率与寿命。      

单一粒度金刚石对Fe-Cu基钻头钻进性能的影响

在某Fe-Cu基钻头配方中分别配以相同浓度、不同粒度及相同粒度、不同浓度的金刚石制作钻头,对比研究金刚石粒度、浓度对Fe-Cu基胎体钻头钻进性能的影响。结果表明:使用Fe-Cu基配方和粒度代号40/45、浓度50%的单一粒度金刚石钻头对花岗岩的钻进性能最佳,其钻耗比约为9 000,钻进效率约为1.1 mm/s。      

超细钨铜合金粉末在金刚石工具中的应用研究

采用超细钨铜合金粉末和单质钨、铜粉末热压烧结成两组金刚石胎体块,利用硬度计,排水法,万能实验机,扫描电镜和锯切实验等测试分析手段分别分析测量了胎体的硬度、致密度、抗弯强度、断口形貌和锯切性能。实验结果表明:在高钨基胎体配方中添加超细钨铜合金粉末比添加单质钨、铜粉末可以显著提高胎体的硬度10 HRB左右,改善胎体合金使之均匀化,在本实验配方中,干切硬花岗岩时,高钨基胎体配方中添加超细钨铜合金粉末比添加单质钨、铜粉末切割平稳,形成胎体和金刚石有效的磨损匹配,可以显著提高工具的使用寿命30%左右。烧结温度范围内,添加合金粉的胎体抗弯强度均比添加单质钨、铜粉末低100 MPa左右,这主要是使用的超细钨铜粉末的氧含量较高所致。     

热压金刚石钻头铁基胎体机械性能的研究

为了系统研究铁基金刚石钻头胎体配方组成对胎体机械性能的影响规律,本文采用极端顶点法设计胎体配方试验。胎体配方组成为Fe（含P23%）、WC、663-Cu、Ni、Co和Mn粉,试验测试指标为胎体硬度和耐磨性。对测试结果进行回归分析和非线性规划求解,分析了胎体配方组成对胎体机械性能的影响规律,从理论上得出了胎体硬度和耐磨性的最优值以及相应的胎体配方。结果表明：P可降低铁基胎体的烧结温度,有效阻止Fe对金刚石的热侵蚀作用。随着Fe（P-Fe）和WC含量的增加,胎体的硬度和耐磨性都得到明显改善,铁基胎体可以满足热压金刚石钻头对其机械性能的要求。     

Fe基胎体中添加Zn粉后的金刚石磨边轮组织及性能

在金刚石磨边轮Fe基胎体中分别添加0,0.7％,2.1％,3.5％,4.9％质量分数的Zn粉,研究Zn粉添加量对金刚石磨边轮Fe基胎体的热压烧结组织、物相组成及力学性能的影响;在此基础上,研究Fe基胎体中添加0、2.1％、3.5％质量分数的Zn粉以及浓度为24％的金刚石后制成的3种金刚石节块的性能及对应的3种磨边轮的磨...     

烧结压力对低液相Fe基预合金钻头胎体性能的影响

在烧结温度为950℃、保温时间为5 min及不同烧结压力条件下开展热压烧结试验，对比研究烧结压力对3种低液相Fe基预合金钻头胎体和1种传统Fe基钻头胎体性能的影响，具体包括胎体压入硬度、抗弯强度、致密度和金刚石包镶强度等力学性能，以及金刚石的热损伤情况和钻头胎体的微观组织结构与形貌特征等。结果表明：随着烧结压力增大，低液相空白胎体的压入硬度、抗弯强度和致密度逐渐增大，而传统Fe基空白胎体的压入硬度和抗弯强度呈现先增大后减小的趋势，其致密度为增大趋势；对于含金刚石的胎体，低液相与传统Fe基胎体抗弯强度均随烧结压力增大而增大，当烧结压力为20 MPa时，继续增大压力，低液相含金刚石胎体的抗弯强度趋于稳定，而传统Fe基含金刚石胎体的抗弯强度略有下降。同时，随着烧结压力的增大，低液相胎体的均一性明显增强，但金刚石的热损伤加剧。综合胎体的力学性能与断口形貌特征，优选的烧结压力为20 MPa，此时的低液相Fe基预合金胎体硬度、抗弯强度可满足孕镶金刚石钻头需要。     

氧活化烧结超细钼粉的烧结机理探讨

本文测算了五种不同含氧量的超细钼粉体系的烧结表观活化能。当含氧量为0.62%时,其烧结活化能最低。在1100℃以下烧结时,各种体系的烧结机构与普通钼粉的烧结机构相类似,烧结控制机构为体积自扩散。当在1100℃以上烧结时,其烧结行为均发生了显著的变化,烧结活化能均降低近10倍左右。烧结动力学试验发现,其烧结过程发生了明显的粉末体流动行为,其最初阶段的烧结行为可以用方程ln((ls)/(lo))=(2γ)/(rη)·τ来较好地描述:     

新型3D打印栅格状孕镶金刚石钻头胎体材料研究

<正>为了提高坚硬岩层的钻进效率,将孕镶金刚石钻头的胎体结构设计为栅格状,并对其基本参数进行了理论分析。采用粉末冶金法制备Inconel 718和CoCrMo合金试样,通过分析烧结温度对2种胎体试样的硬度、耐磨性和抗弯强度的影响,确定了2种材料的最优烧结参数并对其在最佳烧结温度下力学性能与传统的WC基复合材料的力学性能进行对比分析。     

铁基非晶粉末对金刚石工具胎体的影响

将不同质量分数（分别为0,5%,10%和15%）的铁基非晶粉末加入铁基预合金粉末胎体中,通过热压烧结制成胎体试样后,测试其洛氏硬度、抗弯强度及磨损率。当不添加非晶粉末时,普通胎体的洛氏硬度、抗弯强度和磨损率分别为104.6 HRB, 610 MPa和3.3;加入10%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至107.7 HRB和965 MPa,比原胎体分别提高了3.0%和58.2%,磨损率降低至0.9,降低了72.7%;加入15%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至110.0 HRB和790 MPa,分别提高了5.2%和29.5%,磨损率降低至0.6,降低了81.8%。因而铁基非晶粉末的加入可以显著提高胎体试样的机械性能和耐磨性。此外,铁基非晶粉末的DSC及XRD测试发现,在500～700℃时,铁基非晶粉末会产生晶体化相变,NiSi相中融入了B元素转化成NiSiB相,CrFe相中融入了Si元素形成SiCrFe相,都起到改善胎体结构、提高胎体性能的目的。     

FeCoCu预合金粉末含量和烧结温度对碳化钨基钻头性能的影响

为提高钻头胎体耐磨性与地层研磨性的适应性,提高钻头自锐能力,选取FeCoCu预合金粉作为胎体成分,对胎体性能进行研究。在碳化钨基胎体中添加FeCoCu预合金粉末,调节金刚石钻头胎体中FeCoCu粉末与WC粉末的配比关系,并在不同的烧结温度下烧制试样,寻找FeCoCu含量和烧结温度对胎体性能的影响规律。试验结果发现：随着FeCoCu含量的升高,胎体的相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度和耐磨性随之降低;烧结温度对相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度的影响幅度小,对胎体耐磨性的影响幅度大,最大变化幅度达到310%。FeCoCu预合金与烧结温度的耦合作用下,胎体的耐磨性变化存在较宽的调节区间,可通过二者组合的变化,调节胎体耐磨性,提高胎体对地层的适应性。     

多元纳米颗粒强化WC–青铜基金刚石钻头胎体材料

为提高孕镶金刚石钻头胎体性能,使其更好地满足钻探需求,向WC–青铜基胎体材料中加入纳米NbC和纳米WC颗粒,研究其对胎体力学性能、微观结构的影响。利用配方均匀设计法、回归分析和规划求解得到纳米颗粒的最优添加量,并烧制钻头开展室内钻进试验。结果表明：加入纳米NbC和纳米WC后,WC–青铜基胎体材料的硬度和抗弯强度最高提高25.23%和5.73%;含金刚石的胎体材料的耐磨性明显增强,其磨耗比最高升高57.4%;金刚石与胎体之间结合得更加紧密。纳米颗粒强化后的孕镶金刚石钻头的机械钻速提高19.63%,单位进尺工作层消耗减少32.84%,说明纳米颗粒能强化孕镶金刚石钻头,提高其钻进效率,并延长钻头寿命。     

微细金属粉末对金属结合剂砂轮性能的影响

为研究微细粉末对金属结合剂砂轮性能的影响,将微细粉末和普通粉末按照设计的比例均匀混合,采用热压烧结的方法制成胎体试块,且在混合粉末中添加超硬磨料制成金属结合剂超硬材料砂轮,利用硬度计、抗折试验机、扫描电镜、切割试验机等设备,分别测试金属结合剂胎体硬度、抗折强度、断口形貌以及金属结合剂超硬材料砂轮切割性能。结果表明:微细粉末的添加有利于提高金属结合剂胎体的抗折强度,最高可以提升20%;另一方面,还可增加超硬材料砂轮的耐磨性,相同试验条件下测得半径磨损量降低了25.7%。      

Consolidation and properties of ultrafine binderless cemented carbide by spark plasma sintering

Owing to the absence of metal binder, binderless cemented carbides have higher wear, corrosion, and oxidation resistance. WC-0.3VC-0.5Cr3C2 powders with an average particle size of 200nm and a little amount of active element were consolidated by spark plasma sintering. The sintered microstructure revealed that the average WC grain size was 0.24μm, which was almost consistent with the initial fine powder. The results of XRD showed that W2C phase was formed. Nearly complete densification of ultrafine binderless cemented carbide was achieved by sintering at 1400℃ for 120s under 50MPa. The resulting hardness and the fracture toughness were 28.18 GPa and 6.05MPa·m1/2, respectively.     

适合吐哈油田西山窑地层的PDC钻头提速研究

吐哈油田西山窑地层具有高硬度、研磨性强等特点。该地层采用过多种PDC钻头,但机械钻速提高不甚明显,为此,研究分析了PDC切削齿磨损对机械钻速的影响,提出了以加强PDC钻头的耐磨性为目标来提高机械钻速的设计观点,对PDC钻头的冠部形状、切削齿尺寸、切削齿排布、切削齿工作角等进行优化设计,设计的钻头在吐哈核3井进行了钻井试验。结果表明：设计的新钻头机械钻速与使用过的两种PDC钻头相比分别提高了29%和92.5%,且钻头钻时60 min以上时,有轻微磨损,仍可继续使用。     

WC-Co复合粉末的原位合成及于硬质合金涂层制备中的应用

目的为解决超细/纳米WC-Co热喷涂时易于脱碳等瓶颈问题,制备具有高的硬度、断裂韧性、耐磨性和表面质量等优异综合性能的超细及纳米结构硬质合金涂层,并推广其在工业领域中的应用。方法以原位合成技术批量制备的超细/纳米WC-Co复合粉末为原料,利用团聚造粒技术制备得到具有高球形度和致密性,并保持原有超细/纳米结构的喷涂喂料粉末,利用超音速火焰喷涂工艺制备低脱碳、高致密的超细结构WC基涂层。结果降低喂料粉末孔隙度可有效减少涂层中W2C等脱碳相的含量,在优化工艺下制备的超细结构WC基涂层的硬度达到1450HV0.3以上,韧性相对于常规微米结构涂层提高40%以上,在两种载荷和磨料条件下均表现出更高的耐磨性。结论利用原位反应技术批量合成的超细/纳米WC-Co复合粉制备的硬质合金涂层具有优良的综合性能,可应用于对涂层的硬度、耐磨性、强韧性配合和表面质量有较高要求的工况。     

工艺条件对WC-12%Co超细硬质合金性能的影响

采用不同粒度的WC粉,加入VC、Cr3C2做抑制剂,制备WC-12%Co超细硬质合金。采用D60-25型钴磁仪测量合金磁饱和,利用排水法测定合金密度,采用三点弯曲法在CMT4504拉伸机上检测合金的抗弯强度,试样抛光后在JEOL-6701F扫描电镜下观察合金的显微组织。研究了不同的WC粉末粒度、球磨时间、烧结工艺对WC-12%Co的超细硬质合金性能的影响。结果表明:过压烧结可明显提高合金抗弯强度、硬度和密度;随着球磨时间的增加,合金硬度不断上升,抗弯强度先增后减;采用0.55μm粒度WC粉制备的合金的硬度明显高于0.70μm粒度WC粉制备的合金。在本次实验中,选用0.55μm的WC粉末原料,混合料球磨85 h,通过过压烧结,可制备出性能优良的WC-12%Co超细硬质合金,硬度HV≥1 800,抗弯强度≥3 400 N/mm2。