深孔钻探金刚石钻头用FeCoCu预合金粉的制备及性能研究

摘要

“深部找矿”是国家重大战略，实现此战略的关键在于研制出适应于深孔钻探的新型金刚石钻头，而深孔钻头开发的关键是金属结合剂的研制。为适应深孔钻头开发需要，结合剂配制时人们开始利用预合金粉来替代混合粉。虽然预合金粉在制备及使用上取得了较大进展，但在预合金粉的物相组成、微观形貌、预合金粉提升钻头性能机理上还有待进一步研究。另一方面，无压烧结技术由于具有操作简单、生产成本低等优势，在超硬材料工具制造中应用越来越广泛，但国内外关于预合金粉无压烧结过程、烧结机理等方面鲜有报道。
　　鉴于预合金粉当前的研究及应用特点，本研究工作采用共沉淀法制备FeCoCu预合金粉，对制备工艺、粉体烧结性能等进行了研究;对预合金与金刚石界面结合情况及金刚石颗粒表面生成物进行了表征;对制备的FeCoCu预合金粉冷压成型试样的无压烧结进程及烧结过程中的热力学行为进行了分析;最后设计出针对深孔钻进特点的配方体系并进行了实验验证。主要研究结论如下:
　　(1)采用共沉淀法制备三种FeCoCu预合金粉，优化出适宜的制备工艺及粉体烧结工艺，对烧结体性能进行了分析。结果表明:共沉淀法制备FeCoCu预合金粉前驱体的适宜工艺为:反应体系的pH值为2.0、反应温度为50℃、体系溶液浓度为1.0mol/L、溶液添加方式为并流法（在沉淀剂草酸浓度为1.0mol/L时）;预合金粉中形成了FeCu4、 Co3Fe7、CoFe15.7金属间化合物;Cu含量越低，粉末粒度会更细;随着铁含量的增加，预合金粉烧结体的力学性能上升;在Fe含量较低时烧结体断口形貌为韧窝状断裂，随着Fe含量的上升，试样断口呈现出穿晶断裂特征。
　　(2)研究了FeCoCu预合金对金刚石的包镶及结合界面情况，结果表明:随着铁含量的升高，预合金对金刚石的把持力有明显的增加;Co元素在界面位置处发生了一定的富集;XRD衍射、Raman光谱、FTIR红外光谱、TEM透射分析等测试结果表明，与预合金粉烧结后的金刚石表面主要发生了石墨化反应。
　　(3)对三种FeCoCu预合金粉冷压成型试样的无压烧结过程进行了系统考察，结果表明:在烧结收缩开始前，三种试样均有一个受热膨胀阶段，Cu含量越高，膨胀越明显;对于同种试样，升温速率越慢，则致密化程度会越高;在烧结收缩的初期和末期，烧结活化能符合Arrhenius曲线，烧结收缩中期的活化能受多种影响因素作用比较复杂，不符合Arrhenius曲线;对于同种试样，升温速率较慢时，由于烧结会有一个相对较长的滞留阶段，因此试样需要更高的活化能。
　　(4)三种FeCoCu预合金粉在不同升温速率下的DSC曲线表明:三种试样均存在着先吸热，后放热的过程;升温速率越大，则峰值越高，峰形越尖锐;随着Fe含量的增加，试样的热流量增大;比热容曲线的变化规律与DSC曲线规律相似;升温速率越快，计算得到的热焓值越高;由膨胀-收缩转化阶段活化能计算结果可知，25wt％Fe-15wt％Co-60wt％Cu试样与45wt％Fe-15wt％Co-40wt％Cu试样的活化能较相近，而65wt％Fe-15wt％Co-20wt％Cu试样的活化能却比前两者高出10倍左右。
　　(5)通过设计针对中硬地层的金刚石钻头配方体系，探讨FeCoCu预合金粉配方体系与混合粉配方体系的性能差异，结果表明:在预合金粉配方体系下各成分的理想含量为:骨架相WC为40wt％，65wt％Fe-15wt％Co-20wt％Cu预合金粉为45wt％，液相CuSn15为7wt％，增强相Ni为8wt％;预合金粉与混合粉配方体系烧结体的力学数据表明，使用预合金粉能有效提升结合剂烧结体的力学性能及耐磨性;金相分析、SEM电镜及EDS能谱表明，结合剂烧结体性能的增加是由于预合金粉能有效改善混合粉造成的成分不均匀;在金刚石参数实验基础上进行了两种配方体系下的微钻实验及现场钻进，结果表明:预合金粉配方体系的使用能有效提高钻头的钻进效率及钻进寿命，钻头的综合性能有明显提升。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 金刚石的性能

1．2 金属结合剂

1．2．1 铜基金属结合剂

1．2．2 钴基金属结合剂

1．2．3 铁基金属结合剂

1．2．4 镍基金属结合剂

1．2．5 预合金化金属结合剂

1．3 预合金粉制备技术

1．3．1 机械合金化法

1．3．2 雾化法

1．3．3 沉淀法

1．4 深孔钻探金刚石钻头及其制造技术

1．4．1 深孔钻头的分类

1．4．2 深孔钻头的要求

1．4．3 深孔钻头制造技术

1．5 烧结基本理论

1．5．1 烧结过程

1．5．2 烧结理论

1．5．3 烧结模型及烧结活化能

1．6 本论文研究的目的和意义

第2章 实验

2．1 预合金粉的制备及性能表征

2．1．1 预合金粉的制备

2．1．2 粉体性能表征

2．2 烧结体的制备及性能表征

2．2．1 纯预合金粉烧结体的制备及性能表征

2．2．2 预合金粉与金刚石烧结体的制备及性能表征

2．2．3 纯预合金粉无压烧结试样的制备及热力学测定

2．3 FeCoCu预合金粉在深孔钻头中的应用

2．3．1 预合金粉配方体系设计及烧结

2．3．2 纯结合剂烧结体性能

2．3．3 基于优选配方体系的金刚石参数设计

2．3．4 FeCoCu预合金粉使用性能

第3章 共沉淀法制备FeCoCu预合金粉及粉体烧结性能研究

3．1 引言

3．2 共沉淀法制备FeCoCu预合金粉工艺参数的研究

3．2．1 pH值影响

3．2．2 溶液浓度影响

3．2．3 反应温度影响

3．2．4 溶液添加方式影响

3．2．5 前驱体物相组成

3．2．6 前驱体粉末形貌

3．2．7 前驱体加热过程分解行为

3．2．8 预合金粉物相组成

3．2．9 预合金粉末形貌

3．2．10 预合金粉杂质含量

3．2．11 预合金粉加热相变行为

3．3 FeCoCu预合金粉烧结性能

3．3．1 温度对预合金粉烧结体性能的影响

3．3．2 保温时间对预合金粉烧结体性能的影响

3．3．3 预合金粉烧结体物相组成

3．3．4 预合金粉烧结体形貌结构

3．4 本章小结

第4章 FeCoCu预合金与金刚石的结合界面研究

4．1 引言

4．2 实验结果与分析

4．2．1 金刚石包镶能力

4．2．2 金刚石与预合金结合界面元素分布

4．2．3 金刚石表面生成物

4．2．4 金刚石表面石墨化的热力学计算

4．3 本章小结

第5章 FeCoCu预合金粉的无压烧结研究

5．1 引言

5．2 实验结果与分析

5．2．1 预合金粉烧结行为

5．2．2 平均热膨胀系数

5．2．3 瞬时热膨胀系数

5．2．4 烧结致密化对应时间点分析

5．2．5 升温速率对烧结的影响

5．2．6 烧结收缩过程活化能推导

5．2．7 烧结收缩过程活化能分析

5．2．8 升温速率对活化能的影响

5．2．9 无压烧结致密化机理分析

5．2．10 不同升温速率下试样的热效应

5．2．11 比热容

5．2．12 热焓

5．3 本章小结

第6章 FeCoCu预合金粉在深孔钻头中的应用

6．1 引言

6．2 FeCoCu预合金粉配方体系的设计

6．3 FeCoCu预合金粉配方体系中各含量的确定

6．3．1 骨架相含量对结合剂烧结体性能的影响

6．3．2 CuSn15含量对结合剂烧结体性能的影响

6．4 预合金粉配方体系与混合粉配方体系性能对比

6．4．1 烧结体力学性能

6．4．2 烧结体物相组成

6．4．3 烧结体金相组织

6．4．4 烧结体断口形貌

6．4．5 烧结体断口元素分布

6．4．6 金刚石包镶能力

6．4．7 烧结体磨损失重

6．4．8 基于优化配方体系的金刚石参数设计

6．4．9 两种配方体系结合剂微钻实验

6．4．10 钻头使用性能

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间研究成果