CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

张素慧

张素慧. 浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(2): 252-258. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192
引用本文: 张素慧. 浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(2): 252-258. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192
ZHANG Suhui. Effect of maceration alloys on the performances of PDC drill bit matrix[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(2): 252-258. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192
Citation: ZHANG Suhui. Effect of maceration alloys on the performances of PDC drill bit matrix[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(2): 252-258. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192
基金项目: 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项(2020-TD-MS011); 中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金(2021XAYJCQ02)。
详细信息
    作者简介:

    张素慧,女,1988年生,博士研究生、助理研究员。主要研究方向:钻探机具性能测试与分析。E-mail:zhangsuhui1221@163.com

  • 中图分类号: TG146; TG74

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

  • 摘要: PDC钻头胎体的浸润比对其力学性能和微观形貌的影响较大,为了探究浸渍合金对胎体性能的影响规律,采用Cu-Ni-Mn-Zn和Cu-Ni-Mn-Sn 2种浸渍合金制作不同高度的工作层和非工作层试块,得出不同浸渍合金下钻头胎体工作层和非工作层的浸润比及力学性能差异,同时利用扫描电镜对试块的微观形貌和元素含量进行分析。结果表明:试块的浸润比为定值;胎体钻头工作层的浸润比小于非工作层的,微观形貌上表现为工作层中浸渍合金的岛状组织大而分散,非工作层的岛状组织小而致密;对于同种类型的试块,通常浸润比越大密度越大;采用Cu-Ni-Mn-Sn得到的试块硬度均大于Cu-Ni-Mn-Zn试块的,但其抗弯强度和冲击韧性远低于Cu-Ni-Mn-Zn试块的。

     

  • 图  1  不同高度试块的制作过程

    Figure  1.  Manufacturing process of the blocks with different heights

    图  2  工作层和非工作层试块的制作过程

    Figure  2.  The production process of working and non-working layer test blocks

    图  3  试块的硬度变化

    Figure  3.  Hardness changes of blocks

    图  4  试块的微观形貌

    Figure  4.  Microstructure of blocks

    图  5  胎体的微观形貌[2,16]

    Figure  5.  Microstructure of the matrix in reference[2,16]

    表  1  浸渍合金的主要成分

    Table  1.   Main components of maceration alloys

    浸渍合金质量分数 ω1 / %
    CuNiMnZnSn
    Cu-Ni-Mn-Zn余量0~55~1020~25
    Cu-Ni-Mn-Sn余量10~150~50~5
    下载: 导出CSV

    表  2  工作层试块的浸润比

    Table  2.   Wetting ratios of working layer blocks with different heights

    试块高度 h / mm$ {m}_{粉} $/ g$ {m}_{块} $/ g浸润比 i
    5547.48859.1380.25
    4536.83246.8220.27
    4032.12640.9100.27
    3529.01036.2900.25
    下载: 导出CSV

    表  3  不同浸渍合金试块的浸润比、密度及力学性能

    Table  3.   Wetting ratios, density and mechanical properties of different maceration alloy blocks

    试块性能浸渍合金
    Cu-Ni-Mn-ZnCu-Ni-Mn-Sn
    工作层非工作层工作层非工作层
    浸润比 i 0.26 0.49 0.34 0.44
    密度 ρ / (g·cm−3) 12.205 10.190 12.330 10.079
    硬度 HRC 37.4 22.6 39.8 23.1
    抗弯强度 σ / MPa 1 050.581 893.413 828.541 756.561
    冲击韧性 KIC / (kJ·m−2) 33.76 54.72 31.02 47.42
    下载: 导出CSV

    表  4  试块的能谱分析结果

    Table  4.   Results of energy spectrum analysis of blocks

    元素浸渍合金
    Cu-Ni-Mn-ZnCu-Ni-Mn-Sn
    工作层元素质量分数 ω2 / %非工作层元素质量分数 ω3 / %工作层元素质量分数 ω2 / %非工作层元素质量分数 ω3 / %
    ABCDEFABCDEF
    Mn 2.98 2.25 1.206.10 4.05
    Fe 32.316.11 19.872.97 10.63
    Ni 19.668.59 12.397.69 17.64 9.31
    Cu 40.1218.38 34.4323.38 58.1240.52 72.5940.24
    Zn 24.8915.31 18.6215.64
    Sn 3.09 2.441.76
    W100.0012.3557.72100.00 47.18100.003.1747.31100.000.9858.00
    下载: 导出CSV

    表  5  浸渍合金在位置B和位置E的占比结果

    Table  5.   Maceration alloy percentage results at position B and position E

    浸渍合金在位置B和位置E的占比 R / %
    Cu-Ni-Mn-ZnCu-Ni-Mn-Sn
    图4a的工作层图4b的非工作层图4c的工作层图4d的非工作层
    19.036.021.835.4
    下载: 导出CSV
  • [1] 李俊萍, 胡立, 唐治建, 等. 超细FeCoCu粉末在金刚石钻头中的试验研究 [J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(8):19-22.

    LI Junping, HU Li, TANG Zhijian. Experimental study on ultrafine pre-alloy powder FeCoCu used in diamond bits [J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling),2018,45(8):19-22.
    [2] 谢焕文, 刘辛, 胡可, 等. 碳化钨粉末对 PDC 钻头胎体组织与力学性能的影响 [J]. 复合材料学报,2019,36(5):1235-1243.

    XIE Huanwen, LIU Xin, HU Ke, et al. Effect of cast tungsten carbide powders on microstructure and mechanical properties of polycrystalline diamond compact bit matrix [J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2019,36(5):1235-1243.
    [3] 王帅, 吕智, 林峰, 等. WC含量对金刚石钻头胎体性能的影响研究 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2014,34(6):16-21.

    WANG Shuai, LV Zhi, LIN Feng, et al. Effect of WC content on the properties of impregnated diamond bit matrix [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2014,34(6):16-21.
    [4] 杨展. 预合金粉胎体钻头性能的研究 [J]. 青岛科技大学学报(自然科学版),2013,34(1):71-75.

    YANG Zhan. Performance of diamond bit matrix fabricated by pre-alloyed powder materials [J]. Journal of Qingdao University of Science and Technology (Natural Science Edition),2013,34(1):71-75.
    [5] 常思. 金刚石钻头胎体材料力学性能的多元纳米强化研究 [D]. 吉林: 吉林大学, 2022.

    CHANG Si. Investigation of hybrid nano-strengthening on mechanical properties of diamond drill bit matrix [D]. Jilin: Jilin University, 2022.
    [6] ZHANG K, WANG D G, WANG Z Q, et al. Effect of Ni content and maceration metal on the microstructure and properties of WC based diamond composites [J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,2020(88):105196.
    [7] 高雅, 纠永涛, 于新泉, 等. 合金元素对Fe基金刚石节块胎体组织及性能的影响 [J]. 粉末冶金技术,2019,37(2):104-111.

    GAO Ya, JIU Yongtao, YU Xinquan, et al. Effect of alloy elements on microstructures and properties of Fe-based matrixes for diamond segment [J]. Power Metallurgy Technology,2019,37(2):104-111.
    [8] 卢安军, 秦海青, 雷晓旭, 等. Ni对自由烧结金刚石工具胎体性能的影响 [J]. 超硬材料工程,2014,26(2):35-38. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2014.02.010

    LU Anjun, QIN Haiqing, LEI Xiaoxu, et al. Influence of Ni on the performance of free sintering diamond tool matrix [J]. Superhard Material Engineering,2014,26(2):35-38. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2014.02.010
    [9] HU H X, CHEN W, DENG C, et al. Effect of Fe prealloyed powder and the sintering process on the matrix properties of impregnated diamond bits [J]. Journal of Materials Research and Technology,2021(12):150-158. doi: 10.1016/j.jmrt.2021.02.070
    [10] 潘建军, 齐建钊, 龙伟民. PDC钻头用浸渍钎料性能研究 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2013,33(3):60-62.

    PAN Jianjun, QI Jianzhao, LONG Weimin. Performance of dipped brazing filler metal used in PDC bit [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2013,33(3):60-62.
    [11] 潘建军, 齐建钊, 龙伟民, 等. 金刚石钻头用浸渍钎料的性能分析 [J]. 焊接,2013(2):67-69. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2013.02.016

    PAN Jianjun, QI Jianzhao, LONG Weimin, et al. Performance analysis of dipped brazing filler metal for diamond bit [J]. Welding & Joining,2013(2):67-69. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2013.02.016
    [12] 窦晓玥. 新型低造价高性能PDC钻头浸渍合金的研究 [D]. 天津: 河北工业大学, 2008.

    DOU Xiaoyue. Study on a new type of maceration alloys with low-cost and high-property used in PDC bits [D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2008.
    [13] 黄俊兰, 龙伟民, 潘建军. 金刚石钻头用钎料的研究 [J]. 焊接,2016(3):26-28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2016.03.007

    HUANG Junlan, LONG Weimin, PAN Jianjun. Study on brazing filler metal for diamond bit [J]. Welding & Joining,2016(3):26-28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2016.03.007
    [14] 覃怀鹏. Cu和Ni的化合物对金刚石钻头胎体性能的影响 [J]. 超硬材料工程,2016,28(5):1-6. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2016.05.001

    QIN Huaipeng. Influence of Cu&Ni compound on the matrix performance of diamond drill bit [J]. Superhard Material Engineering,2016,28(5):1-6. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2016.05.001
    [15] 袁德林, 张金祥, 张帆, 等. 掺杂稀土的高速钢预合金粉对 WC 基钢结硬质合金组织和性能影响 [J]. 中国钨业,2020,35(2):67-70. doi: 10.3969/j.issn.1009-0622.2020.02.012

    YUAN Delin, ZHANG Jinxiang, ZHANG Fan, et al. Effect of rare earth doped high speed steel pre-alloyed powder on the microstructure and properties of WC-based steel bonded cemented carbide [J]. China Tungsten Industry,2020,35(2):67-70. doi: 10.3969/j.issn.1009-0622.2020.02.012
    [16] 幸雪松, 张会增, 胡正惠, 等. 球形铸造碳化钨对PDC钻头喷焊层冲蚀性能的影响 [J]. 机械科学与技术, 2023(2): 294-300.

    XING Xuesong, ZHANG Huizeng, HU Zhenghui, et al. Influence of spherica cast tungsten carbide on erosion resistance of spray welding coating of PDC drill bit [J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023(2): 294-300.
  • 加载中
图(5) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  109
  • HTML全文浏览量:  59
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-08
  • 修回日期:  2023-07-14
  • 录用日期:  2023-09-04
  • 刊出日期:  2024-04-01

目录

    /

    返回文章
    返回