基于熱性能分析的PDC切削齒選型試驗研究*

王傳留

(中煤科工集團西安研究院有限公司, 西安 710077)

PDC切削齒作為PDC鉆頭剪切碎巖的主要切削元件，其性能的優劣對PDC鉆頭的綜合性能有著決定性的影響[1]。因此，根據工況條件，加強PDC切削齒性能評價，指導PDC切削齒的選型，對提高PDC鉆頭壽命和破巖效率具有重要意義。

目前，通過檢測PDC切削齒的抗沖擊韌性、磨耗比等性能指標來評價PDC切削齒的優劣，無法完全準確地反映PDC切削齒的綜合性能，往往造成評價結果與PDC鉆頭的實際應用效果差別較大[2-6]。通過現場試驗的方法來檢驗PDC切削齒的性能，結果比較準確，但存在試驗周期長、成本高的缺點，因此須研究新的評價方法來全面有效指導PDC切削齒的選型。本研究對PDC的熱性能進行檢測和對比分析，探索出PDC切削齒選型新方法，以期對其抗沖擊韌性、磨耗比等性能指標進行補充，完善PDC質量檢測及控制的途徑和方法。

1 PDC切削齒熱性能檢測及結果

選擇A、B和C等3個廠家不同型號的PDC切削齒進行檢測，分別從常溫激光拉曼、高溫激光拉曼、熱重分析、宏觀熱穩定性測試等不同角度評價切削齒的性能[7-9]。

1.1 常溫激光拉曼分析

由于PDC的金剛石層與碳化鎢基體之間熱膨脹系數、彈性模量等物性參數存在較大差異，不可避免地會在兩者界面或者材料內部產生殘余應力，使其金剛石層與碳化鎢基體間的附著力下降，金剛石層的抗沖擊性能變差，鉆進時容易發生脫落或斷裂等。因此，研究PDC切削齒的殘余應力特性，對指導PDC切削齒的選型至關重要[10-13]。

流體凈應力狀態下，PDC的殘余應力與其中的金剛石拉曼峰位移的偏移量有關，其表述為[14]：

σφ=(v0-v)/2.88

(1)

式中：v0為無應力下金剛石的拉曼峰位移，用天然金剛石單晶的特征拉曼峰位移1 332 cm-1表示；v為測量的金剛石拉曼峰位移。因此，通過測量金剛石層的拉曼峰位移偏移量，即可根據式(1)計算出金剛石的殘余應力值σφ。

采用三級聯動激光拉曼光譜儀，從A、B和C 3個廠家中分別選擇3組1308 PDC切削齒進行常溫激光拉曼測試，通過拉曼峰峰值的振動表現，得到PDC 切削齒準確的應力分布情況以及是否存在石墨化現象。常溫條件下A廠、B廠、C廠的3組PDC切削齒拉曼光譜分別如圖1、圖2和圖3所示。

將測得的MIC值與CLSI動物源細菌抗菌藥物敏感性試驗執行標準(2013年第4版)肉湯稀釋法規定的標準菌株(ATCC?25922)MIC值允許范圍(表1)進行比較，判定受試菌對抗菌藥的敏感性。

圖1 A組產品常溫拉曼光譜圖2 B組產品常溫拉曼光譜Fig. 1 Raman spectra of group A at room temperatureFig. 2 Raman spectra of group B at room temperature

(a)金剛石特征峰(b)石墨特征峰Characteristic peaks of diamondCharacteristic peaks of graphite圖3 C組產品常溫拉曼光譜Fig. 3 Raman spectra of group C at room temperature

圖1的結果顯示：在1580 cm-1處未檢出石墨的特征峰(G峰)，在PDC邊界以及內部觀察到了金剛石的特征峰1 335.10～1 336.69 cm-1，證明常溫條件下PDC切削齒不存在石墨化現象，且與金剛石理想結構sp3鍵的1 332 cm-1位移存在偏差，說明此組PDC切削齒內部存在一定的殘余應力。

圖2結果顯示：在1 580 cm-1處未發現G峰，在PDC邊界以及內部觀察到了金剛石的特征峰1 333.28～1 334.95 cm-1，與金剛石理想結構sp3鍵的1 332 cm-1位移也存在偏差，證明常溫條件下其不存在石墨化現象，且PDC切削齒內部存在一定的殘余應力。

圖3a顯示：觀察到的金剛石特征峰為1 332.87～1 334.34 cm-1，與金剛石理想結構sp3鍵的1 332 cm-1位移也存在偏差，說明C廠PDC切削齒內部存在一定的殘余應力。同時，如圖3b所示，在部分PDC中檢測出石墨的1 580 cm-1左右特征峰(G峰)，G峰出現表明該組PDC在制備過程中有金剛石發生了石墨化轉變。

因此，A、B和C 3個廠家的PDC切削齒常溫拉曼分析表明：C廠PDC切削齒檢出石墨峰，說明在PDC切削齒制備時有金剛石發生了石墨化轉變，且其PDC切削齒內部存在殘余應力；A廠和B廠的PDC切削齒均存在殘余應力，但無石墨化現象。

2.2 高溫激光拉曼分析

為了進一步揭示PDC切削齒制備過程中的金剛石是否石墨化，分別從A、B和C廠選取3種1308 PDC切削齒，在750 ℃和780 ℃下分別對其真空熱處理5 min，處理后的PDC切削齒分別以A-4、A-5，B-4、B-5及C-4、C-5命名，采用高溫激光拉曼光譜儀對其表面進行測試，圖4～圖6分別為其拉曼測試結果。

由圖4可以看出：750和780 ℃處理后的A-4、A-5金剛石拉曼峰峰值差異不明顯，均無G峰出現，說明750和780 ℃高溫未對PDC中金剛石造成過多影響，依然保持金剛石的屬性。

由圖5可知：在750和780 ℃處理后，B-4、B-5的金剛石拉曼峰峰值差異較明顯，與750 ℃處理后的金剛石拉曼峰峰值相比，780 ℃處理后的峰值減少約1/2，且明顯小于常溫時的金剛石拉曼峰的峰值(圖2)；但750和780 ℃時均無G峰出現，說明750 ℃時未對PDC中金剛石造成過多影響，而在780 ℃時整個PDC切削齒的性能受到一定影響。

由圖6可以看出：750和780 ℃處理后的C-4、C-5的金剛石拉曼峰峰值無明顯差異，但比常溫時的金剛石拉曼峰峰值明顯減小(圖3)，且均無G峰出現，說明在750和780 ℃下未對金剛石造成過多影響，金剛石的屬性依然保持。

(a)A-4 PDC齒750 ℃激光拉曼光譜(b)A-5 PDC齒780 ℃激光拉曼光譜Laser Raman spectra of A-4 PDC teeth at 750 ℃Laser Raman spectra of A-5 PDC teeth at 780 ℃圖4 高溫條件下A廠的PDC切削齒激光拉曼光譜Fig. 4 Laser Raman spectra of PDC cutting teeth in factory A at high temperature

(a)B-4 PDC齒750 ℃激光拉曼光譜(b)B-5 PDC齒780 ℃激光拉曼光譜Laser Raman spectra of B-4 PDC teeth at 750 ℃Laser Raman spectra of B-5 PDC teeth at 780 ℃圖5 高溫條件下B廠的PDC切削齒激光拉曼光譜Fig. 5 Laser Raman spectra of PDC cutting teeth in factory B at high temperature

(a)C-4 PDC齒750 ℃激光拉曼光譜(b)C-5 PDC齒780 ℃激光拉曼光譜Laser Raman spectra of C-4 PDC teeth at 750 ℃Laser Raman spectra of C-5 PDC teeth at 780 ℃圖6 高溫條件下C廠的PDC切削齒激光拉曼光譜Fig. 6 Laser Raman spectra of PDC cutting teeth in factory C at high temperature

總之，在750和780 ℃高溫下處理后，A廠和C廠的PDC切削齒的金剛石拉曼峰峰值差異不明顯，但與金剛石常溫時的拉曼峰相比峰值明顯減小，且均無G峰出現，故高溫未對PDC金剛石造成過多影響，依然保持了金剛石的屬性。B廠的PDC切削齒在高溫處理后金剛石的拉曼峰峰值差異明顯，且780 ℃時的峰值比750 ℃時的峰值減少約1/2；同時，其高溫處理后的拉曼峰峰值與常溫時的峰值比明顯減??；但均無G峰出現。說明750 ℃處理后未對其PDC中金剛石造成過多影響，而780 ℃處理后對其整個PDC切削齒的性能有一定影響。

綜合常溫和高溫的拉曼結果分析，A、B和C廠的3種PDC切削齒均存在殘余應力，但C廠PDC切削齒制作時存在石墨化現象；高溫處理后3種PDC切削齒的拉曼峰峰值都下降，其性能都受高溫的影響，而B廠的PDC切削齒拉曼峰峰值下降最多，受熱影響最嚴重。

2.3 熱重分析

隨著PDC切削齒溫度升高，其微觀結構變化將導致金剛石晶粒間作用力發生改變甚至失效，使PDC切削齒的性能受到影響。因此，研究PDC切削齒的熱穩定性，確定其氧化溫度，是指導PDC切削齒選型的另一重要方法。

采用德國耐馳公司的 STA449C 型綜合熱分析儀，測試PDC切削齒在高溫下的質量損失，進而評價其耐熱性能差異。圖7為3個廠家的1308 PDC切削齒的熱重分析曲線，3個樣品分別以A-6、B-6、C-6命名。

(a)A-6(b)B-6(c)C-6圖7 3種PDC切削齒的熱重分析曲線Fig. 7 Thermogravimetric analysis curves of three kinds of PDC cutting teeth

由圖7可以看出：A-6、B-6、C-6切削齒的初始氧化溫度分別為865、826和820 ℃，其表面金剛石分別在850、831和815 ℃時開始發生氧化反應，此后質量損失明顯加劇，在900 ℃時損失質量分數分別接近25%、40%和50%。A廠切削齒的初始氧化溫度最高，900 ℃時的失重最小，其熱穩定性最好；B廠的次之，C廠的最差。

2.4 高溫處理后的PDC磨耗比

為了進一步評價PDC切削齒的性能，將其加熱到750 ℃并保溫15 min，然后依照《聚晶金剛石磨耗比測定方法》進行磨耗比測試[14]，結果如圖8所示。由圖8可知：PDC切削齒A-7的高溫磨耗比最高，大于30萬，為高磨耗比片；B-7的高溫磨耗比次之，大于20萬；C-7的高溫磨耗比最差，但也大于18萬。

根據上述所有測試結果綜合起來看：A廠的PDC切削齒性能最優；B廠的PDC切削齒雖然在高溫激光拉曼分析時金剛石的峰值減少最多，但其熱穩定性和高溫耐磨性要優于C廠PDC切削齒的，因此B廠的PDC切削齒性能次之；C廠的PDC切削齒在制備時即存在有金剛石的石墨化現象，性能相對最差。

圖8 PDC切削齒的高溫磨耗比 Fig. 8 High temperature wear ratio of PDC cutting teeth

3 PDC鉆頭開發及現場試驗

為了驗證PDC切削齒熱性能的分析結果并現場指導生產應用，設計φ94 mm四翼弧角PDC鉆頭，鉆頭上分別焊接A、B和C 3個廠家的PDC切削齒，通過現場鉆進試驗評價這3個廠家PDC切削齒的性能。

試驗地點為高平縣長平煤礦，施工巷道為六盤區排矸巷。巷道為拱形設計，施工的主要鉆孔為φ94 mm穿層孔，在巷道左幫施工，試驗鉆孔為-15°下傾孔。試驗用鉆機為山東祥德ZDY4200L鉆機，使用的鉆桿為φ73 mm×1 000 mm整體式螺旋鉆桿。施工過程中鉆遇的主要地層為砂巖和石灰巖，在部分層段中含有方解石脈和石英，地層硬度系數約為12。

共試驗φ94 mm四翼弧角PDC鉆頭6只，分別焊接A、B和C廠的PDC切削齒各2只，鉆頭分別命名為A1、A2，B1、B2以及C1、C2。表1為6只鉆頭具體的鉆進數據。

表1 鉆頭鉆進數據表

由表1可知：焊接A廠PDC切削齒的弧角鉆頭鉆進效率最高，平均為25.0 m/h，且鉆頭累計進尺也最大，平均為266 m，鉆頭壽命最長；焊接B廠PDC切削齒的弧角鉆頭平均鉆進效率為19.0 m/h，鉆頭累計進尺平均為227 m，其鉆進效率和鉆頭壽命次之；焊接C廠PDC切削齒的弧角鉆頭平均鉆進效率為16.5 m/h，鉆頭累計進尺平均為201 m，鉆進效率和鉆頭壽命最差。

圖9為A1、B1和C1鉆頭鉆進后照片。分析圖9發現：A1鉆頭磨損嚴重但磨損較均勻，屬于正常鉆進磨損；B1鉆頭局部切削齒出現金剛石層碎裂情況(圖9b中紅圈標示)，導致鉆頭鉆進效率下降，提前失效；C1鉆頭多部位PDC切削齒出現金剛石層與碳化鎢基體剝離的現象(圖9c中紅圈標示)，導致鉆頭提前報廢，分析原因主要是其PDC切削齒存在較大殘余應力，熱穩定性差，高溫磨耗比較低所致。

(a)A1(b)B1(c)C1圖9 鉆頭使用后照片Fig. 9 Photos of used bits

表1及圖9的現場試驗結果表明：A廠的PDC切削齒性能最佳，B廠的次之，C廠的最差。該結論與通過PDC切削齒熱性能檢測和分析得出的結論基本一致，證明通過對PDC切削齒進行熱性能檢測與分析，可對PDC的常規沖擊韌性、磨耗比、切削性能等檢測方法進行完善和補充，能夠較好地指導PDC切削齒的選型與應用。

4 結 論

通過常溫激光拉曼、高溫激光拉曼及熱重測試以及高溫磨耗比分析，開展3種PDC切削齒熱性能測試與評價，并制作3種φ94 mm四翼弧角PDC鉆頭進行現場鉆進試驗，以評判不同型號PDC切削齒的性能優劣，得出如下結論：

(1)熱穩定性好的PDC切削齒，其高溫磨耗比高，鉆進性能表現出色，平均時效為25.0 m/h，平均壽命為266 m，相對于其他熱性能稍差的PDC切削齒的均有不同程度的提高。

(2)現場試驗結果與PDC切削齒熱性能檢測和分析得出的結論基本一致，證明PDC切削齒的熱性能檢測是從微觀角度對PDC的沖擊韌性、磨耗比等宏觀檢測方法的完善和補充，有利于提高PDC切削齒選型的準確性。