胎體組分對熱壓孕鑲金剛石鉆頭胎體腐蝕磨損性能的影響 *

劉志江， 姚遠(yuǎn)基， 王文正， 潘秉鎖

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 武漢 430074)

熱壓孕鑲金剛石鉆頭廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、工程勘察、石油開采等領(lǐng)域，可以鉆進(jìn)5～12級的各類巖石。多年來，隨著有關(guān)熱壓孕鑲金剛石鉆頭研究工作的開展[1-4]，鉆頭的制造工藝水平和鉆頭性能大幅提高。

近年來，隨著地質(zhì)勘探的深度廣度不斷延伸，海洋鉆探和鹽水泥漿[5-6]中使用的鉆頭必須在腐蝕環(huán)境下工作。由于沖洗液具有高導(dǎo)電率并存在大量的氯離子，井下鉆頭除了要承受常規(guī)的機(jī)械磨損外，還必須承受嚴(yán)重的腐蝕[7]。這導(dǎo)致鉆頭加速失效，鉆進(jìn)效率降低，鉆進(jìn)成本提高甚至出現(xiàn)安全事故。有關(guān)鉆頭在腐蝕性環(huán)境中的腐蝕磨損已經(jīng)引起一些研究者的關(guān)注。HOENIG等[8-9]研究了在鉆頭上施加陰極保護(hù)進(jìn)而提高鉆頭使用壽命；PENG等[10]研究了鹽水濃度對PDC鉆頭腐蝕磨損性能的影響。但有關(guān)胎體組分對熱壓孕鑲金剛石鉆頭胎體腐蝕磨損性能的研究還相對較少。因此，選擇熱壓孕鑲金剛石鉆頭常用胎體配方中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的Fe、663Cu、WC等3種組分為主組分，再加其他輔助組分制作鉆頭胎體，通過其腐蝕環(huán)境下的磨粒磨損試驗，研究主組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熱壓孕鑲金剛石鉆頭在鹽水介質(zhì)中的腐蝕磨損行為的影響。

2 試驗及研究方法

2.1 配方選取

表1為胎體試樣配方。根據(jù)調(diào)研選定常用基礎(chǔ)配方，即表1中的7號配方。

表1 胎體試樣配方

將7號配方中Fe、WC、663Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別作為變量得到12個不同的胎體配方，共分為3組：1～4號配方為1組，5～8號配方為2組，9～12號配方為3組，分別研究Fe、WC、663Cu三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對胎體腐蝕磨損性能的影響。為了排除其他組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化帶來的干擾，每組配方中，將變量之外的其他組分看作一個整體，在這個整體內(nèi)的各組分與選定的基礎(chǔ)配方中的比例保持一致。

2.2 試樣制備

胎體試樣尺寸為56 mm ×24 mm×4 mm。試樣采用SM-100A自動燒結(jié)機(jī)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度950 ℃，燒結(jié)壓力15 MPa，保溫保壓時間4.5 min。將制備好的試樣去除毛刺，用金相砂紙逐級打磨后，用2.5 μm的金相噴霧拋光劑在金相拋光機(jī)上進(jìn)行拋光。測試前，試樣經(jīng)蒸餾水、無水乙醇超聲清洗，然后烘箱烘干后用精度為0.1 mg的精密天平稱重。

2.3 腐蝕磨損試驗及電化學(xué)測試

使用如圖1所示的改進(jìn)型LS-225濕砂橡膠輪摩擦磨損試驗機(jī)測試試樣的腐蝕磨損性能。圖1中的樣品(工作電極)固定在樣品架上，通過在可以繞軸旋轉(zhuǎn)的絕緣L型桿另一端施加載荷對試樣施加正壓力，使其緊貼橡膠輪。橡膠輪兩側(cè)焊接有金屬葉片，以在測試過程中旋轉(zhuǎn)攪動磨料，使NaCl溶液內(nèi)的磨料均勻分布。同時利用空氣泵向鹽水中鼓入空氣，保證磨料懸浮。為了對試樣腐蝕磨損過程中的噪聲電流密度進(jìn)行測量，采用石墨片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，試樣為工作電極，并將三電極接入CS310H電化學(xué)工作站。試驗前將試樣背面連接導(dǎo)線后用石蠟密封，只露出一個面為工作面，工作面面積為56 mm ×24 mm。為模擬現(xiàn)場巖粉條件，試驗中使用的磨料平均粒徑尺寸為69 μm和178 μm石英砂，按質(zhì)量比1∶1混合使用。具體試驗參數(shù)如表2所示。

圖1 改進(jìn)型LS-225濕砂橡膠輪摩擦磨損試驗機(jī)示意圖

腐蝕磨損試驗分3個階段：第1階段(0～5 min)，保持橡膠輪靜止以獲得相對穩(wěn)定電化學(xué)表面狀態(tài)；第2階段(5～15 min)，施加載荷使試樣接觸橡膠輪，橡膠輪開始轉(zhuǎn)動，發(fā)生腐蝕磨損；第3階段(15～20 min)，橡膠輪靜止且與試樣脫離，胎體試樣表面重新獲得穩(wěn)定狀態(tài)。

測試時三電極接入電化學(xué)工作站，記錄噪聲電流密度隨時間變化的曲線。測試完成后，試樣去除石蠟，蒸餾水沖洗后，放入無水乙醇中超聲波清洗，烘箱烘干后用精度為0.1 mg的精密天平稱重記錄，得到試樣的腐蝕磨損質(zhì)量損失。

2.4 純機(jī)械磨損試驗

利用電化學(xué)工作站對試樣表面施加-1.0 V(相對于標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極)的陰極保護(hù)電位，并在與腐蝕磨損過程相同試驗條件下重復(fù)磨損試驗，得到純機(jī)械磨損質(zhì)量損失。

2.5 靜態(tài)腐蝕試驗

按照ASTM G31進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)腐蝕試驗，試樣在室溫下(20 ℃左右)全浸泡在pH為10，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽水環(huán)境中1周。浸泡完成后將試樣用軟刷和稀鹽酸將附著的腐蝕產(chǎn)物去除，蒸餾水清洗，放入無水乙醇中超聲波清洗，烘箱烘干后用精度為0.1 mg的精密天平稱重記錄，算得試樣純腐蝕質(zhì)量損失。

2.6 SEM及拉曼測試

在磨損過程之后，通過配備有能量色散X射線光譜儀(EDS，EM-30AX PLUS +，Coxem)的掃描電子顯微鏡(SEM，G2 PRO，Phenom)分析磨損試樣表面的微觀形貌和元素分布。此外，通過拉曼光譜儀(RS，RM-1000)檢測磨損表面上的腐蝕產(chǎn)物。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)腐蝕和拉曼光譜分析

圖2 腐蝕質(zhì)量損失

為確定試樣的腐蝕磨損產(chǎn)物，采用拉曼光譜對試樣表面進(jìn)行成分分析。圖3為配方8試樣表面多個典型位置拉曼光譜的測量結(jié)果，譜線1、2、3分別與圖3a中的1、2、3位置有關(guān)。

從圖3可以看出：1、2、3位置均在拉曼光譜中存在225 cm-1和525 cm-1附近的峰。分析認(rèn)為，這2個峰對應(yīng)物質(zhì)為Cu2O[15-17]；另外114 cm-1附近的峰在3條譜線中也都出現(xiàn)過，主要對應(yīng)Cu2Cl(OH)3[18]。圖3中1點對應(yīng)的黃色區(qū)域出現(xiàn)的611 cm-1峰對應(yīng)CuO[19]；2點對應(yīng)的藍(lán)色區(qū)域出現(xiàn)的625cm-1附近的峰對應(yīng)物質(zhì)為Cu2O；3點對應(yīng)的深色區(qū)域出現(xiàn)的188 cm-1和678 cm-1峰分別對應(yīng)Fe2O3[20]和Fe3O4[21-22]。整體來看，試樣表面在腐蝕磨損過程中確實普遍存在鈍化現(xiàn)象，主要產(chǎn)物為鐵銅氧化物和羥基氯化物。

3.2 電化學(xué)特性

圖4顯示了不同試樣表面電化學(xué)腐蝕的噪聲電流密度隨時間變化的曲線，很明顯整個過程均可以分為

(a) 試樣表面Sample surface(b) 拉曼光譜Raman spectra圖3 試樣表面及其對應(yīng)位置的拉曼光譜Fig. 3 Raman spectra of worn surface and its corresponding location

3個階段。這與MISCHLER等[23]在鈍化金屬的往復(fù)滑動磨損過程中觀察到的電流噪聲行為相類似。

第1階段(0～300 s)，橡膠輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于胎體表面黏結(jié)劑富集區(qū)在鹽水介質(zhì)中生成了穩(wěn)定的氧化物薄膜，因此電流密度維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

第2階段(300～900 s)，橡膠輪開始轉(zhuǎn)動并帶動石英砂磨損胎體試樣，在發(fā)生磨粒磨損的瞬間，噪聲電流密度立即出現(xiàn)一個急劇的正向上升。分析認(rèn)為：在發(fā)生磨損的瞬間，試樣表面原本完整的氧化膜在機(jī)械力作用下被破壞去除，導(dǎo)致大量富含黏結(jié)劑的新鮮表面暴露，導(dǎo)致噪聲電流密度急劇正向上升。急劇變化的電流密度迅速達(dá)到一個峰值后保持相對穩(wěn)定，這是由于磨損暴露的新鮮表面黏合劑富集區(qū)域的鈍化和氧化膜的破壞速度達(dá)到了平衡[24]。因此，盡管磨損面積不斷增加，但在磨損試驗的整個過程中電流密度水平基本不變。磨損過程中電流密度的小范圍波動也恰恰說明了試樣表面處于新鮮表面不斷暴露和鈍化的動態(tài)過程中。

(a)噪聲電流密度在不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的變化趨勢Variation trend of noise current density with different WC mass fraction(b)噪聲電流密度在不同663Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的變化趨勢Variation trend of noise current density under different 663cu mass fraction(c)噪聲電流密度在不同F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的變化趨勢Variation trend of noise current density under different mass fraction of Fe圖4 不同試樣噪聲電流密度隨時間變化的曲線Fig. 4 Curves of noise current density verses time fordifferent samples

第3階段(900～1 200 s)，橡膠輪停止轉(zhuǎn)動，噪聲電流密度急劇負(fù)向下降，并恢復(fù)到與磨損前相當(dāng)?shù)乃剑@表明磨損暴露的新鮮表面確實存在重新鈍化的過程，且這種鈍化發(fā)生的十分迅速。

從圖4a中可以看出：隨著配方中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，腐蝕磨損發(fā)生過程中的噪聲電流密度逐漸正向上升，這表明腐蝕發(fā)生的更加劇烈，這與靜態(tài)腐蝕試驗的結(jié)果相吻合。分析認(rèn)為，試樣由于磨損暴露的新鮮表面存在鈷、鐵等大量化學(xué)性質(zhì)十分活潑的成分，這些成分與鄰近的WC之間存在電位差，在鹽水介質(zhì)下，形成了WC作陰極，活性黏結(jié)劑成分作陽極的微電偶電化學(xué)腐蝕。隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，陰極材料WC暴露的面積逐漸加大，導(dǎo)致陰陽極面積比例升高，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕速率加快[25-26]，表現(xiàn)為噪聲電流密度的正向上升。

從圖4b中可以看出：隨著配方中663Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，腐蝕磨損過程中的噪聲電流密度負(fù)向下降，這主要是由于Cu在含氧環(huán)境中極易氧化生成氧化物薄膜，磨損過程中空氣泵帶動新鮮空氣源源不斷地進(jìn)入腐蝕介質(zhì)中，更加劇了Cu的氧化，因此Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得新鮮表面鈍化能力不斷加強(qiáng)，耐腐蝕性也更好，噪聲電流密度呈現(xiàn)負(fù)向下降趨勢，這同樣與靜態(tài)腐蝕結(jié)果保持一致。

從圖4c中可以看出：隨著配方中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，腐蝕磨損過程中的電流密度呈正向上升趨勢，這同樣是腐蝕磨損表面形成的微電偶作用導(dǎo)致的。Fe的自腐蝕電位較低，作陽極。Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，導(dǎo)致了陽極腐蝕更加劇烈，噪聲電流密度正向移動。

3.3 腐蝕磨損質(zhì)量損失

根據(jù)ASTM測定磨損與腐蝕之間最佳協(xié)同作用的標(biāo)準(zhǔn)指南，腐蝕磨損過程中的質(zhì)量損失可分為如式(1)所示的3部分：

T=A+C+S

(1)

式中：T為腐蝕磨損過程中總的質(zhì)量損失；A為在施加陰極保護(hù)條件下的純機(jī)械磨損質(zhì)量損失；C為純腐蝕質(zhì)量損失；S為腐蝕磨損協(xié)同作用造成的質(zhì)量損失。通過試驗可得到T、A、C三者具體量，進(jìn)而計算出S，計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可知：在腐蝕磨損過程中，機(jī)械磨損是導(dǎo)致胎體質(zhì)量損失的主要原因，純腐蝕在短時間內(nèi)引起的質(zhì)量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械磨損造成的質(zhì)量損失。但由于腐蝕引起的協(xié)同作用導(dǎo)致的質(zhì)量損失卻不容忽視，其占比最高達(dá)到了30%以上。分析原因認(rèn)為：WC和黏結(jié)劑構(gòu)成的微電偶引起的電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致黏結(jié)劑被優(yōu)先去除，并在WC顆粒周圍形成孔洞，進(jìn)而使得WC顆粒失去支撐后更容易被去除。總體來說，隨著試樣耐腐蝕性的減弱，腐蝕磨損協(xié)同作用在腐蝕磨損過程中的影響更加顯著。

表3 腐蝕磨損試驗質(zhì)量損失結(jié)果

3.4 微觀磨損形貌分析

為進(jìn)一步了解胎體耐腐蝕性對胎體試樣腐蝕磨損過程的影響，觀察了不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣腐蝕磨損后的磨損形貌并進(jìn)行了元素分析。圖5為5號配方試樣腐蝕磨損表面的SEM圖和不同區(qū)域的EDS圖。

(a) 磨損表面SEM圖 SEM image of the worn surface(b) 對應(yīng)點4的EDS結(jié)果 EDS results corresponding to point 4(c) 對應(yīng)點5的EDS結(jié)果 EDS results corresponding to point 5圖5 SEM圖和不同區(qū)域的EDS圖Fig. 5 SEM images and EDS images of different areas

由圖5可以看出：淺色顆粒狀區(qū)域4所含主要元素為W，說明顆粒狀物質(zhì)為WC顆粒；WC顆粒周圍的深色區(qū)域5主要元素為Fe、Cu、Ni、Co等，說明深色區(qū)域為黏結(jié)相成分。

圖6為不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的胎體試樣磨損表面SEM圖像。從圖6可以看出：胎體試樣磨損表面均分布有沿磨損方向的凹槽，這主要與磨損過程中石英砂顆粒滑動導(dǎo)致的塑性破壞有關(guān)。隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體試樣耐腐蝕性能減弱，WC顆粒周圍的溝壑逐漸加深加寬，同時出現(xiàn)WC顆粒脫落后留下的孔洞。這表明在腐蝕磨損過程中，胎體耐腐蝕性的減弱加劇了WC顆粒的脫落速度，進(jìn)而使得材料流失速度加快，也進(jìn)一步證明了在腐蝕磨損過程中，黏結(jié)劑被優(yōu)先去除后使得WC顆粒更易脫落。

(a)15%(b)20%(c)25%(d)30%圖6 不同WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)胎體試樣腐蝕磨損SEM圖Fig. 6 SEM images of the worn surface of sampleas the WC content varied

試驗中僅考慮了單一組分對胎體腐蝕磨損性能的影響，未考慮不同組分之間的交互影響。此外，試驗所用的腐蝕介質(zhì)、磨粒種類及尺寸等和實際工況存在差異，這些因素可能會對胎體的腐蝕磨損性能產(chǎn)生影響。在后續(xù)試驗中會盡可能在實際工況下展開不同胎體組分對熱壓孕鑲金剛石鉆頭胎體腐蝕磨損性能的影響，進(jìn)而為腐蝕環(huán)境下胎體材料的優(yōu)化選型提供更完善的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)電化學(xué)測試和靜態(tài)腐蝕結(jié)果表明：隨著WC和Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體材料在pH為10，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽水環(huán)境中的耐腐蝕性逐漸減弱，被腐蝕質(zhì)量增加，而663Cu的則恰恰相反。腐蝕產(chǎn)物主要為銅鐵氧化物和羥基氯化物。

(2)腐蝕磨損試驗結(jié)果表明：機(jī)械磨損在腐蝕磨損過程中占主導(dǎo)作用，純腐蝕影響不明顯，但二者之間的協(xié)同作用引起的胎體質(zhì)量損失不容忽視。隨著胎體耐腐蝕性的減弱，協(xié)同作用更加顯著。

(3)腐蝕磨損過程中，由于不同胎體組分之間存在電位差，在鹽水介質(zhì)中形成了較活潑的Fe等金屬黏結(jié)劑作陽極，WC作陰極的微電偶，使得黏結(jié)劑材料被優(yōu)先去除，WC顆粒失去支撐后更易在機(jī)械作用下被去除。整個過程新鮮表面的暴露和鈍化達(dá)到平衡，在腐蝕磨損停止后試樣表面會迅速發(fā)生鈍化。