多元納米顆粒強化WC–青銅基金剛石鉆頭胎體材料

常 思，劉寶昌,2,3，戴文昊，涅斯科羅姆尼赫·維亞切斯拉夫，佩特涅夫·帕維爾，波波娃·瑪麗娜

（1.吉林大學 建設工程學院，長春 130026）

（2.吉林大學，超硬材料國家重點實驗室，長春130012）

（3.吉林大學，自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，長春130026）

（4.西伯利亞聯邦大學 礦物勘探技術系，俄羅斯 克拉斯諾亞爾斯克660095）

孕鑲金剛石鉆頭作為硬巖鉆探中最常用的鉆頭之一，廣泛應用于地質調查、礦產勘探等鉆井工程中[1-4]。WC–青銅基胎體是孕鑲金剛石鉆頭常用的胎體之一，其具有較高的硬度和耐磨性，在鉆探工程中應用十分廣泛[5-6]。胎體的作用主要是包裹金剛石，并使金剛石在鉆進過程中能適時裸露[7-8]，達到鉆進地質層的目的。因此，胎體材料的性能對金剛石鉆頭的鉆進效率和使用壽命至關重要。但是，金剛石很難與大多數金屬及其合金反應，只是機械嵌合在胎體中，因此金剛石與胎體的結合強度并不高，很容易出現金剛石非正常脫落現象，降低金剛石鉆頭的壽命[9-10]。為了更好地滿足工程需求，目前國內外主要通過調整骨架相、黏結相和金剛石的添加量來改善胎體性能[11-13]，但是效果有限，因此需要開發提高胎體材料性能的新技術。

近年來，用納米顆粒增強金屬基復合材料性能的技術發展迅速。通過向金屬基體中加入高度分散的第二相質點（如納米WC、納米NbC、Al2O3、B4C、納米金剛石等），達到提高基體強度的目的[14-15]。SUN 等[16-18]的研究表明：將納米顆粒加入孕鑲金剛石復合材料胎體中，納米材料的Orowan 強化效應提高了胎體的強度和耐磨性，提高了胎體對金剛石的包鑲力，最終提高了孕鑲金剛石鉆頭的性能。近年來的研究還發現，在某些性能上向金屬基復合材料中同時加入多種納米材料可以起到更好的增強效果[19-22]，但目前暫無針對孕鑲金剛石鉆頭胎體性能提升方面的研究。

在金剛石工具領域，金剛石工具的胎體配方都是由多種組分按一定比例混合而成[23]。為了提高工具性能，可通過建立各種納米顆粒成分比例與性能指標關系的數學模型，來獲得最佳的產品配方。配方均勻設計法是方開泰[24]建立的一種試驗技術方法，其具有只需知道各材料的加量范圍以及期望的試驗次數，即可獲得均勻、合理的試驗方案[25]，以及使用較少的測試，即從試驗數據中獲得有用的信息，得出全面的結論[26]等優點，逐漸在化工、醫藥、食品、材料制造等領域得到廣泛使用[27-28]。

因此，向WC–青銅基胎體中加入2 種納米材料，利用配方均勻設計法和回歸分析研究納米NbC、納米WC 和WC–青銅基胎體的質量分數對混合后的新胎體力學性能的影響，規劃求解得到配方最優解，討論納米顆粒的添加量對金剛石復合材料的力學性能、微觀結構的影響，并燒制鉆頭開展室內鉆進試驗研究。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

采用的WC–青銅基胎體材料以WC 為骨架相，錫青銅為結合相，Ni、Mn 等為調節基體性能的中間材料。具體的胎體配方如表1所示。

表1 原始胎體配方成分Tab.1 Compositions of initial matrix

向原始胎體中加入納米NbC 和納米WC 作為增強相，其參數如表2所示。

表2 納米顆粒參數Tab.2 Nanoparticle parameters

利用配方均勻設計法和回歸分析研究納米NbC、納米WC 和WC–青銅基胎體的質量分數對混合后的新胎體力學性能的影響。通過查閱相關資料，初步確定每種納米顆粒的添加范圍，設納米NbC 的質量分數為x1，納米WC 的質量分數為x2，胎體粉的質量分數為x3，三者在配方中的比例有如下約束條件：

表3 有約束的配方均勻設計Tab.3 Limited formula uniform design

式中：qki為均勻設計表中第k行，第i列的元素；k=1，2，···，10；i=1，2。

根據式（3）可以計算出每種材料的添加量：

式中：xki為第k種配方里第i種材料的添加量；xks為第k種配方里第s種材料的添加量；s為原料總種類，s=3；k=1，···，10。

因為每種材料應滿足式（1），因此需要證實各個轉換到正方體上的點是否都符合要求。

將這些點線性變化后得到的點為：

式中：k=1，2，···，10；數值列于表3 的最后2 列。

根據約束條件，從表3 中篩選出符合要求的點（表3 中編號3，4，5，6，7，8 的點滿足要求），再根據式（3）得到滿足條件的胎體配方，如表4。

表4 胎體配方Tab.4 Matrix formula

通過粉末冶金熱壓燒結法制備包含納米顆粒的胎體試樣和含金剛石的胎體材料試樣（尺寸：38 mm×8 mm×5 mm）。

為了獲得均勻的混合物，對納米顆粒進行預處理，加入無水乙醇，用超聲波分散30 min，防止納米顆粒團聚[29]。然后，將納米顆粒與胎體材料混合，在球料比為2∶1、轉速為450 r/min 下，用行星球磨機球磨2 h。

將混合后的粉末放入石墨模具中，在980 ℃、15 MPa的條件下，熱壓燒結5 min，制得胎體試驗。燒結設備為中頻感應加熱電爐。

對胎體試樣進行性能測試，規劃求解得到胎體配方最優解后，再討論納米顆粒的添加量對含金剛石的胎體材料的力學性能、微觀結構的影響。

含金剛石的胎體材料是在原始胎體材料中加入金剛石顆粒，均勻混合后熱壓燒結制備而成，燒結參數與胎體試樣相同，金剛石顆粒尺寸為425～500 μm，濃度為20%。

最后，用最優配方燒制鉆頭，開展室內鉆進試驗研究，孕鑲金剛石鉆頭的制備也采用中頻感應加熱電爐。其燒結參數為：燒結溫度，980 ℃；燒結壓力，15 MPa；保溫時間，6 min。

1.2 測試方法

試樣的洛氏硬度HRC 使用HRS–150 數顯洛氏硬度計（時代之峰科技有限公司）進行測試；采用三點彎曲試驗法在DDL–100 型萬能試驗機（長春機械科學研究院有限公司）上測定試樣的抗彎強度。磨耗比測試評估含金剛石的胎體材料的耐磨性，測試在磨耗比測試裝置上進行，如圖1所示。

圖1 磨耗比試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of wear ratio test

試樣的抗彎強度公式如下：

式中：σ為試樣抗彎強度，MPa；p為試樣的破斷壓力，N；L為試驗中采用的跨距，L=24 mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣高度，mm。

試樣的磨耗比公式如下：

式中：η為試樣的磨耗比；?m為SiC 砂輪的磨損量，g；?M為試樣的磨損量，g。

試樣的微觀結構通過JSM–IT500A 型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）進行表征。用DX–2700BH型多功能衍射儀（丹東浩元儀器有限公司）對燒結后的試樣物相進行分析。

鉆頭的鉆進試驗在XY–4 型鉆機（連云港黃海勘探科技有限公司）上進行，鉆進對象為可鉆性為8 級的花崗巖。鉆進參數為：鉆壓，10 kN；轉速，574 r/min；泵量，35～40 L/min。

2 試驗結果與討論

2.1 胎體試樣的機械性能

胎體試樣的名稱、成分見表5，其機械性能見表6。

表5 胎體試樣的名稱、成分Tab.5 Name and composition of matrix samples

表6 胎體試樣的機械性能Tab.6 Mechanical properties of matrix samples

從表6 可以看出：加入納米顆粒之后，胎體材料的硬度和抗彎強度最高提高25.23%和5.73%。產生這種現象的原因主要是納米顆粒的彌散強化作用[30-31]。根據Orawan 機制，位錯線遇到超細的硬質相后，會繞過硬質相發生彎曲，在硬質相周圍留下一個位錯環，讓位錯通過，位錯線的彎曲增加了位錯運動的阻力，使材料得到強化[32-33]。

利用SPSS26.0 對硬度和抗彎強度2 個指標進行回歸分析。設y1為WC 基胎體硬度指標，y2為WC 基胎體抗彎強度指標，x1為納米NbC 的質量分數，x2為納米WC 的質量分數。

硬度的回歸方程為：

其中，相關系數R2=0.993,P=0.009 9。

抗彎強度的回歸方程為：

其中，相關系數R2=0.996,P=0.004 5。

對于回歸方程，相關系數R2越接近1.000，方程與數據的擬合程度越好；P<0.050 0，回歸方程顯著。因此，2 個指標的回歸方程都有應用價值。

2.2 含金剛石的胎體材料試樣機械性能

根據規劃求解得到的3 種材料的最優質量分數，制得含金剛石的胎體材料試樣，金剛石濃度為20%，胎體材料的名稱、成分如表7。

表7 含金剛石的胎體材料試樣名稱、成分Tab.7 Name and composition of the matrix material sample containing diamond

圖2 為3 組含金剛石的胎體材料的機械性能測試結果。從圖2 中可以看出：加入金剛石之后，SD2 的抗彎強度最高，符合回歸分析的結果。但3 組試樣的抗彎強度差異不大，原因可能是加入金剛石后，分散不夠均勻，且斷裂處比較集中，使得抗彎強度受到的影響較小。與SD0 相比，加入納米顆粒之后的SD1 和SD2 的磨耗比都升高，SD1 的磨耗比升高57.4%。表明納米顆粒對含金剛石的胎體材料中的耐磨性提升起到重要的作用。

圖2 含金剛石的胎體材料試樣的機械性能Fig.2 Mechanical properties of the diamond containing composite samples

含金剛石的胎體材料的XRD 結果如圖3所示，圖3 的結果顯示SD0、SD1、SD2 等3 種材料的各主要物相相似。說明加入2 種納米顆粒不會與胎體中成分發生反應，沒有新的物相生成，這可間接證實上文中提及的其性能提高的主要原因是納米顆粒的彌散強化作用。

圖3 試樣的XRD 測試結果Fig.3 XRD test results of the sample

含金剛石的胎體材料斷口SEM 形貌如圖4所示，其中的金剛石–胎體界面空隙寬度變化如圖4b、圖4d、圖4f所示。由圖4 可以看出：金剛石嵌在胎體材料中，加入納米顆粒之后，金剛石與胎體間的空隙減小，從2.93 μm（圖4b 界面間隙4 組數據的平均值）減小至1.73 μm（圖4d 界面間隙4 組數據的平均值）和1.89 μm（圖4f 界面間隙4 組數據的平均值）。產生這種現象的原因可能是加入納米材料后，青銅基胎體材料的熱膨脹系數減小，更接近金剛石的熱膨脹系數，從而使得熱壓燒結后兩者之間的間隙減小[34-35]。這意味著，納米顆粒不僅能夠強化胎體自身的性能，還可以使金剛石與胎體結合得更緊密。由圖4d、圖4f 可以看出：SD1試樣中金剛石與胎體間的空隙比SD2 試樣的小。又由圖2 可知：SD1 試樣的耐磨性比SD2 試樣的高，說明金剛石與胎體結合越緊密，耐磨性越好。胎體包裹金剛石的能力是評定金剛石工具性能的重要因素之一[36]，這說明加入納米顆粒對提高金剛石工具性能有積極意義。

圖4 含金剛石的胎體材料試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of diamond containing composite samples

2.3 鉆進試驗

取耐磨性最高的胎體配方SD1 燒制直徑為59.0 mm的納米顆粒復合強化的孕鑲金剛石鉆頭，其結構參數見表8。并與具有相同結構參數的未納米強化的SD0傳統孕鑲金剛石鉆頭進行鉆進試驗對比，試驗數據見表9。

表8 鉆頭結構參數Tab.8 Structural parameters of bits

由表9 可以看出：相比于傳統的金剛石鉆頭，加入納米顆粒的金剛石鉆頭（強化鉆頭）的機械鉆速提高19.63%，單位進尺工作層消耗減少32.84%。原因是加入納米顆粒材料后，由于胎體硬度提高，金剛石出刃后，胎體磨損降低，并且金剛石與胎體結合能力更強，金剛石不容易脫落，所以機械鉆速提高。說明納米顆粒能提高鉆進效率，延長鉆頭壽命。

表9 鉆進試驗數據表Tab.9 Drilling experiment data

3 結論

（1）向WC–青銅基胎體材料中加入納米NbC 和納米WC 后，胎體材料的硬度和抗彎強度最高提高25.23%和5.73%。含金剛石的胎體材料的耐磨性明顯升高，磨耗比最高升高57.4%。表明納米顆粒能提高含金剛石的胎體材料的性能。XRD 結果顯示，材料成分沒有發生變化，說明性能提高的主要原因是納米顆粒的彌散強化作用。

（2）加入納米顆粒之后，金剛石與胎體結合得更加緊密。

（3）納米顆粒復合強化孕鑲金剛石鉆頭的機械鉆速比傳統鉆頭提高19.63%，單位進尺工作層消耗減少32.84%，說明納米顆粒能提高鉆進效率，延長鉆頭壽命。