镍含量对熔渗胎体材料性能的影响

镍含量对熔渗胎体材料性能的影响

韦志忠

自贡长城硬面材料有限公司四川自贡643000

摘要：以骨架粉末铸造碳化钨和粘结金属镍粉为原材料，采用粉末冶金无压熔渗方法制备PDC钻头胎体。通过检测材料的抗弯强度、冲击韧性等性能，评价不同镍含量对单一骨架粉末胎体性能的影响。通过金相、SEM等分析手段研究镍含量对胎体相成份和微观结构的影响。结果表明，随着镍含量的增加，冲击韧性、抗弯强度均呈现波动性；当镍含量在2%时，性能呈最佳状态，抗弯强度达到960Mpa，冲击韧性达到3.62J/cm2；在一定的熔渗工艺下，随着镍含量的增加，降低了骨架粉末与粘结金属的结合强度，样块断裂面为脆性断裂，从而影响胎体性能。

关键词：无压熔渗胎体镍含量性能

Effectofnickelcontentonperformancesof

pressurelessinfiltrationmatrix

WEIZhizhong

ZigongTungstenCarbideCO.,LTD，SichuanZigong643000

随着高品质PDC胎体钻头技术的不断提高，性能要求也随之提高。

国内外煤田、油气岩地层的不断勘探开发，其应用也呈现上升趋势[1,2]。对此，许多PDC胎体钻头生产企业和研究学者开展了大量关于粘结金属对无压熔渗胎体材料性能的研究[3-7]，性能的差异性决定了胎体钻头应用于地质钻探环境的不同[8]。

金属胎体的金刚石制品约占金刚石制品总量的80%，以良好的机械性能而得到广泛的应用。根据金属胎体材料组成份的不同，可大致由Ni基、Fe基、Cu基和骨架粉末（如WC、TiC）等组成。骨架金属粉末是胎体材料普遍使用的金属硬质点，目前使用最多的主要有铸造碳化钨（含球形）、单晶碳化钨等，主要对胎体的耐磨、抗冲蚀性能有一定的影响。粘结金属镍粉能提高胎体综合性能，但不是越高越好，镍含量的增加，烧结过程涨力增大，含气量增大，容易造成PDC钻头模具涨裂[9]；铜对于碳化钨和骨架金属粉末有很好的相容性，但是润湿性差，与金刚石的把持力和粘结力都不高[10]；铁基胎体的耐磨性较好，但是低熔点金属易发生流失，且在高速状态下与金刚石发生对磨，会使胎体寿命降低[11]。

本文作者选择一定粒度的改性铸造碳化钨作为骨架金属粉末，雾化镍粉作为粘结金属粉末，采用无压熔渗工艺制备PDC钻头胎体，分析检测其微观组织、冲击韧性、抗弯强度等性能，重点研究了不同镍含量对胎体性能的影响。

1实验材料、方法及分析设备

采用粉末冶金无压浸渍工艺制备PDC钻头胎体材料，具体实验过程如下：（1）骨架粉末的选择：采用改性后的不规则铸造碳化钨粉末作为骨架金属，粒度组成为38-250um；选择常规水雾化制备的镍粉作为粘结金属，呈非球形或近似球形，粒度组成为38-150um。原料粉末组织及形貌如图1所示。

（3）浸渍合金选择：采用国内外通用的CuNiZnMn合金，Cu含量40-60%，镍含量10-25%，Zn含量5-15%，Mn含量20-40%，熔点1125℃。

（4）烧结：将混合均匀的骨架粉末装入圆柱形石墨模具中。在VB-200型电磁振动平台上振实，然后在模具上部分装一定量的浸渍合金。将装好的模具放入预先升温至一定温度的马弗炉中进行熔渗。

（5）分析设备：采用LEICADM1500M型金相显微镜和EVO18SPECIALEDITION型扫描电子显微镜观察胎体材料的微观组织、断口形貌。采用振实密度仪测定粉末的振实密度。采用CMT5305型电子万能试验机测定胎体样块的抗弯强度。采用ZBC8501冲击试验机测定胎体样块的冲击韧性。

2结果与讨论

2.1镍含量对胎体性能的影响

胎体抗弯强度和冲击韧性的高低决定了该胎体材料在钻探岩层应用时的选择，是目前PDC钻头制备重要的参考指标。图2为胎体性能与镍含量的关系。由图2可以看到，镍含量为2%的胎体的抗弯强度最高，达到960Mpa，镍含量10%时抗弯强度最低，为706Mpa；而冲击韧性也是在镍含量未2%是具有最高值3.62J/cm2，随着镍含量的升高，冲击韧性逐渐降低；这两者的变化不是随着镍含量的增加呈单调性，而是具有波动性，都呈现先增加后降低的态势。其原因是：（1）一定含量的镍粉提高了与骨架粉末的结合强化作用，增强了胎体性能；（2）随着粘结金属镍粉含量的增加，由于界面能的作用使不同颗粒之间应力集中，导致产生孔隙、裂纹等缺陷而降低胎体性能。

图2胎体性能与镍含量的关系

图2为无压熔渗后胎体材料的内部组织及微观组织。由图可知，4组样块中的铸造碳化钨颗粒基本都均匀分布，粘结金属镍粉随着量的增加与骨架颗粒紧密结合，未发生明显变化。在相同的熔渗工艺下，胎体材料尖角处或者颗粒搭桥处可见明显的孔隙，如图2T-1和T-2所示，主要是由于铸造碳化钨为不规则颗粒，混合后会引搭桥产生死角，阻碍了熔渗后的通道而产生孔隙。随着镍含量的增加，铸造碳化钨周围聚集的镍粉逐渐增多，近似球形的镍粉其比表面积大，胎体材料松装密度随之降低，颗粒之间的搭桥现象越明显，孔隙越大；同时熔融金属在毛细血管力的作用下向底部渗透，在空间、时间的限定下又会阻断底部空气的回流，使部分空气无法正常排出，造成了空隙缺陷增多，如图2T-3和T-4所示。

图3胎体材料熔渗后的微观组织

2.2不同镍含量与胎体性能断口形貌

图4为不同镍含量熔渗后胎体断口SEM形貌。从图4可以看到四组不同的抗弯强度试样块的断裂特征均为脆性断裂，其中添加2%镍粉的胎体断口面凹凸明显，说明胎体在承受外力时裂纹更加明显，体现了更加优异的力学性能，而其它3组断面显示颗粒与粘结金属之间粘结不紧密，断面更加光滑，这直接造成了胎体抗弯强度和冲击韧性的降低。添加一定含量镍粉的胎体在烧结过程中可能起到活化作用，增加了胎体的致密度和强度，不添加或者过量添加镍粉对胎体性能都不会增加其强度，甚至会降低骨架粉末与粘结粉末之间的结合强度，使其致密度降低、力学性能变差。

图4胎体材料断口形貌

3结论

1）胎抗弯强度、冲击韧性随镍含量的增加呈现波动性。添加2%镍粉的胎体抗弯强度达到960Mpa、冲击韧性达到3.62J/cm2，其他胎体性能较差；

2）无压熔渗胎体组织（骨架粉末、粘结金属）均匀分布，且随着镍含量的增加，组织中孔隙率等缺陷明显增多，主要是骨架颗粒间搭桥、粘结金属镍粉比表面积大阻碍空气排除等因素造成的；

参考文献:

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