聚晶金刚石复合片钻头失效形式

兖州矿业(集团)公司机电设备制造厂通过对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头失效形式及相关工艺过程研究,总结出了PDC钻头加工使用过程应该注意的问题,对提高PDC钻头加工水平及延长使用寿命有一定借鉴意义。

(1)基体非正常磨损。PDC钻头工作条件极为苛刻。作为PDC钻头基体不仅要有较强综合机械性能,还要有较好热振性抗腐蚀性。基体材质、加工精度、热处理工艺焊后修磨等显得很重要。这就要求基体材质要选用42CrM o、35CrM nSi等优质低碳合金钢材料,加工成基体要进行相应热处理,即淬火后进行低温回火。基体热处理后表面硬度40～42HRC,组织为回火马氏体。

(2)刀片磨损。①金刚石层与W C基托层分离。主要原因是金刚石涂层工艺技术欠成熟稳定,金刚石与基体附着力较差,从而造成金刚石薄膜过早从W C基托层剥离而失效,极大降低了钻头使用寿命及切削性能。采用钛粉金刚石微粉烧结层、类金刚石膜、钨/金刚石成分梯度层等方法,能较好地消除薄膜与基托因晶格失配、热膨胀系数差异等而造成的内应力。②宏观破裂。表现为金刚石层破裂,产生原因是钻头钻进过程遇到硬质岩石或岩性变化较达到岩层时受到较大交变冲击,使切削齿短时间内承受超负荷而导致钻头报废。要根据钻机性能选择与之相匹配的PDC钻头,钻探过程保持稳定钻压、钻速,尽量避免大冲击;材料制造过程提高各层间结合力,改善材料间热膨胀系数匹配,尽量减少内应力。

(3)脱焊。聚晶金刚石层焊接工艺性差,各种参数控制要求高,稍有不慎便可导致聚晶金刚石层使用过程脱焊。加热温度760℃～800℃,一般选用银基钎料,感应钎焊或火焰钎焊,焊缝强度取决于被连接材料组织状态、钎焊过程刀片及基体三个方面。