本文關(guān)鍵詞：深孔鉆探金剛石鉆頭用FeCoCu預(yù)合金粉的制備及性能研究

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【摘要】：“深部找礦”是國家重大戰(zhàn)略,實(shí)現(xiàn)此戰(zhàn)略的關(guān)鍵在于研制出適應(yīng)于深孔鉆探的新型金剛石鉆頭,而深孔鉆頭開發(fā)的關(guān)鍵是金屬結(jié)合劑的研制。為適應(yīng)深孔鉆頭開發(fā)需要,結(jié)合劑配制時人們開始利用預(yù)合金粉來替代混合粉。雖然預(yù)合金粉在制備及使用上取得了較大進(jìn)展,但在預(yù)合金粉的物相組成、微觀形貌、預(yù)合金粉提升鉆頭性能機(jī)理上還有待進(jìn)一步研究。另一方面,無壓燒結(jié)技術(shù)由于具有操作簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢,在超硬材料工具制造中應(yīng)用越來越廣泛,但國內(nèi)外關(guān)于預(yù)合金粉無壓燒結(jié)過程、燒結(jié)機(jī)理等方面鮮有報道。鑒于預(yù)合金粉當(dāng)前的研究及應(yīng)用特點(diǎn),本研究工作采用共沉淀法制備FeCoCu預(yù)合金粉,對制備工藝、粉體燒結(jié)性能等進(jìn)行了研究;對預(yù)合金與金剛石界面結(jié)合情況及金剛石顆粒表面生成物進(jìn)行了表征;對制備的FeCoCu預(yù)合金粉冷壓成型試樣的無壓燒結(jié)進(jìn)程及燒結(jié)過程中的熱力學(xué)行為進(jìn)行了分析;最后設(shè)計出針對深孔鉆進(jìn)特點(diǎn)的配方體系并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究結(jié)論如下:(1)采用共沉淀法制備三種FeCoCu預(yù)合金粉,優(yōu)化出適宜的制備工藝及粉體燒結(jié)工藝,對燒結(jié)體性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:共沉淀法制備FeCoCu預(yù)合金粉前驅(qū)體的適宜工藝為:反應(yīng)體系的p H值為2.0、反應(yīng)溫度為50℃、體系溶液濃度為1.0mol/L、溶液添加方式為并流法(在沉淀劑草酸濃度為1.0mol/L時);預(yù)合金粉中形成了Fe Cu4、Co3Fe7、Co Fe15.7金屬間化合物;Cu含量越低,粉末粒度會更細(xì);隨著鐵含量的增加,預(yù)合金粉燒結(jié)體的力學(xué)性能上升;在Fe含量較低時燒結(jié)體斷口形貌為韌窩狀斷裂,隨著Fe含量的上升,試樣斷口呈現(xiàn)出穿晶斷裂特征。(2)研究了FeCoCu預(yù)合金對金剛石的包鑲及結(jié)合界面情況,結(jié)果表明:隨著鐵含量的升高,預(yù)合金對金剛石的把持力有明顯的增加;Co元素在界面位置處發(fā)生了一定的富集;XRD衍射、Raman光譜、FTIR紅外光譜、TEM透射分析等測試結(jié)果表明,與預(yù)合金粉燒結(jié)后的金剛石表面主要發(fā)生了石墨化反應(yīng)。(3)對三種FeCoCu預(yù)合金粉冷壓成型試樣的無壓燒結(jié)過程進(jìn)行了系統(tǒng)考察,結(jié)果表明:在燒結(jié)收縮開始前,三種試樣均有一個受熱膨脹階段,Cu含量越高,膨脹越明顯;對于同種試樣,升溫速率越慢,則致密化程度會越高;在燒結(jié)收縮的初期和末期,燒結(jié)活化能符合Arrhenius曲線,燒結(jié)收縮中期的活化能受多種影響因素作用比較復(fù)雜,不符合Arrhenius曲線;對于同種試樣,升溫速率較慢時,由于燒結(jié)會有一個相對較長的滯留階段,因此試樣需要更高的活化能。(4)三種FeCoCu預(yù)合金粉在不同升溫速率下的DSC曲線表明:三種試樣均存在著先吸熱,后放熱的過程;升溫速率越大,則峰值越高,峰形越尖銳;隨著Fe含量的增加,試樣的熱流量增大;比熱容曲線的變化規(guī)律與DSC曲線規(guī)律相似;升溫速率越快,計算得到的熱焓值越高;由膨脹-收縮轉(zhuǎn)化階段活化能計算結(jié)果可知,25wt%Fe-15wt%Co-60wt%Cu試樣與45wt%Fe-15wt%Co-40wt%Cu試樣的活化能較相近,而65wt%Fe-15wt%Co-20wt%Cu試樣的活化能卻比前兩者高出10倍左右。(5)通過設(shè)計針對中硬地層的金剛石鉆頭配方體系,探討FeCoCu預(yù)合金粉配方體系與混合粉配方體系的性能差異,結(jié)果表明:在預(yù)合金粉配方體系下各成分的理想含量為:骨架相WC為40wt%,65wt%Fe-15wt%Co-20wt%Cu預(yù)合金粉為45wt%,液相Cu Sn15為7wt%,增強(qiáng)相Ni為8wt%;預(yù)合金粉與混合粉配方體系燒結(jié)體的力學(xué)數(shù)據(jù)表明,使用預(yù)合金粉能有效提升結(jié)合劑燒結(jié)體的力學(xué)性能及耐磨性;金相分析、SEM電鏡及EDS能譜表明,結(jié)合劑燒結(jié)體性能的增加是由于預(yù)合金粉能有效改善混合粉造成的成分不均勻;在金剛石參數(shù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種配方體系下的微鉆實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場鉆進(jìn),結(jié)果表明:預(yù)合金粉配方體系的使用能有效提高鉆頭的鉆進(jìn)效率及鉆進(jìn)壽命,鉆頭的綜合性能有明顯提升。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P634.41;TQ163

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1 謝德龍;深孔鉆探金剛石鉆頭用FeCoCu預(yù)合金粉的制備及性能研究[D];湖南大學(xué);2016年

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本文編號：1269698