学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

非均质胎体金刚石钻头结构单元设计及其磨损特性研究

作　者: 牛明远
导　师: 潘秉锁
学　校: 中国地质大学
专　业: 钻井工程
关键词: 金刚石钻头非均质胎体磨损特性
分类号: TQ153
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 170次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

采用冷压浸渍、热压烧结、无压浸渍和低温电镀等常规方法制作的金刚石钻头,钻头胎体材料从宏观角度上看是均质的,钻进过程中经常会出现胎体耐磨性与所钻岩石研磨性不相适应的现象。而且,常规金刚石钻头胎体中金刚石颗粒呈随机无序分布,可能产生聚集与偏析,这会直接影响到钻头的使用效率和寿命。常规金刚石钻头很难同时兼备高效率和长寿命。为协调两者的关系,研究者往往把如何提高钻进时效作为首要解决的问题,如采用金刚石钻头人工出刃处理、优选金刚石参数、改变胎体耐磨性的办法,另外还研制出各种异形唇面钻头和弱包镶金刚石钻头。但是,这些方法只是有限提高了钻进效率,钻头的使用寿命没有得到改善。为此必须研制出钻进时效高、使用寿命长和适用性广的新型金刚石钻头。为了同时实现金刚石钻头的高时效和长寿命,本文设计制备了一种非均质胎体金刚石钻头结构单元,其由粘结层与采用复合电镀工艺制作的硬质颗粒-金刚石工作层相间平铺,经热压烧结后成型。研究分析了非均质胎体金刚石钻头结构单元同岩石的摩擦磨损特性,为今后设计和制造非均质胎体金刚石钻头提供了可靠依据。本论文主要研究了如下几个方面的内容：1.提出了硬质颗粒-金刚石工作层的制作方案,选用铸造碳化钨硬质颗粒作为增强材料与金刚石颗粒通过复合电镀工艺共沉积到镍基金属中,制作出WC-金刚石工作层。采用单因素实验分析方法,研究了复合电镀主要工艺参数对复合镀层中WC颗粒含量、沉积速率以及镀层硬度的影响。复合镀层中WC颗粒含量随着镀液中WC颗粒悬浮量、阴极电流密度及镀液温度的提高,均呈现出先增大后减小的趋势。沉积速率随着镀液中WC颗粒悬浮量的增加而增大,当超过一定值时又开始下降；随着阴极电流密度及镀液温度的增大,沉积速率呈线性上升趋势。复合镀层中WC颗粒含量最多时,复合镀层显微硬度达到最大值。综合分析优化出最佳工艺参数：电沉积Ni-低浓度WC层时选择4 g/L WC颗粒悬浮量,电沉积Ni-高浓度WC层选择6 g/L WC颗粒悬浮量；阴极电流密度：40 mA/cm2;镀液温度：35℃。采用最佳工艺参数,在不锈钢薄板上电镀出镍基金刚石-WC复合镀层。2.设计了两种粘结层胎体配方,一种添加有石墨固体润滑剂,另一种未添加。研究了两种粘结层的性能和摩擦磨损特性：由于石墨属于软质相,与粘结层中其他金属不发生冶金作用,起到了割裂粘结层的作用,因此加入石墨粉后,粘结层硬度下降。石墨粉在粘结层摩擦磨损过程中被不断的挤出,能够在摩擦表面形成一层减摩润滑膜,减小了摩擦系数,可降低胎体的磨损量,提高其耐磨性。观察试样磨损表面形貌,不含石墨粉的粘结层塑性变形严重,磨损机制以磨料磨损为主,而添加了10%wt石墨粉的粘结层,塑性变形不是很明显,磨损机制以疲劳磨损为主。3.设计了六种非均质胎体金刚石钻头结构单元试样。将定量混匀的粘结层粉末放在LY-200T冷压成型机下冷压成1.5 cm×0.85 cm(长×宽)的粘结层。层数相同的粘结层和WC-金刚石工作层相间平铺,采用SM100-A自控智能烧结机在840℃条件下保温3分钟,在35 KN条件下保压4.5分钟,制作出非均质胎体金刚石钻头结构单元。4.采用MG-2000A型高速高温摩擦磨损试验机研究了每种非均质胎体金刚石钻头结构单元试样与天然岩石对磨的摩擦磨损性能。在不含石墨粉的粘结层中布置不同层数的WC-金刚石工作层,试验发现,随着层数的减少,金刚石浓度降低,其抑制胎体塑性变形和抵御磨料切削挤压胎体能力下降,而且破碎的金刚石充当了硬质磨料,加剧了胎体磨损；摩擦面实际接触面积增加,摩擦系数增大,接近粘结层金属胎体的摩擦系数。在添加10%wt石墨粉的粘结层中布置不同层数的WC-金刚石工作层,由于石墨粉能够在摩擦表面形成一层减摩润滑膜,因此随着层数的减少,胎体磨损量降低,摩擦系数减小。在WC-金刚石工作层数相同的前提下,添加有石墨粉的结构单元比不含石墨的结构单元,磨损量和摩擦系数都有所降低。可见,将石墨作为固体润滑剂引入到金刚石钻头胎体中,可以降低磨损量,有利于延长钻头使用寿命；而且,可以减小金刚石钻头与岩石界面的摩擦力,有利于减少摩擦热的生成,有望解决摩擦热对钻头的热损伤问题。5.粘结层和WC-金刚石工作层相间的结构对工作面上金刚石在环向上实现了有序的排列,每颗金刚石都能得到充分利用,因此可以降低金刚石浓度,进而降低制作成本。金刚石前部的粘结层易磨损,使得金刚石前部出刃较高；而后部的Ni-高浓度WC层较耐磨,对金刚石起到了骨架支撑作用,形成拖尾,这种出刃状态的金刚石切削岩石的效率较高。因此,利用这种非均质胎体金刚石钻头结构单元制作出非均质胎体金刚石钻头,它将在拥有较长使用寿命的同时,保持较高的切削效率。改变结构单元中粘结层和WC-金刚石工作层数,可以调整金刚石钻头胎体中金刚石浓度,以适用不同地层条件的钻进。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-22
  1.1 金刚石钻头的制作方法  13-15
    1.1.1 冷压浸渍法制作钻头的原理与特点  13
    1.1.2 热压烧结法制作钻头的原理与特点  13-14
    1.1.3 无压浸渍法制作钻头的原理与特点  14-15
    1.1.4 低温电镀制法作钻头的原理与特点  15
  1.2 高时效金刚石钻头的研究现状  15-18
    1.2.1 优选金刚石参数  16
    1.2.2 改变胎体耐磨性  16-17
    1.2.3 异型唇面钻头  17-18
    1.2.4 弱包镶金刚石钻头  18
  1.3 金刚石钻头钻进过程中摩擦磨损性能研究现状  18-19
  1.4 课题的提出、目的及意义  19-20
  1.5 论文的研究思路、研究内容及研究方法  20-22
    1.5.1 论文的研究思路  20-21
    1.5.2 论文的研究内容与研究方法  21-22
第二章复合电镀技术制作硬质颗粒-金刚石工作层  22-35
  2.1 设计原理  22-23
    2.1.1 复合电镀技术  22
    2.1.2 复合电镀技术制作硬质颗粒-金刚石工作层方案  22-23
  2.2 Ni-WC复合电镀工艺  23-26
    2.2.1 实验材料及尺寸  23-24
    2.2.2 实验装置  24
    2.2.3 主要实验仪器  24-25
    2.2.4 镀液配方及工艺参数  25
    2.2.5 工艺流程  25
    2.2.6 分析方法  25-26
  2.3 复合电镀工艺参数对Ni-WC复合镀层性能的影响  26-32
    2.3.1 镀液中WC颗粒悬浮量的影响  26-29
    2.3.2 阴极电流密度的影响  29-30
    2.3.3 镀液温度的影响  30-32
  2.4 镍基金刚石-WC复合镀层的制作  32-34
    2.4.1 实验材料及尺寸  32
    2.4.2 实验装置  32
    2.4.3 镀液配方及工艺参数  32-33
    2.4.4 工艺流程  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章粘结层/WC-金刚石工作层的制备及其摩擦磨损特性  35-51
  3.1 粘结层的设计与制备  35-36
    3.1.1 粘结层的设计  35-36
    3.1.2 粘结层的制备  36
  3.2 粘结层/WC-金刚石工作层的制备  36-39
    3.2.1 试样的设计  36-37
    3.2.2 热压烧结设备  37-38
    3.2.3 热压烧结模具  38
    3.2.4 热压烧结参数  38-39
  3.3 粘结层/WC-金刚石工作层摩擦磨损试验  39-42
    3.3.1 试验设备  39-41
    3.3.2 试验条件  41
    3.3.3 试验用岩样  41-42
    3.3.4 分析方法  42
  3.4 结果与讨论  42-50
    3.4.1 粘结层性能和磨损特征  42-45
    3.4.2 粘结层/WC-金刚石工作层耐磨性  45-46
    3.4.3 粘结层/WC-金刚石工作层摩擦系数  46-48
    3.4.4 粘结层/WC-金刚石工作层磨损表面形貌  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章总结与展望  51-53
  4.1 结论  51-52
  4.2 创新点  52
  4.3 展望  52-53
致谢  53-54
参考文献  54-57

非均质胎体金刚石钻头结构单元设计及其磨损特性研究

内容摘要

全文目录

相似论文