金刚石钻头胎体与岩石的干摩擦磨损性能初步实验|第4章 (金刚石钻头胎体材料)

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• 第4章 金刚石钻头胎体与岩石的干摩擦磨损性能初步实验
• 磨损基本概念

第4章 金刚石钻头胎体与岩石的干摩擦磨损性能初步实验

前期应用MG-2000高速高温摩擦磨损实验机做胎体与花岗岩在常温下的摩擦磨损实验（图4.1，图4.2），胎体决定空白胎体（不含金刚石）与含金刚石胎体，含金刚石胎体的硬度与金刚石浓度不同（图4.3），得出以下论断：

1）环境温度为常温时，空白胎体与花岗岩之间的干摩擦，随着胎体硬度的增大，摩擦力矩与摩擦系数先增大后减小；含金刚石胎体试样较之于空白胎体胎体试样，摩擦力矩与摩擦系数清楚减小；含金刚石的胎体，随着金刚石浓度的增大，摩擦力矩与摩擦系数逐渐增大。

2）进一步钻研空白胎体、含金刚石胎体与花岗岩与砂岩在不同环境温度下的摩擦磨损实验，经薄片剖析，岩样定名为含黑云母中—细粒斜长花岗岩和浅蜕变白云母细砂—粉砂岩（图4.4），实验环境温度区分为25℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃。

实验载荷p=400N，转速n=400r/min。

实验数据及摩擦形貌见图4.5～图4.17，图中：A-1代表含金刚石胎体与花岗岩对磨；A-2代表含金刚石胎体与砂岩对磨；B-1代表空白胎体与花岗岩对磨；B-2代表空白胎体与花岗岩对磨。

图4.1 高温下的摩擦磨损实验

图4.2 实验与夹具的装置图

图4.3 胎体试样

图4.4 实验用岩样

图4.5 空白胎体与花岗岩对磨后

图4.6 实验后的局部岩样

图4.7 外表热侵蚀剥落（500℃）

图4.8 鳞状薄片的方式剥蚀 2-1（200℃）

图4.9 胎体磨损形貌 2-2（300℃）

图4.10 岩粉颗粒侵入被磨外表 1-1（100℃）

图4.11 金刚石外表重大烧蚀1-1（300℃）

图4.12 金刚石外表烧蚀1-2（300℃）

图4.13 胎体磨损形貌 1-2（300℃）

图4.14 金刚石外表金属粘附1-1（500℃）

图4.15 摩擦系数与环境温度变动相关曲线图

图4.16 摩擦功与环境温度变动相关曲线图

图4.17 胎体磨损量与环境温度变动相关曲线图

实验论断：

1）摩擦磨损实验对花岗岩和砂岩，驳回了相反的胎体配方和金刚石浓度启动了对比。

测试结果显示，摩擦系数与岩石的结构或类型有着亲密的咨询。

在此次实验中，不论是含金刚石胎体或空白胎体，所决定的砂岩的摩擦系数总小于所决定的花岗岩。

环境温度对摩擦系数与摩擦功的影响也较大，即在不同的胎体与岩石的磨损组合条件下，随着环境温度的升高，摩擦系数和摩擦功总体上呈减小趋向。

2）环境温度对岩石的影响清楚。

当环境温度达400℃时，无论经常使用哪一种胎体，砂岩均会在2min以内沿软弱面成裂成几瓣，无法继续实验。

环境温度到达400℃，500℃时，含金刚石胎体与花岗岩对磨环节中花岗岩由高温时的研磨零落演化为小块状体积破碎，碎岩速度急剧回升。

3）磨损量与磨损行程成正比相关，无论是空白胎体还是参与金刚石的胎体试样，与花岗岩和砂岩的干摩擦，均存在相反的法令，即随着环境温度的升高，磨损量总体呈回升趋向。

当环境温度超越400℃时，含金刚石胎体磨损花岗岩试样磨损量急剧回升，但不含金刚石胎体磨损量反而减小。

标明在高温下胎体能否含金刚石对胎体磨损量影响较大。

环境温度越高砂岩对胎体的研磨性越强，砂岩的磨损量越大。

4）空白胎体与岩石的磨损机理重要以粘着磨损与外表疲劳磨损为主。

当磨损行程与环境温度升高后空白胎体会在外表摩擦热的作用下出现粘着现象。

粘着无应用于胎体中的固体自润滑相（石墨）向岩石外表转移，在必定范畴内缩小磨损量。

所以空白胎体与岩石的磨损机制以粘着磨损与外表疲劳磨损的混合方式。

5）金刚石胎体与岩石的磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和外表疲劳磨损的混合形式。

磨损的磨粒为金刚石切削的岩屑与零落的金刚石，它会在磨损界面中反削胎体的金属外表使磨损量增大。

随着磨损行程与环境温度的参与，金刚石胎体出现剥落即疲劳磨损。

所以说金刚石胎体的磨损机制为硬质项切削与磨粒磨损，并且在期间与温度的作用下外表出现粘着磨损、疲劳磨损失效的趋向。

总之，含金刚石胎体与花岗岩与砂岩的对磨，随着环境温度越高，胎体的磨损量逐渐参与。

此种现象和科拉超深钻井中时的实践状况相吻合，科拉超深钻在钻进m以下时，驳回的是硬质合金钻头，钻井越深，硬质合金钻头磨损越快，钻头的寿命越短。

从论断中可以看出，随着环境温度的参与，胎体的上班温度逐渐升高，假设要保障孕镶金刚石取心钻头在超深孔中不时坚持高效率，必定要求钻头胎体具备较好的高温硬度即红硬性和强耐磨性，若钻头胎体的红硬性设计的不现实，钻头在超深孔中容易惹起胎体硬化，使胎体十分容易磨损，抗变形才干削弱，从而将重大影响金刚石切削岩石的才干和效率，使金刚石稍有出刃就零落或缩颈。

为了处置上述疑问，理论的做法是参与胎体中骨架成分碳化物的含量，但这会造成钻头的烧结温度升高使胎体的脆性增大，在井下上班环节中胎体抵制触动、碰撞等的才干削弱，在裂隙不均质地层中容易使胎体成块状裂脱。

最好的方法是在胎体中参与过量的低强度差品质的细颗粒金刚石作为辅磨料用以增强胎体的耐磨性和抗高温红硬性，普通不起切削破岩的作用。

磨损基本概念

磨损，作为零部件失效的一种经常出现类型，重要体如今零部件几何尺寸的减小，即其体积的缩小。

零部件假设丢失了其初始设计规则的配置，就被以为曾经失效。

失效状况分为几种：齐全失去原定配置、配置降落或存在重大挫伤和隐患，继续经常使用将要挟到牢靠性和安保性。

依据外表破坏的机理，磨损可分为多种类型，如磨粒磨损、粘着磨损、外表疲劳磨损、侵蚀磨损和微动磨损。

磨粒磨损源于硬质颗粒或突出物与物体外表的摩擦，造成外表资料损失。

粘着磨损则在摩擦副相对静止时，因固相焊协作用造成接触面金属的损耗。

外表疲劳磨损则是因为交变接触压力引发资料外表疲劳并产动物质损失。

侵蚀磨损则在摩掠环节中，因为金属与周围介质的化学或电化学反响造成物质损失。

微动磨损出当初无微观相对静止但有小振幅振动的条件下，发生少量磨损粉末。

权衡资料磨损性能的参量包含磨损量、磨损率、磨损度、耐磨性和相对耐磨性等。

磨损环节理论教训跑合磨损、稳固磨损和猛烈磨损三个阶段。

跑合磨损阶段，新摩擦副因外表毛糙造成磨损率高，随后进入稳固磨损阶段，磨损缓慢。

猛烈磨损阶段则因外表疲劳和形貌变动而磨损加剧，或者造成失效。

某些特定状况下，磨损环节或者出现出其余特色，如滚动轴承的极速失效，或某些资料如刀具的磨损体现。

外表疲劳磨损在滚动或滚滑复合静止中出现，即使在良好润滑条件下，因为交变应力造成的疲劳断裂和点蚀或剥落也无法齐全防止。

总的来说，磨损是机械整机经常使用环节中无法防止的性能衰减环节。

磨损是零部件失效的一种基本类型。

理论意义过去讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。

零部件失去原有设计所规则的配置称为失效。

失效包含齐全丢失原定配置；配置降落和有重大挫伤或隐患，继续经常使用会失去牢靠性及安保性和安保性。