第四章金刚石钻头胎体与岩石干摩擦磨损性能的初步试验。
1)当环境温度为常温时，毛坯胎体与花岗岩的干摩擦，随着胎体硬度的增加，摩擦力矩和摩擦系数先增大后减小；与空白胎体样品相比，含金刚石的胎体样品的摩擦力矩和摩擦系数显著降低。随着金刚石浓度的增加，含金刚石胎体的摩擦力矩和摩擦系数逐渐增大。
2)进一步研究空白胎体、金刚石胎体、花岗岩和砂岩在不同环境温度下的摩擦磨损试验。经薄片分析，岩石样品命名为含黑云母中细斜长花岗岩和轻变质白云母细砂-粉砂岩(图4.4)，试验环境温度分别为25℃、65、438+000℃、200℃、300℃、400℃。测试载荷p=400N，速度n=400r/min。试验数据和摩擦形貌如图4.5 ~图4.17所示，其中:A-1代表金刚石胎体和花岗岩磨削；A-2代表含金刚石的胎体和砂岩研磨；B-1代表用花岗岩打磨的毛坯胎体；B-2代表用花岗岩研磨空白基质。
图4.1高温摩擦磨损试验
图4.2测试和夹具安装图
图4.3屠体样本
图4.4试验用岩样
图4.5毛坯胎体和花岗岩打磨后。
图4.6试验后的一些岩石样品
图4.7表面热腐蚀剥落(500℃)
图4.8鳞片剥蚀量2-1(200℃)
图4.9基体2-2的磨损形貌(300℃)
图4.10岩粉颗粒侵入地表1-1(100℃)。
图4.11金刚石表面严重烧蚀1-1(300℃)
图4.12金刚石表面烧蚀1-2(300℃)
图4.13基体1-2的磨损形貌(300℃)
图4.14金属附着在金刚石表面1-1(500℃)
图4.15摩擦系数与环境温度变化关系曲线
图4.16摩擦功与环境温度变化关系曲线
图4.17轮胎磨损与环境温度变化关系曲线
测试结论:
1)进行摩擦磨损试验，对比相同胎体配方和金刚石浓度的花岗岩和砂岩。试验结果表明，摩擦系数与岩石的结构或类型密切相关。在本实验中，无论是金刚石胎体还是空白胎体，砂岩的摩擦系数始终小于花岗岩。环境温度对摩擦系数和摩擦功也有很大的影响，即在基体和岩石不同的磨损组合条件下，随着环境温度的升高，摩擦系数和摩擦功一般都呈下降趋势。
2)环境温度对岩石有显著影响。当环境温度达到400℃时，无论使用哪种基质，砂岩都会在2分钟内沿着脆弱的表面分裂成几片花瓣，无法继续试验。当环境温度达到400℃和500℃时，含金刚石胎体与花岗岩之间的研磨过程中，花岗岩由低温下的研磨脱落转变为小块体积破碎，岩石破碎速度急剧上升。
3)磨损量与磨损行程成正比。空白胎体与添加金刚石的胎体试样和花岗岩、砂岩的干摩擦具有相同的规律，即随着环境温度的升高，磨损量一般呈上升趋势。当环境温度超过400℃时，含金刚石胎体的花岗岩试样磨损急剧增加，而不含金刚石胎体的花岗岩试样磨损减少。表明胎体中是否含有金刚石对胎体高温磨损有很大影响。环境温度越高，砂岩对基质的研磨性越强，砂岩的磨损越大。
4)坯料基体和岩石的磨损机制主要是粘着磨损和表面疲劳磨损。当磨损行程和环境温度升高时，在表面摩擦热的作用下，胎坯会粘着。粘附有利于基体中的固体自润滑相(石墨)向岩石表面转移，在一定范围内降低磨损。因此，坯料基体和岩石的磨损机制是粘着磨损和表面疲劳磨损的混合。
5)金刚石与岩石的磨损机制是磨粒磨损、粘着磨损和表面疲劳磨损的混合模式。磨损的磨粒是金刚石和脱落的金刚石切下的切屑，会反向切割磨损界面的胎体金属表面，增加磨损量。随着磨损行程和环境温度的增加，金刚石胎体发生剥落，即疲劳磨损。因此，金刚石胎体的磨损机制为硬切削和磨粒磨损，在时间和温度的作用下，表面呈现粘着磨损和疲劳磨损失效的趋势。
总之，含金刚石胎体、花岗岩和砂岩的磨损随着环境温度的升高而增加。这一现象与科拉超深钻井的实际情况一致。科拉超深钻井在10000米以下时，使用硬质合金钻头。钻孔越深，硬质合金钻头磨损越快，使用寿命越短。从结论中可以看出，随着环境温度的升高，基体的工作温度逐渐升高。孕镶金刚石取心钻头要始终保持高效率，就必须具有良好的高温硬度，即红硬性和较强的耐磨性。如果钻头胎体的红硬性设计不理想，钻头在超深孔中容易造成胎体软化，使胎体非常容易磨损，削弱其抗变形能力，严重影响金刚石切割岩石的能力和效率，使金刚石刃口轻微。为了解决上述问题，通常的做法是增加胎体中骨架组分碳化物的含量，但这会导致钻头烧结温度的升高，从而增加胎体的脆性，削弱胎体在井下工作时抵抗振动和碰撞的能力，容易使胎体在断裂的非均质层中成块脱落。最好的办法是在胎体中加入适量的强度低、质量差的细粒金刚石作为辅助磨料，增强胎体的耐磨性和高温红硬性，一般不起到切割破碎岩石的作用。