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1、钻头性能评价手册如今油田和矿山使用的硬质合金球齿的确是高质量的工程材料。 每种牌号的球齿都具有其独特的适用于特定的设计和条件的性能。本 手册讨论了一些常见的失败问题以及与之相关的材料特性。本手册旨 在给此领域工程师提供实践指导作用，他们可以利用低倍显微镜工 作。考虑到这点，本手册特意删减了大部分高倍率或电子扫描照片， 而低倍照片比较容易用在此方面作对比。本手册讨论了七种类型的球 齿失效方式，它们并不包括所有的失效方式，也没有述及多失效模式， 既多种失效机制同时进行。但是，仔细鉴别和观察断口，也许可以发 现一种改进钻头性能的解决方法。本手册中七种失效方式分别是：1. 磨损2. 破裂3. 热冲击4
2、. 圆锥面以下断裂5. 剪切损坏6. 表面裂纹产生及生长7. 剥落类型1磨损因为在球齿上没有发生过量破裂，从球齿上观察的是全部的预期 寿命，所以磨损被认为是以切削机理破坏。图1所示是典型的具有光 滑表面的局部磨损的球齿。图2展示了新的结果，平坦磨损。完全磨损球齿显现平坦的并且 几乎与圆锥面齐平。根部排列的球齿，不是平坦的磨损，而将是如图3所示经常在外 缘剩下平坦的磨损齿背。正常磨损是通过在被钻的岩石中硬矿物质穿透球齿中的软粘结 相部分发生切削作用并带走了球齿中的一小块，在加载期间，球齿面 对岩石的相对运动和接触面积越大，所观察到材料磨损就越大，同时 在球齿表面可观察到相当深的刮痕或磨损标志，如
3、图4及图5所示。如图6所示的重刮痕表面，可推测它是在不正常操作情况下钻头 的过度滑动磨损而产生的。如果球齿上存在较少或没有破裂，则钻头寿命取决于磨损，提高 材料耐磨性是有益处的。耐穿透性就是通常所说的“硬度”测定。这个性能是通过材料抵 抗标准载荷下金刚石压头压痕或穿透的能力。这种类型的通用测试是 洛氏硬度测试，测试产生的数据称为洛氏A硬度。这些数据与这方 面材料的耐磨性密切相关。在硬质材料制造之前，必须仔细观察以确信没有其它失败机理。 除了平滑的、平坦磨损面外，表面破坏还可以显示出其它的破坏机理， 如剥落、剪切这些紧随着磨损发生。较硬的碳化物的移动能严重地恶 化其它材料损坏机理，如果已经作用，
4、将导致钻头性能显著降低。类型2陷破裂缺陷破裂通常在钻头的早期寿命中呈现出来。也可以称作“早期 破坏”。这种类型的损坏是由破裂引起的，该破裂由载荷循环在硬质 合金中的缺陷处产生应力集中而引起的，由这种类型损坏产生的断口 标志是很特殊的，并容易辨别。由于这种损坏是由硬质合金内部缺陷引起的，裂纹源在合金内部 而不是与球齿外部相连，断口表面将呈现如图8所示的几种截然不同 的标志类型。断口的光滑部分称作“镜子面”（图8中的标志B），粗 糙部分（图8中的标志A）称作“锯齿”，引起损坏的缺陷（图8中 的标志C）总是“镜面”的中心区域。镜面，或者光滑平坦部分，仅 有少量或没有枝状裂纹，因为在损坏的早期阶段，裂
5、纹的扩展是很慢 地，仅有足够能量在单一地方线性扩展。锯齿型裂纹或从初始点扩展 到的最远区域，它呈现一粗糙断口，具有明显散射状图形。分支和散 射区域图形是裂纹以高速径向扩展的结果。引起损坏的缺陷越大，断口的镜面部分也越大，如图9所示。缺 陷损坏仅是呈现出这些损坏的特征，并且仅是在球齿内部开始破坏的 诸多类型中的一种。因为没有材料能做得完美无缺，因此所有的球齿都有一定程度的 缺陷。在通常条件下，这些缺陷小且数量少，不足以引起较大的问题。 如果由于极端的工作环境或质量问题而产生缺陷使钻头寿命缩短，可 采用以下几种补救措施。首先如果它确实是质量问题，卖方代表应尽 快地正确处理问题，然而如果损坏特别是由
6、特别严酷的环境引起的， 可通过材质和工艺选择来解决问题，可用较韧的材料（具有较高的临 界应力强度参数K1c），或许牺牲一些耐磨性。材料韧性越好，破裂 损坏的敏感性越低。为了减少缺陷的大小及其存在的数量，可给球齿 施加一个烧结一热等静压烧结周期，它在一次操作中结综了热处理和 热等静压操作，或者在烧结后处理即热等静压。对低钻牌号，热等静 压尤其重要。如果确定辨别是裂纹损坏，上面概述的解决方法之一就 可解决问题。类型3冲击在所有类型的钻探中，包括油田、矿山、水井、风洞等，都曾观 察到钻头的热冲击损坏。，在大约右角位置，它的唯一破坏机制是产 生一种与众不同的双轴或由几条交叉近百角的裂纹，如图11所示。
7、 在一个球齿表面上能观察到从仅几条到数百条的裂纹。热冲击破坏可 通过钻头设计降到最小量，即减少钻探时球齿和岩石接触的时间。这种损坏模式机理是在热的球齿表面迅速冷却产生了平面应力。 应力释放是通过在某一方向产生裂纹的方式实现的，最高残余应力与 初始裂纹相垂直，因此，进一步释放应力仅能发生在初始裂纹的垂直 方向。这种类型的热应力场的范围很短，并随裂纹向深处扩展而迅速 减弱，在表面下0.01英寸到0.1英寸之间的深度上裂纹变得稳定，此 时球齿的总稳定性是材料抵抗这些裂纹进一步扩展的函数，或者称为 材料的韧性，可定义为材料承受裂纹扩展的的能力。用作表明材料韧 性特征的性能是临界应力强度参数K1c。热裂
8、纹的视觉结果是在球齿表面形成一种半稳定的大量相互交 叉的裂纹。合金表面发热是由合金滑过岩石产生摩擦引起的。水或其 它流体的冷却使合金得到“淬火”。因此被钻的岩层类型对热裂纹的 机理上有很大影响。热裂可在某些区域存在一些而其它地方不存在。 支撑角、钻头设计（偏移），尤其是钻探方法（PPM，钻头重量和底 部清洁效率）等因素在热裂纹损坏中都可能是主要因素。如果热裂继续扩展，将观察到如图13和14所示的碎裂特征。严 重情况下热裂纹将导致整个球齿的损坏。就材料本身而言，热裂常常可通过选用较低的热膨胀系数硬质合 金而减少。热膨胀系数随着材料中钻含量的降低而降低。在改变球齿 的钻含量前，其它参数必须改变以保
9、证维持材料因素如硬度。如果由 于形成类型或其它因素，热裂不能全部消除，遭受热裂部位的球齿可 通过钻头设计加以调整，使球齿露出最小的区域。类型4表面下断裂表面下断裂通常垂直于球齿轴向呈光滑、不显著的表面特征。可 以看到钻头中孔洞的裂纹位置从靠近球冠表面一直向内部延伸到很 深的位置，如图15所示。这类破坏是典型的由于钻的洞不圆，硬质 合金球齿上有裂片，或在球齿柱体内有缺陷的结果。如果硬质合金球 齿与孔装配不适，则沿着球齿柱体的某一点“受挤压”能产生大的拉 应力，这些应力是短距离的，因为一旦裂纹从“受压”区已经产生动， 裂纹进一步扩展的驱动力很低。如果产生裂纹，它将以少量或没有分 支缓慢地扩展，最终
10、形成一光滑表面，如图16所示。在图16中，朝 着裂纹端点出现了一个轻微的凸起（凸处），这是由球齿顶部被拔出 洞时弯曲引起的。如果断裂初始位置发生在洞内很深的位置，裂纹可朝上传播，导 致球齿顶部直接破裂。这种类型的损坏在断口表面将产生一朝下的尖 点，如图17所示（从球齿较低的位置朝上传播形成裂纹分支）。图 18示出了朝尖点型破裂裂纹路径。在表面下产生裂纹，球齿柱体随 着裂纹平行于球齿轴向运动，将裂成两块或更多大块。回顾从裂纹源 到向下的尖点过程，可看到一个垂直于球齿轴向的拐点，这个拐点的 另一端无疑是裂纹源。在一些情况下，裂纹的初始处或“受压”点能 通过仔细的外表检查确定。通过下列条件保障能解决
11、这些问题：1）.硬质合金球齿研磨不产生凸起或不圆的条件或研磨裂纹。2）.镶嵌孔是圆的并没有斜度，3）.洞底部给球齿适当的垫片，使不产生冲击。类型5剪切损坏在这里经常观察不到剪切损坏。如果这种损坏发生，结果将使钻 头寿命很短。产生的断口表面很乱，缺乏明显的特征。断口通常与球 齿轴线方向成一角度，球齿的球冠两边角部位对这种损坏方式十分敏 感。图19所示为剪切损坏一例，并且图示了裂纹起始点。如果断面 在损坏后短时内观察到，它将呈现有光泽的外貌。为了确定剪切损坏，必须做到仔细观察断口表面，因为从正常剪 切部位脱离下来的小块会呈现拉伸损坏的模式，这是由于插入作用， 如图20所示，图21为解释示意图。假如
12、估计是剪切损坏，则钻头的同一排任何相对未损坏的嵌块横 截面会在抛光的表面上产生次表面上的空洞，如图22所示。这经常 在高载荷区域观察到，例如横刃嵌块拐角。次表面上空洞的形成是超 过球齿承受极限的压应力与剪切应力的重复作用的结果。当用一较低硬度的硬质合金体在高载荷条件下凿一很硬的岩石 时，就有可能产生剪切损坏。当嵌块是非圆形时尤其如此。矫正方法有：1) .换一更圆的圆顶型合金；2) .在钻凿时(钻头设计)时用一较轻载荷条件，或者3) .改用一较高硬度的硬质合金。如果改用较高硬度的硬质合金，必须注意的是要确保损坏模式确 认无疑，否则，较高硬度的硬质合金可能导致相反的结果。正确分析 情况下用较硬材料
13、将导致钻头寿命提高。类型6表面裂纹的产生和生长钻头损坏机率最大的是由于表面裂纹。它可被认为是一“常规” 损坏模式。在很多情况下，损坏的真正起始区可以在断口组织的痕迹 里观察到。初始裂纹产生在最高的压强载荷和快速岩石破碎区域。这些裂纹 的形成是由于几种特殊机理，例如钻头设计特征、钻凿形式，随嵌块 位置而定。在某排中所有嵌块产生裂纹的原因相似。通过测试几个嵌 块损坏的不同时期，常能确定向下破裂过程的本质。如图23所示，当形成时小的表面裂纹时，能通过间歇的高载荷 或如疲劳损坏的其它机理增长到临界尺寸，这种断续的裂纹增长可通 过断口表面看到的裂纹阻止线辨别，这些阻止线在远离裂纹源上弯 曲，并且在方向上
14、或裂纹扩展原始状态呈现明显的改变。在嵌块上看 到的阻止线的数量可以从很少到很多，如图24所示。这些阻止线类 型必须与嵌块中如图25所示的裂纹走向与继续扩展的裂纹运动期间 产生的弹性波相互作用线有所区分。由弹性波产生的裂纹是很难辨别的，没有巨大的特征变化和从弹 性波线一边扩展到另一边产生大的方向变化。一旦临界裂纹尺寸达到了一特定载荷和应力状态，嵌块将遭受严 重破坏。由于扩展裂纹从嵌块的上面朝下发展，它能旋转朝着球齿圆 顶的一边使球齿一部分崩裂，如图26所示。比较典型的，它在向下 扩展时遇到球齿压入基座中产生的压力。由于裂纹不可能在压应力区 扩展，所以它必须转向，并沿着图27所示的路径平行于锥壳表
15、面进 行扩展，这样，球齿的大部分就可能脱落，如图28所示，为凿岩结 果残留的断口。无论如何，断口在靠近相交的断口表面呈现一向上的 尖点。这种损坏的典型实例如图29和30所示。在大部分破裂的球齿 中，如果不存在这种交叉线，就应怀疑存在其它的损坏机理。由于表面裂纹源引起球齿损坏，通常可通过提高材料的韧性（高 的K1c）来改变，此时微小裂纹是稳定的，几乎不可能扩展。裂纹起 始机理，应考虑用较高韧性材料，尤其是在热裂或剪切损坏较为严重 的情况下。类型7一剥落剥落是以各种不同尺寸的薄片或碎屑从球齿表面连续掉下。甚至 是球齿没有严重损坏的情况下完全由快速地剥落而使钻头的寿命出 其不意地缩短（图32）。剥落
16、通常发生于硬度高、韧性低的材料，并由表面形成的小裂纹 造成，这些裂纹通过这样机理产生，即过冷工作接着通过裂纹增长和 扩展到表面来减少积累的应变能。裂纹增长到表面是因为材料韧性不 够，不能在裂纹相当短时阻止裂纹扩展。结果是材料损失碎片或小块 而不是抑止这些短裂纹。如图23所示，控制剥落的小块表明可用高硬度低韧性材料置于 适当的位置来控制剥落的发生。然而，这类情况应该密切注意，由于 钻探参数或者被钻形式改变，将会引起裂纹向下扩展而扩大破裂，在 类型4情况下观察到的损坏。如果发生极度剥落，换用较韧的材料是 正确的做法，虽然也许会损失了一些耐磨性。用作钻头的硬质合金检查的简要说明当分析钻头合金损坏时，很少就其中一个球齿来举例说明钻头的 主要损坏机理。为了得到一张清晰的问题图片，必须仔细观察用在同 一地方的很多钻头上的诸多嵌块。由于一个钻头的
