纳米Al_2O_3_硬质合金复合材料试验研究

第３９卷第１期　２０１１年３月　　　稀有金属与硬质合金

ＲａｒｅＭｅｔａｌｓａｎｄＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅｓ　　　　

Ｖｏｌ．３９　№．１

０１１Ｍａｒ．　２　　　

纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌＯ２３－

黄志强１，李　伟１，李　琴１，郭恩宏２，邱成松１

（西南石油大学天然气装备教育部重点实验室，四川成都６１．１０５００；）中国石化天然气分公司金坛储气库项目部，江苏金坛２２．１３０００

对几种配方的纳米Ａ硬质合金复合材ｏ基体中加入纳米Ａｌｌ　　摘　要：基于在ＷＣ－Ｃ２Ｏ３强化硬质合金性能的设想，２Ｏ３－

料进行了力学性能测试、耐磨耐冲击试验和微观组织结构的分析研究。结果表明，加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３不但可细化

合金晶粒，使材料组织结构更加均匀，耐磨性能提高，而且增强了ＷＣ晶界的强度，使得材料的断裂形式由沿晶断裂

起到增强补韧的作用。同时，加入稀土也提高了材料的综合性能。将纳米复合材料制成钻齿并装配转向穿晶断裂，

成钻头进行了现场试验，与硬质合金齿钻头相比，其破岩效率提高２使用寿命提高８０％，０％。纳米Ａ耐磨性能；增强补韧；显微组织结构ｌ　　关键词：ＷＣ；２Ｏ３；

（）ＴＦ１２５．３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００４０５３６２０１１０１００６１０５　　中图分类号：　－－－

／ＥｘｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｏｍｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｏｆＮａｎｏｌＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅ　　　　　　　－Ａ　ｐｐ２Ｏ３

１１１２１

，ＨＵＡＮＧＺｈｉｉａｎＬＩＷｅｉＬＩＱｉｎＧＵＯＥｎｈｏｎＱＩＵＣｈｅｎｓｏｎ　－ｑ　　，　　－　－ｇ，ｇｇｇ，

（，，１．ＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＮａｔｕｒａｌＧａｓＥｕｉｍｅｎｔＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ　　　　　ｙｙｙｑｐｙ　　　

；Ｃｈｅｎｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ　ｇ

，）２．ＪｉｎｔａｎＰｒｏｅｃｔＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＧａｓＳｔｏｒａｅＳｉｎｏｅｃＮａｔｕｒａｌＧａｓＢｒａｎｃｈ，Ｊｉｎｔａｎ２１３０００，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　　ｊｐｇｐ

：ＡｂｓｔｒａｃｔＡｄｄｉｎｎａｎｏｌｎｔｏＷＣＣｏｓｕｂｓｔｒａｔｅｍａｂｅｕｓｅｆｕｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｅｍｅｎｔｅｄ－Ａ　－　　　　　　　　　ｇｙｐ２Ｏ３ｉ　　

，，ｃａｒｂｉｄｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｖｉｅｗ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｅｒｔｉｅｓｗｅａｒａｎｄｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　　　　　ｐｐ／ｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｎａｎｏｌｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍｕｌａｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　－Ａ　　　　　　ｐｇ２Ｏ３

，ｒｏｅｒｒａｉｎｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｄｄｉｎｎａｎｏｌｏｔｏｎｌｒｅｆｉｎｅｓａｌｌｏａｎｄｉｍｒｏｖｅｓｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｉ　　　　－Ａ　　　　　－ｐｐｇｇｙｙｐ２Ｏ３ｎ　　　，ｒａｉｎｆｏｒｍｉｔａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｂｕｔａｌｓｏｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｓｔｒｅｎｔｈｏｆＷＣｂｏｕｎｄａ　　　　　　　　　　　　　　－ｇｙｐｇ　

ｒｗｈｉｃｈａｒｏｌｅｏｆｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎａｎｄｔｏｕｈｅｎｉｎａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｆｏｒｍｓｈｉｆｔｆｒｏｍｉｎｔｅｒｒａｎｕｌａｒｌａｓ　　　　　　　　　　　　　ｙ，ｇｇｇｇｇｐｙ　　，ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｔｒａｎｓｒａｎｕｌａｒｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅａｄｄｉｎｒａｒｅｅａｒｔｈａｌｓｏｉｍｒｏｖｅｓｔｈｅ　　　　　　　　　　　ｇｐｇｐ　ｃｏｍｒｅｈｅｎｓｉｖｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈｍａｄｅｗｉｔｈｔｈｅｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　　　　　　－　ｐｐｐｐａｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｄｉｎｔｏａｄｒｉｌｌｂｉｔｔｈａｔｉｓｔｈｅｎｔｅｓｔｅｄｉｎｓｉｔｕ．Ｃｏｍａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔａｓｓｅｍｂｌｅｄｗｉｔｈｃｅｍｅｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ，ｔｈｅａｂｏｖｅｄｒｉｌｌｂｉｔｉｓｏｆ２０％ｈｉｈｅｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃａｎｄ８０％ｌｏｎｅｒｓｅｒｖｉｃｅ　　　　　　　　　　　　　ｇｇｙｇ　　ｌｉｆｅ．

：；；ＫｅｗｏｒｄｓＷＣ；ｎａｎｏｌｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎａｎｄｔｏｕｈｅｎｉｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－Ａ　　ｇｇｇｇ２Ｏ３；ｙ　高强度、高耐磨性、强抗　　硬质合金具有高硬度、

腐蚀性和热膨胀系数低等优点，目前已大量应用于切削刀具、钻齿和矿石破碎机械等，是金属加工，石

收稿日期：２０１００５１７－－

）基金项目：中国石油科技创新基金研究项目（２００８Ｄ５００６０３１２－－－

：通讯作者：黄志强（男，教授，博导，从事石油天然气钻采装备、冲旋钻井装备及工艺和设备表面工程的研究工作，１９６８Ｅ－ｍａｉｌｈｕａｎｚｗ－－）ｇｑ＠ｓ

ｕ．ｅｄｕ．ｃｎｐ

］１４－

。然油钻探、矿山开采等不可缺少的重要材料［

而，普通硬质合金的耐磨性和韧性存在相互矛盾，即

５，６］

。其韧性的提高将使耐磨性降低［试验表明，在

６２

稀　有　金　属　与　硬　质　合　金

表２　试样的主要物理、力学性能

第３９卷

硬质合金基体中适当加入纳米粒子，复合材料的硬

７］

。本文在ＷＣ度、耐磨性、韧性均有明显提高［Ｃｏ－

基体中加入纳米Ａ抑制剂及稀土，研究了纳米ｌ２Ｏ３、

ｈｓｉｃａｌｒｏｅｒｔｉｅｓａｂｌｅ２　Ｍａｉｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｏｆ　　Ｔ　　　　　　ｐｙｐｐ

ｓａｍｌｅｓｐ

试样编号ＹＧ８　ＹＧ８ａ－　ＹＧ８ａＥ－－Ｒ　ＹＧ８ｂ－　ＹＧ８ｂＥ－－Ｒ　

密度·ｃｍ－３ｇ１４．８８　１３．５３　１３．８２　１０．８８　１１．１３　

硬度ＨＲＡ８９．０　９０．６　９１．４　８５．５　８６．３　

抗弯强度ＭＰａ１４９３　　１６３０　　１７１０　　１３５１　　１３８６　　

冲击韧性·ｍ－２ｋＪ２５３１３６２４２

６

复合材料的几种配方，通过试样的性能测试、冲击磨料磨损试验研究和微观组织结构观察，分析了纳米硬质合金复合材料（以下简称纳米复合材料）Ａｌ２Ｏ３－

的强化机理，确定了纳米复合材料最优配方，为纳米复合材料的进一步研究及推广应用奠定基础。

１　纳米复合材料的制备与性能

１．１　试样的制备

选用空气冲旋钻齿中常用的ＹＧ８为基体材料，选用纳米ＡｌＣ晶界的强２Ｏ３为增强相以用于增强Ｗ度，选用ＶＣ抑制剂以抑制复合材料中晶粒及杂质加入一定量Ｙ（的长大。此外，ＮＯ６Ｈ２Ｏ稀土３）３·化合物，用于改善复合材料的浸润性，减小材料的空隙率，提高致密度。按研制的纳米复合材料配方（参）见表１配料，经混料、压坯成形、烧结及表面处理等工艺制备，得到纳米复合材料试样。

表１　纳米复合材料的配方Ｔａｂｌｅ１　Ｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｓ　　　－ｐ

试样编号

ＹＧ８ａＹＧ８－ＹＧ８ａＥ　－－ＲＹＧ８ｂ　－ｂＥ　ＹＧ８－－Ｒ

试样配方ＷＣ＋Ｃｏ

ＷＣ＋Ｃｏ＋ａ％ＡｌＣ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ａ％ＡｌＣ＋ＲＥ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ｂ％ＡｌＣｅ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ｂ％ＡｌＣ＋ＲＥ２Ｏ３＋Ｖ

图１　试样的磨损率曲线Ｆｉ．１　Ｗｅａｒｒａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　ｇｐ

（）对试验结果分析可知：五条磨损率曲线明显１分为上、下两个区域，相比之下，ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａ－－－

说明加入纳米ＡＲＥ的磨损率要小很多，ｌ２Ｏ３的量并（不是越多越好，而是有个合理的值；对比同类试２）样的磨损率曲线可以发现，加入稀土的试样其耐磨（）性有所提高；３ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａＥ的磨损率曲线－－－Ｒ较为平缓，而其余三条磨损率曲线的波动较大，这可能与相关材料的组织结构有关。

１．４　试样的磨损形貌及组织结构分析

试样经冲击磨料磨损后，其表面形貌及内部组织结构的扫描电镜照片如图２所示。

通过扫描电镜照片分析试样的组织结构和磨损（）组织结构方面，微观形貌可知：１ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａ－－－组织结构均匀、致密，冶金融合性ＲＥ的晶粒细小，

没有明显的空洞等缺陷；而ＹＧ好，８ｂ和ＹＧ８ｂ－－－不均匀，组织结构疏松，空隙率高，ＲＥ的晶粒粗大，纳米粒子与ＷＣ并且在Ｃｏ的连接界面相当松散，－）界面上出现了大量的孔洞。（磨损微观形貌方面，２很浅的推挤ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａＥ的形貌是以很轻、　－－－Ｒ

、，确定值）且ａｂ为纳米Ａｌ３添加量（ＲＥ为稀土。　 ａ＜ｂ；２Ｏ

力学性能测试及分析１．２　试样的物理、

对试样的主要物理及力学性能进行测试，结果见表２。

（）对表２数据进行分析可得出以下几点结论：１加入纳米Ａ复合材料的密度降低（因Ａｌｌ２Ｏ３后，２Ｏ３，（的密度远小于ＷＣ的密度）比强度提高；随着２）

纳米Ａ复合材料的硬度、抗弯强ｌ２Ｏ３加入量的增加，度和冲击韧性先增大后减小，说明纳米Ａｌ２Ｏ３的加

（）入应适量；加入稀土后复合材料的密度、硬度、抗３弯强度和冲击韧性均有所提高。１．３　试样的冲击磨料磨损试验研究

在冲击磨料磨损条件下测试试样的磨损量，所得磨损率（单位时间的磨损量）曲线如图１所示。

　第１期等：纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌ　黄志强，２Ｏ３－

６３

图２　试样磨损形貌及组织结构的ＳＥＭ照片

Ｆｉ．２　ＳＥＭｈｏｔｏｒａｈｓｏｆｗｅａｒｍｏｒｈｏｌｏａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　　　ｇｐｇｐｐｇｙｐ　

（）（）；（）；（）；（）ａＹＧ８；ｂＹＧ８ａｃＹＧ８ａｅｄＹＧ８ｂｅＹＧ８ｂｅ－－－Ｒ－－－Ｒ

擦痕和很小的冲击剥落为主，而ＹＧ８ｂ和ＹＧ８ｂ－－－ＲＥ的表面形貌则是以较大的冲击脆性剥落和疏松

的犁沟为主。

分析认为，加入纳米Ａ使材ｌ２Ｏ３可以细化晶粒，料的组织变得更均匀，提高材料的硬度和耐磨性；但纳米Ａ若含量过多易在烧结过程ｌ２Ｏ３的活性较高，

４］

，使复合材料组织不均匀并产生空洞中形成团聚［

子时受阻，在外力作用下裂纹进入相对较弱的ＷＣ

晶内，形成穿晶断裂，或是分叉转向形成更多的微裂纹。由于穿晶断裂所需的能量要比沿晶断裂所需的因此材料的韧性得到提高。同时，分叉转向大得多，

形成的微裂纹由于增加了断裂表面，吸收了更多能量，因此形成了冲击能量的耗散机制，从而起到了增韧作用。

通过对不同配方纳米复合材料试样的力学性能测试、耐磨耐冲击试验和微观组织结构分析等，可知加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３可提高材料的耐磨性能和耐且加入稀土也可提高材料的综合性能，并确冲击性，

定纳米复合材料的最佳配方为ＹＧ８ａＥ

。－－Ｒ

等缺陷，从而使冲击磨损条件下材料的耐磨性不稳定，如图１中ＹＧ８ｂ的磨损率曲线出现较大波动。－同时，材料受外力作用时，在缺陷处易引起应力集产生微裂纹，韧性降低。加入稀土后，材料的浸中，

润性得到有效改善，减小了空隙率，提高了致密度，从而提高了综合性能。１．５　试样的断口形貌分析

试样的断口形貌扫描电镜照片如图３所示（两。从图中３（）（）与图３可组照片为不同放大倍数）ａｂ（见：属于脆性断裂。而１）ＹＧ８的断口表面平整，有类似韧窝的花纹，是明ＹＧ８ａＥ的断口较光滑，－－Ｒ

））显的穿晶断裂的特征。（从图３（与图３（则２）ａ＇ｂ＇数量少；可见：ＹＧ８的裂纹长而宽且向纵深发展，－分支ＹＧ８ａＥ纳米复合材料的裂纹则细小而短，－－Ｒ

数量多，主要分布于表面。较多，

试样断口形貌表明，加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３后，复合材料的断裂形式由以沿晶断裂为主转向以穿晶断裂为主，这是由于纳米Ａｌ２Ｏ３粒子的局部晶界强度特别高，当材料内部裂纹扩展遇到纳米Ａｌ２Ｏ３粒

图３　试样断口形貌的ＳＥＭ照片

ｈｏｔｏｒａｈｓＦｉ．３　ＳＥＭｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｈｏｌｏｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　　ｐｇｐｇｐｇｙｐ　

）、（）（）、（）ａｂＹＧ８；ａ＇ｂ＇ＹＧ８ａＥ　（－－Ｒ

６４

稀　有　金　属　与　硬　质　合　金第３９卷

２　纳米复合材料钻齿的性能

目前，空气冲旋钻齿材料为硬质合金，而钻齿的磨损和断裂，降低了钻头的使用寿命，增加了钻井成本。磨损和断裂产生的主要原因是硬质合金材料自身性能（耐磨性、耐冲击性）不能满足空气冲旋钻井

８，９］

。为此，复杂工况的要求［将纳米复合材料（以下

专指ＹＧ制成钻齿并装配成钻头，进行模拟８ａＥ）－－Ｒ空气冲旋钻井复杂工况的室内试验及现场钻试验，与普通硬质合金（钻齿比较，验证纳米复合材ＹＧ８）料钻齿的耐磨性和耐冲击性。２．１　冲击磨料磨损试验研究

在冲击磨料磨损的条件下测试钻齿的磨损量。试验结果如图４所示。由图可见，与ＹＧ８钻齿相

比，纳米复合材料钻齿的磨损量小很多，耐磨性能大约提高了２～４倍。纳米复合材料钻齿的磨损试验结果和１．３中对应材料试样ＹＧ８ａＥ的磨损结果－－Ｒ是相吻合的

。

图５　不同钻齿的冲击剥落时间

ｉ．５　Ｉｍａｃｔｓａｌｌｉｎｔｉｍｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｌｌｔｅｅｔ

ｈ　　Ｆ－　　　　ｇｐｐｇ　

））图６　Ｙ和纳米复合材料钻齿（的剥落坑形貌Ｇ８钻齿（ａｂ）Ｆｉ．６　ＭｉｃｒｏｒａｈｓｏｆｓａｌｌｉｎｉｔｓｏｎＹＧ８ｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ（ａ　　　　　ｇｇｐｐｇｐ　

）ａｎｄｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ（ｂ　－　　ｐ

块的剥落。

３　钻头的现场试验及项目验收

图４　不同材料钻齿的磨损率曲线

Ｆｉ．４　Ｗｅａｒｒａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｒｅａｒｅｄ　　　　　　　　－ｇｐｐ

ｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ　

通过协作单位（中国石油东方地球物理公司）于２００９年１０月在陕西韩城北的宜川山地煤层进行现

场应用试验，三只装有纳米复合材料钻齿的潜孔锤与原装有ＹＧ其破岩效率平均提８钻齿的钻头相比，高了２使用寿命提高了８０％，０％。现场应用的效果表明，研制的新型纳米复合材料有效解决了空气冲旋钻齿易失效问题，从而延长了钻头使用寿命，大大降低了钻井成本。

中国石油科技管理部门组２０１０年４月１３日，

织专家对本项目进行了验收，验收评价等级为优，并一致肯定了应用纳米技术提高硬质合金材料强度性能这一全新方法。专家们认为，本纳米复合材料试验研究，掌握了纳米Ａｌ２Ｏ３添加量对材料性能的影响规律，确定了纳米复合材料最优配方为ＹＧ８ａ－－所研制新型纳米复合材料的耐磨性和耐冲击性ＲＥ，

２．２　冲击试验研究

在试验机上反复冲击钻齿，直至钻齿出现第一次冲击剥落，记录该冲击剥落所需时间（简称冲击剥落时间）和冲击剥落坑形貌，试验结果如图５所示。图６则为ＹＧ８硬质合金钻头齿和纳米复合材料钻头齿的冲击剥落坑的扫描电镜照片。

从图５可以看出，ＹＧ８钻齿的冲击剥落时间约为２而纳米复合材料钻齿的冲击剥落时间约为９ｈ，纳米复合材料钻齿的耐冲击性大约提高了４４ｈ，

４７％。

从图６可以看出，纳米复合材料齿的剥落坑深度和面积小，数量少，而对应的ＹＧ８钻齿则出现

大

　第１期等：纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌ　黄志强，２Ｏ３－

（）：导报，２００５，１９１０６８７１．－

６５

明显提高。

４　结论及展望

（）在ＷＣ１Ｃｏ基体中加入纳米Ａｌ－２Ｏ３能够细化

使材料组织结构更加均匀，耐磨性能提高，而晶粒，

使得材料的断裂形式由且增强了ＷＣ晶界的强度，

起到增强补韧的作用。同沿晶断裂转为穿晶断裂，

时，加入稀土也提高了材料的综合性能。

（）将纳米复合材料制成钻头进行试验，并装配２

成钻头进行了现场试验，与硬质合金齿的钻头相比，其破岩效率提高了２使用寿命提高了８０％，０％。）（应继续深入进行纳米复合材料的研究，进一３

步提高材料的耐磨性和耐冲击性能，并大力推广其以满足现有空气冲在石油勘探开发行业中的应用，

旋钻头硬质合金齿及牙轮钻齿、扶正器、钻杆、钻铤等对材料性能的更高要求。参考文献：

［］张建兵，］李小强．高性能ＷＣ合金的研究进展［材料１Ｊ．

［］易　勇，熊　继．硬质合金抗弯强度及其分散性的研究２

［］（）：工具技术，Ｊ．２００２，１０１６１８．－

［］周永辉，）艾　兴．３ＡｌＷ，ＴｉＣ纳米复合陶瓷材料的２Ｏ３（

］，山东大学学报（工业版）力学性能与强韧化机理［Ｊ．（）：２００８，３８１１４．－

［］周永辉，）艾　兴．４ＡｌＷ，ＴｉＣ纳米复合陶瓷材料的２Ｏ３（

］（）：显微结构［人工晶体学报，Ｊ．２００８，３７４８０９８１３．－［］王　志，／纳米Ｚ赵　军．５ＦＭｒＯ２增韧氧化铝陶瓷复合材

］：人工晶体学报，增刊）料的力学性能［Ｊ．２００９，３８（２３８－２４１．

［］师瑞霞，／尹　衍．６Ｃｏ包覆ＡｌＴｉＣ复合材料的烧结性２Ｏ３

］（）：能［人工晶体学报，Ｊ．２００８，３７３７５３７５８．－

［］赵　军，王　志．纳米Ａ７ｌ２Ｏ３对氧化铝陶瓷力学性能及微

］，观结构的影响［济南大学学报（自然科学版）Ｊ．２００９，（）：２３２１３９１４０．－

［］李　琴，］黄志强．地质勘探钻头失效分析［西南石油８Ｊ．

（）：学院学报，２００４，２６４７３７７．－

［］陶兴华，张建龙，曾义金．石油旋冲钻井技术研究及应用９

［］（）：石油钻采工艺，Ｊ．１９９８，２０２２７３０．－

檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴（上接第４７页）

单面冷却铸锭或双面冷却铸锭；要制备更高性能的，磁体（如牌号为Ｎ则铸锭必须采用Ｓ５０以上）Ｃ工艺处理

［１，５］

参考文献：

［］王鹏飞，李红卫，于敦波，等．铸锭方式和热处理对Ｎ１ｄ１２．６

］稀有金属，ＦｅＢａＪ．２００７，３１８１６Ｇ０．４合金微观组织的影响［（）：５６１０６１４．－

［］王占勇，温艳玲，谷南驹，等．烧结Ｎ２ｄＦｅＢ的铸锭组织分

］（）：析［磁性材料及器件，Ｊ．２００２，３３１７１０．－

［］闫俊萍，任惠平，王玉峰．３ＮｄＦｅＢ合金铸锭组织及均匀化

］（）：退火［稀土，Ｊ．２００４，２５１７０７２．－

［］周仲成，刘国征，刘树峰，等．４Ｎｄｅ－Ｆ－Ｂ系铸锭显微结构的

］（）：研究［稀土，Ｊ．２００５，２６２２６２８．－

［］杨　刚，刘　颖，高升吉，等．铸锭方式对Ｎ５ｄＦｅＢ合金铸

］（）：锭显微结构的影响［金属功能材料，Ｊ．２００４，１１２５７．－［］曾振鹏．］烧结Ｎ稀有金属６ｄＦｅＢ永磁材料的断裂研究［Ｊ．

（）：材料与工程，１９９６，２５３１８２１．－

。

４　结　论

（）与单面冷却铸锭相比，双面冷却铸锭的冷却１

晶粒较均匀，效果更好，Ｆｅ相较少。α－

（）由双面冷却铸锭制成的磁体组织较为均匀，２

但其磁性能与由单面冷却铸锭制成的磁体相比差别不大。前者的剩余磁通密度Ｂ内．０２Ｔ，ｒ比后者高０／禀矫顽力Ｈｃ最大磁能积（．５ｋＡｍ，ＢＨ）ｍ高ｊ大２３／。２．８ｋＪｍ

第３９卷第１期　２０１１年３月　　　稀有金属与硬质合金

ＲａｒｅＭｅｔａｌｓａｎｄＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅｓ　　　　

Ｖｏｌ．３９　№．１

０１１Ｍａｒ．　２　　　

纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌＯ２３－

黄志强１，李　伟１，李　琴１，郭恩宏２，邱成松１

（西南石油大学天然气装备教育部重点实验室，四川成都６１．１０５００；）中国石化天然气分公司金坛储气库项目部，江苏金坛２２．１３０００

对几种配方的纳米Ａ硬质合金复合材ｏ基体中加入纳米Ａｌｌ　　摘　要：基于在ＷＣ－Ｃ２Ｏ３强化硬质合金性能的设想，２Ｏ３－

料进行了力学性能测试、耐磨耐冲击试验和微观组织结构的分析研究。结果表明，加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３不但可细化

合金晶粒，使材料组织结构更加均匀，耐磨性能提高，而且增强了ＷＣ晶界的强度，使得材料的断裂形式由沿晶断裂

起到增强补韧的作用。同时，加入稀土也提高了材料的综合性能。将纳米复合材料制成钻齿并装配转向穿晶断裂，

成钻头进行了现场试验，与硬质合金齿钻头相比，其破岩效率提高２使用寿命提高８０％，０％。纳米Ａ耐磨性能；增强补韧；显微组织结构ｌ　　关键词：ＷＣ；２Ｏ３；

（）ＴＦ１２５．３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００４０５３６２０１１０１００６１０５　　中图分类号：　－－－

／ＥｘｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｏｍｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｏｆＮａｎｏｌＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅ　　　　　　　－Ａ　ｐｐ２Ｏ３

１１１２１

，ＨＵＡＮＧＺｈｉｉａｎＬＩＷｅｉＬＩＱｉｎＧＵＯＥｎｈｏｎＱＩＵＣｈｅｎｓｏｎ　－ｑ　　，　　－　－ｇ，ｇｇｇ，

（，，１．ＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＮａｔｕｒａｌＧａｓＥｕｉｍｅｎｔＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ　　　　　ｙｙｙｑｐｙ　　　

；Ｃｈｅｎｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ　ｇ

，）２．ＪｉｎｔａｎＰｒｏｅｃｔＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＧａｓＳｔｏｒａｅＳｉｎｏｅｃＮａｔｕｒａｌＧａｓＢｒａｎｃｈ，Ｊｉｎｔａｎ２１３０００，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　　ｊｐｇｐ

：ＡｂｓｔｒａｃｔＡｄｄｉｎｎａｎｏｌｎｔｏＷＣＣｏｓｕｂｓｔｒａｔｅｍａｂｅｕｓｅｆｕｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｅｍｅｎｔｅｄ－Ａ　－　　　　　　　　　ｇｙｐ２Ｏ３ｉ　　

，，ｃａｒｂｉｄｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｖｉｅｗ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｅｒｔｉｅｓｗｅａｒａｎｄｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　　　　　ｐｐ／ｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｎａｎｏｌｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍｕｌａｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　－Ａ　　　　　　ｐｇ２Ｏ３

，ｒｏｅｒｒａｉｎｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｄｄｉｎｎａｎｏｌｏｔｏｎｌｒｅｆｉｎｅｓａｌｌｏａｎｄｉｍｒｏｖｅｓｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｉ　　　　－Ａ　　　　　－ｐｐｇｇｙｙｐ２Ｏ３ｎ　　　，ｒａｉｎｆｏｒｍｉｔａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｂｕｔａｌｓｏｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｓｔｒｅｎｔｈｏｆＷＣｂｏｕｎｄａ　　　　　　　　　　　　　　－ｇｙｐｇ　

ｒｗｈｉｃｈａｒｏｌｅｏｆｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎａｎｄｔｏｕｈｅｎｉｎａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｆｏｒｍｓｈｉｆｔｆｒｏｍｉｎｔｅｒｒａｎｕｌａｒｌａｓ　　　　　　　　　　　　　ｙ，ｇｇｇｇｇｐｙ　　，ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｔｒａｎｓｒａｎｕｌａｒｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅａｄｄｉｎｒａｒｅｅａｒｔｈａｌｓｏｉｍｒｏｖｅｓｔｈｅ　　　　　　　　　　　ｇｐｇｐ　ｃｏｍｒｅｈｅｎｓｉｖｅｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈｍａｄｅｗｉｔｈｔｈｅｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　　　　　　－　ｐｐｐｐａｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｄｉｎｔｏａｄｒｉｌｌｂｉｔｔｈａｔｉｓｔｈｅｎｔｅｓｔｅｄｉｎｓｉｔｕ．Ｃｏｍａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔａｓｓｅｍｂｌｅｄｗｉｔｈｃｅｍｅｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ，ｔｈｅａｂｏｖｅｄｒｉｌｌｂｉｔｉｓｏｆ２０％ｈｉｈｅｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃａｎｄ８０％ｌｏｎｅｒｓｅｒｖｉｃｅ　　　　　　　　　　　　　ｇｇｙｇ　　ｌｉｆｅ．

：；；ＫｅｗｏｒｄｓＷＣ；ｎａｎｏｌｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎａｎｄｔｏｕｈｅｎｉｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－Ａ　　ｇｇｇｇ２Ｏ３；ｙ　高强度、高耐磨性、强抗　　硬质合金具有高硬度、

腐蚀性和热膨胀系数低等优点，目前已大量应用于切削刀具、钻齿和矿石破碎机械等，是金属加工，石

收稿日期：２０１００５１７－－

）基金项目：中国石油科技创新基金研究项目（２００８Ｄ５００６０３１２－－－

：通讯作者：黄志强（男，教授，博导，从事石油天然气钻采装备、冲旋钻井装备及工艺和设备表面工程的研究工作，１９６８Ｅ－ｍａｉｌｈｕａｎｚｗ－－）ｇｑ＠ｓ

ｕ．ｅｄｕ．ｃｎｐ

］１４－

。然油钻探、矿山开采等不可缺少的重要材料［

而，普通硬质合金的耐磨性和韧性存在相互矛盾，即

５，６］

。其韧性的提高将使耐磨性降低［试验表明，在

６２

稀　有　金　属　与　硬　质　合　金

表２　试样的主要物理、力学性能

第３９卷

硬质合金基体中适当加入纳米粒子，复合材料的硬

７］

。本文在ＷＣ度、耐磨性、韧性均有明显提高［Ｃｏ－

基体中加入纳米Ａ抑制剂及稀土，研究了纳米ｌ２Ｏ３、

ｈｓｉｃａｌｒｏｅｒｔｉｅｓａｂｌｅ２　Ｍａｉｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｏｆ　　Ｔ　　　　　　ｐｙｐｐ

ｓａｍｌｅｓｐ

试样编号ＹＧ８　ＹＧ８ａ－　ＹＧ８ａＥ－－Ｒ　ＹＧ８ｂ－　ＹＧ８ｂＥ－－Ｒ　

密度·ｃｍ－３ｇ１４．８８　１３．５３　１３．８２　１０．８８　１１．１３　

硬度ＨＲＡ８９．０　９０．６　９１．４　８５．５　８６．３　

抗弯强度ＭＰａ１４９３　　１６３０　　１７１０　　１３５１　　１３８６　　

冲击韧性·ｍ－２ｋＪ２５３１３６２４２

６

复合材料的几种配方，通过试样的性能测试、冲击磨料磨损试验研究和微观组织结构观察，分析了纳米硬质合金复合材料（以下简称纳米复合材料）Ａｌ２Ｏ３－

的强化机理，确定了纳米复合材料最优配方，为纳米复合材料的进一步研究及推广应用奠定基础。

１　纳米复合材料的制备与性能

１．１　试样的制备

选用空气冲旋钻齿中常用的ＹＧ８为基体材料，选用纳米ＡｌＣ晶界的强２Ｏ３为增强相以用于增强Ｗ度，选用ＶＣ抑制剂以抑制复合材料中晶粒及杂质加入一定量Ｙ（的长大。此外，ＮＯ６Ｈ２Ｏ稀土３）３·化合物，用于改善复合材料的浸润性，减小材料的空隙率，提高致密度。按研制的纳米复合材料配方（参）见表１配料，经混料、压坯成形、烧结及表面处理等工艺制备，得到纳米复合材料试样。

表１　纳米复合材料的配方Ｔａｂｌｅ１　Ｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｓ　　　－ｐ

试样编号

ＹＧ８ａＹＧ８－ＹＧ８ａＥ　－－ＲＹＧ８ｂ　－ｂＥ　ＹＧ８－－Ｒ

试样配方ＷＣ＋Ｃｏ

ＷＣ＋Ｃｏ＋ａ％ＡｌＣ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ａ％ＡｌＣ＋ＲＥ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ｂ％ＡｌＣｅ２Ｏ３＋ＶＷＣ＋Ｃｏ＋ｂ％ＡｌＣ＋ＲＥ２Ｏ３＋Ｖ

图１　试样的磨损率曲线Ｆｉ．１　Ｗｅａｒｒａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　ｇｐ

（）对试验结果分析可知：五条磨损率曲线明显１分为上、下两个区域，相比之下，ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａ－－－

说明加入纳米ＡＲＥ的磨损率要小很多，ｌ２Ｏ３的量并（不是越多越好，而是有个合理的值；对比同类试２）样的磨损率曲线可以发现，加入稀土的试样其耐磨（）性有所提高；３ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａＥ的磨损率曲线－－－Ｒ较为平缓，而其余三条磨损率曲线的波动较大，这可能与相关材料的组织结构有关。

１．４　试样的磨损形貌及组织结构分析

试样经冲击磨料磨损后，其表面形貌及内部组织结构的扫描电镜照片如图２所示。

通过扫描电镜照片分析试样的组织结构和磨损（）组织结构方面，微观形貌可知：１ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａ－－－组织结构均匀、致密，冶金融合性ＲＥ的晶粒细小，

没有明显的空洞等缺陷；而ＹＧ好，８ｂ和ＹＧ８ｂ－－－不均匀，组织结构疏松，空隙率高，ＲＥ的晶粒粗大，纳米粒子与ＷＣ并且在Ｃｏ的连接界面相当松散，－）界面上出现了大量的孔洞。（磨损微观形貌方面，２很浅的推挤ＹＧ８ａ和ＹＧ８ａＥ的形貌是以很轻、　－－－Ｒ

、，确定值）且ａｂ为纳米Ａｌ３添加量（ＲＥ为稀土。　 ａ＜ｂ；２Ｏ

力学性能测试及分析１．２　试样的物理、

对试样的主要物理及力学性能进行测试，结果见表２。

（）对表２数据进行分析可得出以下几点结论：１加入纳米Ａ复合材料的密度降低（因Ａｌｌ２Ｏ３后，２Ｏ３，（的密度远小于ＷＣ的密度）比强度提高；随着２）

纳米Ａ复合材料的硬度、抗弯强ｌ２Ｏ３加入量的增加，度和冲击韧性先增大后减小，说明纳米Ａｌ２Ｏ３的加

（）入应适量；加入稀土后复合材料的密度、硬度、抗３弯强度和冲击韧性均有所提高。１．３　试样的冲击磨料磨损试验研究

在冲击磨料磨损条件下测试试样的磨损量，所得磨损率（单位时间的磨损量）曲线如图１所示。

　第１期等：纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌ　黄志强，２Ｏ３－

６３

图２　试样磨损形貌及组织结构的ＳＥＭ照片

Ｆｉ．２　ＳＥＭｈｏｔｏｒａｈｓｏｆｗｅａｒｍｏｒｈｏｌｏａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　　　ｇｐｇｐｐｇｙｐ　

（）（）；（）；（）；（）ａＹＧ８；ｂＹＧ８ａｃＹＧ８ａｅｄＹＧ８ｂｅＹＧ８ｂｅ－－－Ｒ－－－Ｒ

擦痕和很小的冲击剥落为主，而ＹＧ８ｂ和ＹＧ８ｂ－－－ＲＥ的表面形貌则是以较大的冲击脆性剥落和疏松

的犁沟为主。

分析认为，加入纳米Ａ使材ｌ２Ｏ３可以细化晶粒，料的组织变得更均匀，提高材料的硬度和耐磨性；但纳米Ａ若含量过多易在烧结过程ｌ２Ｏ３的活性较高，

４］

，使复合材料组织不均匀并产生空洞中形成团聚［

子时受阻，在外力作用下裂纹进入相对较弱的ＷＣ

晶内，形成穿晶断裂，或是分叉转向形成更多的微裂纹。由于穿晶断裂所需的能量要比沿晶断裂所需的因此材料的韧性得到提高。同时，分叉转向大得多，

形成的微裂纹由于增加了断裂表面，吸收了更多能量，因此形成了冲击能量的耗散机制，从而起到了增韧作用。

通过对不同配方纳米复合材料试样的力学性能测试、耐磨耐冲击试验和微观组织结构分析等，可知加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３可提高材料的耐磨性能和耐且加入稀土也可提高材料的综合性能，并确冲击性，

定纳米复合材料的最佳配方为ＹＧ８ａＥ

。－－Ｒ

等缺陷，从而使冲击磨损条件下材料的耐磨性不稳定，如图１中ＹＧ８ｂ的磨损率曲线出现较大波动。－同时，材料受外力作用时，在缺陷处易引起应力集产生微裂纹，韧性降低。加入稀土后，材料的浸中，

润性得到有效改善，减小了空隙率，提高了致密度，从而提高了综合性能。１．５　试样的断口形貌分析

试样的断口形貌扫描电镜照片如图３所示（两。从图中３（）（）与图３可组照片为不同放大倍数）ａｂ（见：属于脆性断裂。而１）ＹＧ８的断口表面平整，有类似韧窝的花纹，是明ＹＧ８ａＥ的断口较光滑，－－Ｒ

））显的穿晶断裂的特征。（从图３（与图３（则２）ａ＇ｂ＇数量少；可见：ＹＧ８的裂纹长而宽且向纵深发展，－分支ＹＧ８ａＥ纳米复合材料的裂纹则细小而短，－－Ｒ

数量多，主要分布于表面。较多，

试样断口形貌表明，加入适量的纳米Ａｌ２Ｏ３后，复合材料的断裂形式由以沿晶断裂为主转向以穿晶断裂为主，这是由于纳米Ａｌ２Ｏ３粒子的局部晶界强度特别高，当材料内部裂纹扩展遇到纳米Ａｌ２Ｏ３粒

图３　试样断口形貌的ＳＥＭ照片

ｈｏｔｏｒａｈｓＦｉ．３　ＳＥＭｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｈｏｌｏｏｆｓａｍｌｅｓ　　　　　ｐｇｐｇｐｇｙｐ　

）、（）（）、（）ａｂＹＧ８；ａ＇ｂ＇ＹＧ８ａＥ　（－－Ｒ

６４

稀　有　金　属　与　硬　质　合　金第３９卷

２　纳米复合材料钻齿的性能

目前，空气冲旋钻齿材料为硬质合金，而钻齿的磨损和断裂，降低了钻头的使用寿命，增加了钻井成本。磨损和断裂产生的主要原因是硬质合金材料自身性能（耐磨性、耐冲击性）不能满足空气冲旋钻井

８，９］

。为此，复杂工况的要求［将纳米复合材料（以下

专指ＹＧ制成钻齿并装配成钻头，进行模拟８ａＥ）－－Ｒ空气冲旋钻井复杂工况的室内试验及现场钻试验，与普通硬质合金（钻齿比较，验证纳米复合材ＹＧ８）料钻齿的耐磨性和耐冲击性。２．１　冲击磨料磨损试验研究

在冲击磨料磨损的条件下测试钻齿的磨损量。试验结果如图４所示。由图可见，与ＹＧ８钻齿相

比，纳米复合材料钻齿的磨损量小很多，耐磨性能大约提高了２～４倍。纳米复合材料钻齿的磨损试验结果和１．３中对应材料试样ＹＧ８ａＥ的磨损结果－－Ｒ是相吻合的

。

图５　不同钻齿的冲击剥落时间

ｉ．５　Ｉｍａｃｔｓａｌｌｉｎｔｉｍｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｌｌｔｅｅｔ

ｈ　　Ｆ－　　　　ｇｐｐｇ　

））图６　Ｙ和纳米复合材料钻齿（的剥落坑形貌Ｇ８钻齿（ａｂ）Ｆｉ．６　ＭｉｃｒｏｒａｈｓｏｆｓａｌｌｉｎｉｔｓｏｎＹＧ８ｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ（ａ　　　　　ｇｇｐｐｇｐ　

）ａｎｄｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈ（ｂ　－　　ｐ

块的剥落。

３　钻头的现场试验及项目验收

图４　不同材料钻齿的磨损率曲线

Ｆｉ．４　Ｗｅａｒｒａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｒｉｌｌｔｅｅｔｈｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｒｅａｒｅｄ　　　　　　　　－ｇｐｐ

ｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ　

通过协作单位（中国石油东方地球物理公司）于２００９年１０月在陕西韩城北的宜川山地煤层进行现

场应用试验，三只装有纳米复合材料钻齿的潜孔锤与原装有ＹＧ其破岩效率平均提８钻齿的钻头相比，高了２使用寿命提高了８０％，０％。现场应用的效果表明，研制的新型纳米复合材料有效解决了空气冲旋钻齿易失效问题，从而延长了钻头使用寿命，大大降低了钻井成本。

中国石油科技管理部门组２０１０年４月１３日，

织专家对本项目进行了验收，验收评价等级为优，并一致肯定了应用纳米技术提高硬质合金材料强度性能这一全新方法。专家们认为，本纳米复合材料试验研究，掌握了纳米Ａｌ２Ｏ３添加量对材料性能的影响规律，确定了纳米复合材料最优配方为ＹＧ８ａ－－所研制新型纳米复合材料的耐磨性和耐冲击性ＲＥ，

２．２　冲击试验研究

在试验机上反复冲击钻齿，直至钻齿出现第一次冲击剥落，记录该冲击剥落所需时间（简称冲击剥落时间）和冲击剥落坑形貌，试验结果如图５所示。图６则为ＹＧ８硬质合金钻头齿和纳米复合材料钻头齿的冲击剥落坑的扫描电镜照片。

从图５可以看出，ＹＧ８钻齿的冲击剥落时间约为２而纳米复合材料钻齿的冲击剥落时间约为９ｈ，纳米复合材料钻齿的耐冲击性大约提高了４４ｈ，

４７％。

从图６可以看出，纳米复合材料齿的剥落坑深度和面积小，数量少，而对应的ＹＧ８钻齿则出现

大

　第１期等：纳米Ａ硬质合金复合材料试验研究ｌ　黄志强，２Ｏ３－

（）：导报，２００５，１９１０６８７１．－

６５

明显提高。

４　结论及展望

（）在ＷＣ１Ｃｏ基体中加入纳米Ａｌ－２Ｏ３能够细化

使材料组织结构更加均匀，耐磨性能提高，而晶粒，

使得材料的断裂形式由且增强了ＷＣ晶界的强度，

起到增强补韧的作用。同沿晶断裂转为穿晶断裂，

时，加入稀土也提高了材料的综合性能。

（）将纳米复合材料制成钻头进行试验，并装配２

成钻头进行了现场试验，与硬质合金齿的钻头相比，其破岩效率提高了２使用寿命提高了８０％，０％。）（应继续深入进行纳米复合材料的研究，进一３

步提高材料的耐磨性和耐冲击性能，并大力推广其以满足现有空气冲在石油勘探开发行业中的应用，

旋钻头硬质合金齿及牙轮钻齿、扶正器、钻杆、钻铤等对材料性能的更高要求。参考文献：

［］张建兵，］李小强．高性能ＷＣ合金的研究进展［材料１Ｊ．

［］易　勇，熊　继．硬质合金抗弯强度及其分散性的研究２

［］（）：工具技术，Ｊ．２００２，１０１６１８．－

［］周永辉，）艾　兴．３ＡｌＷ，ＴｉＣ纳米复合陶瓷材料的２Ｏ３（

］，山东大学学报（工业版）力学性能与强韧化机理［Ｊ．（）：２００８，３８１１４．－

［］周永辉，）艾　兴．４ＡｌＷ，ＴｉＣ纳米复合陶瓷材料的２Ｏ３（

］（）：显微结构［人工晶体学报，Ｊ．２００８，３７４８０９８１３．－［］王　志，／纳米Ｚ赵　军．５ＦＭｒＯ２增韧氧化铝陶瓷复合材

］：人工晶体学报，增刊）料的力学性能［Ｊ．２００９，３８（２３８－２４１．

［］师瑞霞，／尹　衍．６Ｃｏ包覆ＡｌＴｉＣ复合材料的烧结性２Ｏ３

］（）：能［人工晶体学报，Ｊ．２００８，３７３７５３７５８．－

［］赵　军，王　志．纳米Ａ７ｌ２Ｏ３对氧化铝陶瓷力学性能及微

］，观结构的影响［济南大学学报（自然科学版）Ｊ．２００９，（）：２３２１３９１４０．－

［］李　琴，］黄志强．地质勘探钻头失效分析［西南石油８Ｊ．

（）：学院学报，２００４，２６４７３７７．－

［］陶兴华，张建龙，曾义金．石油旋冲钻井技术研究及应用９

［］（）：石油钻采工艺，Ｊ．１９９８，２０２２７３０．－

檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴（上接第４７页）

单面冷却铸锭或双面冷却铸锭；要制备更高性能的，磁体（如牌号为Ｎ则铸锭必须采用Ｓ５０以上）Ｃ工艺处理

［１，５］

参考文献：

［］王鹏飞，李红卫，于敦波，等．铸锭方式和热处理对Ｎ１ｄ１２．６

］稀有金属，ＦｅＢａＪ．２００７，３１８１６Ｇ０．４合金微观组织的影响［（）：５６１０６１４．－

［］王占勇，温艳玲，谷南驹，等．烧结Ｎ２ｄＦｅＢ的铸锭组织分

］（）：析［磁性材料及器件，Ｊ．２００２，３３１７１０．－

［］闫俊萍，任惠平，王玉峰．３ＮｄＦｅＢ合金铸锭组织及均匀化

］（）：退火［稀土，Ｊ．２００４，２５１７０７２．－

［］周仲成，刘国征，刘树峰，等．４Ｎｄｅ－Ｆ－Ｂ系铸锭显微结构的

］（）：研究［稀土，Ｊ．２００５，２６２２６２８．－

［］杨　刚，刘　颖，高升吉，等．铸锭方式对Ｎ５ｄＦｅＢ合金铸

］（）：锭显微结构的影响［金属功能材料，Ｊ．２００４，１１２５７．－［］曾振鹏．］烧结Ｎ稀有金属６ｄＦｅＢ永磁材料的断裂研究［Ｊ．

（）：材料与工程，１９９６，２５３１８２１．－

。

４　结　论

（）与单面冷却铸锭相比，双面冷却铸锭的冷却１

晶粒较均匀，效果更好，Ｆｅ相较少。α－

（）由双面冷却铸锭制成的磁体组织较为均匀，２

但其磁性能与由单面冷却铸锭制成的磁体相比差别不大。前者的剩余磁通密度Ｂ内．０２Ｔ，ｒ比后者高０／禀矫顽力Ｈｃ最大磁能积（．５ｋＡｍ，ＢＨ）ｍ高ｊ大２３／。２．８ｋＪｍ