PDC刀具的深冷處理

PDC刀具是採用高溫高壓（HTHP）技術將鑽石粉末與硬質合金基體燒結而成的一種性能優異的複合材料。

PDC刀具具有良好的導熱性、超高硬度和耐磨性，以及高強度、高衝擊韌性、易於焊接等優點。

聚晶鑽石層由硬質合金基體支撐，可以吸收較大的衝擊負荷，避免工作過程中的嚴重損壞。因此，PDC被廣泛用於製造切削工具、地質鑽頭和油氣井鑽頭以及其他耐磨工具。

在石油天然氣鑽井領域，總鑽井進尺的90%以上是由PDC鑽頭完成的。 PDC鑽頭通常用於軟至中硬岩層鑽探。深井鑽進還有壽命短、機械鑽速低的問題。

在深層複雜地層中，PDC鑽頭的工作條件非常惡劣。複合件的失效形式主要有鑽頭受到較大衝擊負荷時產生的斷齒、崩刃等宏觀斷裂，以及井底溫度過高導致複合件等。片材耐磨性降低導致PDC複合片材熱磨損。 PDC複合片的上述失效將極大地影響其使用壽命和鑽井效率。

什麼是低溫處理？

深冷處理是傳統加熱的延伸。它採用液態氮等冷媒作為冷卻介質，將物料冷卻至遠低於室溫（-100~-196℃）的溫度，以增強其性能。

現有的許多研究表明，深冷處理可以大大提高鋼、鋁合金等材料的機械性能。經過深冷處理後，這些材料會發生沉澱強化現象。深冷處理可提高硬質合金刀具的抗彎強度、耐磨性和切削性能，同時有效提高使用壽命。相關研究也表明，深冷處理可以提高鑽石顆粒的靜態抗壓強度，強度提高的主要原因是殘餘應力狀態的改變。

但是，我們能否透過深冷處理來提高PDC刀具的性能呢？目前相關研究還很少。

深冷處理方法

一種PDC刀具的深冷處理方法，操作步驟為：

(1)將室溫下的PDC刀具放入深冷處理爐；

(2)開啟深冷處理爐，通入液態氮，利用溫度控制，以-3℃/min的速率將深冷處理爐內溫度降至-30℃；當溫度達到-30℃時，則降至-1℃/min。降至-120℃；溫度達到-120℃後，以-0.1℃/min的速度降溫至-196℃；

(3)-196℃保存24小時；

(4)然後以0.1℃/min的速率升溫至-120℃，再以1℃/min的速率降溫至-30℃，最後以1℃/min的速率降溫至室溫3℃/分鐘；

(5)重複上述操作兩次，完成PDC刀具的深冷處理。

對深冷處理的PDC刀具和未處理的PDC刀具進行砂輪磨損率測試。測試結果顯示，磨損率分別為338萬次和480萬次。測試結果表明，經過深冷處理的PDC刀具的磨損率明顯低於未經深冷處理的PDC刀具。

此外，將深冷處理和未處理的PDC複合片焊接到基體上，並在相鄰井的同一段以相同的鑽井參數鑽探200m。使用深冷處理的PDC鑽頭的機械鑽進速度比未使用深冷處理的PDC刀具的鑽頭機械鑽進速度提高27.8%。

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