硬质合金钮扣表面后处理技术的优点及应用

一、硬质合金钮扣表面后处理的优点

在使用潜孔 (DTH) 钻头在高硬度（岩石硬度系数 f = 14-16 和高磨蚀性岩层）中进行钻探作业时，硬质合金球齿持续承受剧烈的冲击载荷、切削作用以及硬质岩石引起的磨料磨损。

传统的制造工艺通常导致硬质合金球齿具有不利的表面应力条件、表面层致密化不足以及相对较低的断裂韧性。在连续循环载荷下，微裂纹很容易产生和传播，导致球齿崩裂、断裂和过度磨损等失效模式，最终导致潜孔钻头过早失效。频繁更换钻头不仅会显着增加采矿作业的消耗品成本，还会对生产连续性和运营效率产生不利影响。

与主要侧重于优化碳化物成分或调整烧结参数的传统方法（通常只能提供有限的性能改进）不同，表面后处理技术通过机械表面塑性变形来增强表面层的微观结构和应力状态。这从根本上提高了硬质合金球齿的耐磨性和抗断裂性。

主要优点如下：

(1) 在不改变基板材料的情况下提高性能

该工艺不需要对硬质合金基体的成分进行任何修改。相反，通过表面层的机械强化可以实现显着的性能改进。

(2)表面应力状态优化

引入稳定的残余压应力层，有效抵消钻井作业过程中产生的交变拉应力。这抑制了表面微裂纹的产生和扩展，增强了抗疲劳冲击能力，并降低了瞬时冲击载荷下脆性断裂的风险。

(3)增加表面硬度和耐磨性

机械强化使硬质合金球齿相对多孔的表面结构致密化，同时细化碳化物晶粒结构，从而形成致密、高硬度的强化表面层，具有优异的耐磨性和耐侵蚀性。

(4) 提高断裂韧性（KIC）

机械强化修复原有微观表面缺陷，优化表面应力场，钝化裂纹尖端，有效抑制裂纹扩展，显着提高硬质合金球齿的断裂韧性（KIC）。


二.对比测试

1. 测试条件

现场试验在国内某大型钨钼矿山进行。矿体为致密、坚硬的钨钼矿石，岩石硬度系数f=14-16。该地层表现出优异的完整性和极高的磨蚀性，代表了钻头磨损严重的最苛刻的钻井环境之一。

2. 测试结果

硬质合金后处理：

与标准硬质合金相比，后处理硬质合金实现了钻头整体使用寿命提高10%、钻进性能更稳定、钻进效率更高、球齿断裂率降低20%。

表面后处理技术通过机械强化和塑性变形增强硬质合金球齿表层，有效优化其力学性能和表面应力状态。从而从根本上提高了潜孔钻头硬质合金球齿的耐磨性和冲击韧性，有效解决了高硬度岩层中快速磨损和球齿断裂的主要失效机制。