对于PDC齿和PDC钻头制造方面的 早期历史以及所遇到的技术挑战， 其中一个主要问题为此类齿的热磨 损性很大。本文将深入讨论为提高 PDC齿的热磨损能力而采取的一种技 术解决方案，同时深入探讨PDC齿的 测试方法以及合格标准。

PDC齿的脱钴处理

PDC齿通常都是采用钴作为金刚 石颗粒的粘结剂，在PDC齿的超高 压烧结过程中，钴会起到一种催化 剂的作用。人们相信这种接触反应 作用会促成金刚石与金刚石的粘结 并使金刚石层与碳化钨基体成为整 体，其结果就会产生适合于油田钻 井用途的既有高韧性以有优良耐磨 性的切削刃的PDC齿。

突出的热磨损问题 但是金刚石 齿的抗热性十分有限。在大气压力 下，金刚石表面会在900℃或更高温 度下转化为石墨，而在真空或是惰 性气体条件下，金刚石则不容易转 化为石墨，即使是在1,400℃的高温 下。但在使用过程中，传统的PDC齿 会在750℃左右时发生蜕变，而齿的 切削刃在既硬又有研磨性的岩层中 会由于磨擦热而很容易达到这一温度。而瞬时温度（即显微层次的高 度局部化温度）会更高，远远超过 钴的熔化温度（1,495℃）。

人们通常认为，与纯金刚石相 比，由于钴的存在，PDC会在更低的 温度下转化为石墨。随着温度的升 高，金刚石由于钴的存在而发生石 墨化的现象成为主要的问题。这样 一来，金刚石的磨损便是由于局部 磨擦热的影响所发生的朝向石墨的 同素异形转化或是无定形碳所造成 的。由于机械和化学的综合作用， 钴的存在会加速这种转化。一方 面，钴的抗剪切能力会迅速下降， 其粘结金刚石颗粒的能力也会大幅 降低。同时，实际的接触面积取决 于在金属粘结剂中扩散的塑性应变 的速度。剪切现象会迅速发生，以 至于不可能实现在正常负载下的完 全塑性屈服。

另外，钴和金刚石的热膨胀系 数差别很大。在加热过程中，钴的 膨胀速度要比金刚石的膨胀速度 快，金刚石层中的热应力值会加 大，结构会被破坏。金刚石晶粒间 的钴会膨胀并破坏掉金刚石与金刚 石的粘结。

作为一种提高PDC齿耐热性的手段，人们生产出了不用粘附到超硬合 金基体材料上的聚晶金刚石，然后再 把这类金刚石浸到酸中并进行热处 理，酸处理能够溶解掉聚晶金刚石中 的金属粘结剂。通过这种过程所生产 出的热稳定聚晶金刚石（TSP）能够 承受高达1,200℃的温度。

然而，通过这种方法所制造的 材料会出现其它方面的问题。除掉了 钴相以后，TSP中会存在一些微小的 孔洞，这类孔洞会降低烧结材料的强 度，其结果是使材料缺乏作为切削工 具使用所必备的足够硬度和抗冲击强 度。而且，没有钴相就很难在TSP和 工具间产生很好的粘结效果。

热稳定层 已经设计出一种能够 克服传统PDC材料对温度十分敏感的 问题的新型PDC材料。当把PDC作为 钻井工具使用时，其最热的部位是 与地层接触的切削刃。随着与接触 点距离的增加，这种温度会急剧下 降。二十世纪五十年代末，对切削 工具的研究发现，在距接触点几微 米处的温度仅为接触点（绝对）温 度的约12%。由于随着距剪切区距离 的增加温度会快速下降，所以切削 刃就像是由硬质基体所支撑的具有 低剪切强度的一个薄膜。因此，只改善PDC切削刃处的抗热性就能够大 幅提高钻井性能。

新型的PDC也带有一个传统的金 刚石层，但该层表面一层中的钴被 清除掉了。在以传统方式制作成PDC 以后，其切削表面被浸在强酸中通 过一种被称之为“脱钴”的酸蚀过 程清除掉钴相。从聚晶金刚石中清 除钴的表面深度可达200微米。 对工作表面的表层进行脱钴处理 能够大幅降低金刚石的退化风险并 改善工具的耐热性。首先，在高温 区域（即切削刃处）没有钴的话， 尽管会有上面所述的剪切现象，但 金刚石与金刚石间的粘结会仍然很 坚固，所以几乎不会发生石墨化现 象。其次，由于脱钴层仅含有金刚 石，所以切削刃的散热会更有效。 另外，由于在PDC的金刚石层中 仍含有钴相，所以与TSP产品相比其 烧结产品整体强度的的损失要小一 些。而且，由于不存在内部孔洞， 所以金刚石层的导热性也不会下 降，在工具刃部所产生的热量会有 效的扩散掉。

对两个一模一样的PDC齿（只是 其中一个齿的切削表面进行了脱钴 处理）进行了重载耐磨试验（如图 1）。在切削了5,000m的岩石以后， 发现未脱钴齿的磨损速度开始急剧 加快，相对而言，脱钴齿在切削大 约15,000m岩石过程中保持了相对稳 定的切削速度。

测试方法及合格标准

有两种测试PDC齿的方法：即破 坏性试验和非破坏性试验。 在破坏性试验中，齿会被损坏且 不能再重新使用。这类方法意在尽 可能逼真的模拟井下条件以评估切 削齿在这类条件下的性能，所以， 只能测试产品的样品并对整批产品 的一致性进行判断。两种主要形式 的破坏性试验是研磨试验和抗冲击 试验。

非破坏性试验方法可被质量保 证人员使用且由于齿不会被损坏， 所以可用于对100%的齿进行试验。然 而，在某些情况下需要对产品进行 特殊的准备处理，这样一来用于试 验的产品也就不能被再度使用了。 研磨试验 抗研磨性指的是PDC 齿能够承受磨蚀条件的能力，磨蚀 条件的主要成因是岩石强度以及岩 石中矿物成份的硬度。所以，所有 的研磨试验都是用含有诸如石英 （如花岗岩和石英岩）的矿物的硬 岩进行的。

在钻头工业界，研磨试验是将 一个PDC齿安装成相对于岩石有一定 的后倾角，并让齿以一定的切削深 度受力压入岩石。各公司所采用的 后倾角和切削深度都各不相同。有 三种类型的设备被用于进行研磨试 验，试验结果的相关性与试验方法 的类型有很大关系。

立式转塔车床（VTL）试验。这 是被大多数主要PDC齿供应商所采用 的一种试验方法（如图2）。试验时 先将齿固定到VTL车床上，在车床上 同时还在PDC齿的旁边安放一块岩样 （通常是花岗岩）。然后让岩样环 绕车床的轴线以一定的速度旋转， 该速度取决于试验齿时的能量而有 所不同。后让齿以一定的切削深度 压入到岩样中，此切削深度在每次 试验时是不同的。然而，在用花岗 岩进行试验时，该切削深度一般要 小于1mm。PDC齿从岩样的外圆开始朝 着旋转轴线移动，形成一种螺旋模 式。而后还要对横向进给速度进行 调整以保证两个连续的槽能够相互 重叠。近期的VTL机床都采用了CNC 控制，而且随着切削齿朝着旋转轴 线的运动还可提高或降低旋转速度 以便能够保证其相对恒定的线性速 度。VTL试验的优点是能够使被测齿 承受很高的能量，以使得PDC齿可被 分类用于要求很高的钻井环境中。 【未完待续】