摘要
在钻探工程中遇到孔内事故时，经常采用割刀来切割事故钻具，然而在切割事故钻具的同时也会涉及到切割周边岩石的问题。本研究针对刀具切割岩石的复杂工况条件，设计了不同退火温度下的聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact，简称PCBN）复合片对磨Si3N4球的摩擦磨损试验，采用了光学显微镜和X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）等表征方法，分析了退火温度对PCBN的影响和PCBN对磨Si3N4球的摩擦学行为。结果表明：高于800 ℃退火处理，PCBN粘结剂氧化生成TiO2。当800 ℃退火的PCBN对磨Si3N4球时，出现轻微的粘着磨损；900 ℃退火的PCBN对磨Si3N4球时，粘着磨损现象加重；然而，1000 ℃退火处理后，磨痕处磨粒磨损和粘着磨损共存。且PCBN对磨Si3N4球时，摩擦系数与退火温度有关。
关键词
《国土资源“十三五”科技创新发展规划》和《自然资源科技创新发展规划纲要》等国家重大战略项目分别制定了“三深一土”和“一核两深三系”等战
割刀切割钻具技术是解决孔内事故的重要方法之一，且常用的割刀材料是硬质合金，但是该类型割刀存在硬度低、易磨损、化学稳定性差等缺点，容易导致切割时间长、效率低、更换刀具频繁等情况。另一个行之有效的方法是使用聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact，简称PCBN）刀具，PCBN硬度、耐磨性、热导率、热稳定性等远优于硬质合
刀具切割钻具时，会产生大量的切削热，温度的升高可能会降低刀具的硬度，因此研究切削温度对PCBN热损伤的影响是保证刀具顺利切割的重要内容之一。Abrao
总结以上研究发现PCBN刀具的切削温度达1000 ℃，并且PCBN刀具与工件接触时刀面上的压力可达2~3 GP
此外，根据摩擦学基本理论，刀具切削钻具过程可简化为刀具材料与钻具之间在不同工况条件下的摩擦磨损问
目前，学者对PCBN切削硬质金属材料的磨损机理及切削热对PCBN的影响等进行了广泛而深入的研究，且取得了大量有益的研究成果。然而PCBN刀具在切削钻具的过程中同样会与岩石发生切
本试验选用的材料是PCBN复合片和氮化硅球（Si3N4），两种材料的物理性质如
图1 CBN样品表征
Fig.1 The image of PCBN
退火处理所使用的电炉是由北京科伟永兴仪器有限公司生产的SX2-5-12型箱式高温电阻炉。大量的研究发现聚晶立方氮化硼刀具切削不同材料时产生的温度范围在600~1000 ℃之
本试验使用MS-T3001型球盘摩擦计进行摩擦测试，该仪器是由中国兰州华辉仪器技术有限公司制造，其原理图如
图2 T3001型摩擦磨损试验机原理示意
Fig.2 The principle diagram of T3001 friction and wear testing machine
为了研究PCBN的磨损轨迹和对磨球的磨斑，本试验选用光学显微镜、维氏硬度计、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）分析退火温度对PCBN的影响和PCBN对磨Si3N4的摩擦学行为。
其中本试验采用的光学显微镜是由日本奥林巴斯（Olympus）生产的BX51型。XRD型号为D/ max2500（Cu Kα，λ=1.5406 Å），主要目的是研究各种退火温度下PCBN的相组成。SEM和EDS是为了检查退火后PCBN的微观形貌和元素分布。维氏硬度计是由Buelher 公司生产的Micromet-6030型，测量硬度时的负载为9.8 N，保持时间为30 s，本实验在每个样品上检查5个位置并计算平均硬度，并按照1 HV等于9.8 MPa进行单位换算。
图3 不同退火温度后PCBN的性能变化
Fig.3 Changes in PCBN after annealing at
different temperatures
为了进一步探究退火温度对PCBN的影响，测量了PCBN的物相变化（如
图4 不同退火温度下的XRD
Fig.4 XRD patterns after annealing at different temperatures
图5 不同退火温度后的PCBN表面SEM图像
Fig.5 SEM images of annealed PCBN at different temperatures
不同退火温度后PCBN/Si3N4的摩擦系数（Friction coefficient，简称CoF）如
图6 不同退火温度后的PCBN/Si3N4的CoF
Fig.6 PCBN/Si3N4 CoF after annealing at different temperatures
为了充分理解CoF与退火温度之间的关系，对PCBN表面的形貌进行了进一步研究。
图7 不同温度退火处理后PCBN对磨Si3N4球的磨斑图像
Fig.7 Wear spot images of grinding Si3N4 balls after heat treatment at different temperatures
图8 不同温度退火后PCBN样品对磨Si3N4时的磨痕SEM图像
Fig.8 SEM images of wear scars on PCBN samples after heat treatment at different temperatures after grinding Si3N4
为了进一步探究对磨球的特性，计算了对磨球的磨损率（如
图9 不同温度退火后Si3N4球的磨损率
Fig.9 Wear rate of Si3N4 balls after heat treatment at different temperatures
不同温度退火后PCBN对磨Si3N4时的磨痕形貌和对应的磨痕界面如
图10 不同温度退火后PCBN对磨Si3N4时的磨痕形貌
Fig.10 Wear scar morphology of PCBN samples after grinding at different temperatures for Si3N4
为了更加清晰地了解退火处理后磨痕变化，使用了高倍的SEM图像和EDS元素分析（如
图11 900、1000 ℃退火处理后PCBN对磨Si3N4的磨痕SEM图像和EDS分析
Fig.11 SEM image and EDS analysis of wear scar boundary of PCBN sample at heat treatment at 900 ℃ and 1000 ℃ after grinding Si3N4
界面的相结构和形态决定了摩擦时的CoF。在600~800 ℃时达不到TiN、TiB2和CBN被氧化所需的活化能，因此PCBN的表面没有明显变化。故与常温PCBN相比，600~800 ℃时的CoF略有增加。经800 ℃退火处理的PCBN对磨Si3N4球时，在高载荷和摩擦高温下，产生了粘着磨损，如
图12 PCBN/Si3N4摩擦界面示意
Fig.12 Schematic diagram of PCBN/Si3N4 friction interface
Si3N4与PCBN样品对磨时，在磨损开始时，Si3N4球的最低点与PCBN进行摩擦，即为点点摩擦，如
本文依据PCBN割刀切削岩石理论，探究了不同退火温度对PCBN的影响和PCBN对磨Si3N4球时的摩擦特性，得出以下结论：
（1）当退火温度>800 ℃时，PCBN的粘结剂会发生相变，与氧元素反应生成TiO2。随着退火温度的升高，TiO2的生成量变多。
（2）PCBN对磨Si3N4球时，摩擦系数随着退火温度的升高总体呈现上升的趋势，但是经过1000 ℃退火处理后，摩擦系数小于900 ℃退火处理，这是由于经过1000 ℃退火处理后，有大量TiO2相的生成。
（3）PCBN对磨Si3N4球时，磨损机理与退火温
度有关。常温PCBN对磨Si3N4球时未发现粘着磨损；800 ℃退火后，磨痕边界出现轻微的粘着磨损；900 ℃退火后，PCBN由于相变导致出现大量的粘着磨损；1000 ℃退火后，由于TiO2、CBN等剥落物产生，出现了粘着磨损和磨粒磨损共存的形式。
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