胎體中含有銅錳阻尼合金成分的金剛石鉆頭研制及鉆進(jìn)試驗(yàn)*

劉寶昌， 韓 哲， 李思奇， 趙新哲， 李 闖， 曹 鑫

(1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026) (2. 超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130012) (3. 國(guó)土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130026)

孕鑲金剛石鉆頭是地質(zhì)勘探鉆進(jìn)最常用的鉆探工具[1]。但在非均質(zhì)地層、軟硬夾層等地層中鉆進(jìn)時(shí)，會(huì)不可避免地產(chǎn)生有害的振動(dòng)[2]，這種振動(dòng)不但會(huì)降低巖心采取率、嚴(yán)重影響鉆頭的工作性能，還會(huì)使擴(kuò)孔器過(guò)早磨損[3]，對(duì)鉆具管材產(chǎn)生損壞[4-5]。為了進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率，延長(zhǎng)鉆具使用壽命，需要減小鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的有害振動(dòng)。常規(guī)的減振措施有：采用匹配的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速和鉆壓；使用鉆桿潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑鉆桿；使用乳化鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)循環(huán)；在巖心管的上端使用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；在接頭表面鑲嵌或鍍上硬質(zhì)合金；在鉆柱安裝減振器等[6-7]。這些措施均是通過(guò)控制外部因素達(dá)到減少振動(dòng)的目的。

阻尼合金材料也稱(chēng)減振合金，是一種兼有良好的減振功能和機(jī)械性能的新型功能材料[8-9]。它能夠通過(guò)材料內(nèi)部相應(yīng)的阻尼機(jī)制，吸收外部振動(dòng)能，并將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而不可逆耗散，達(dá)到減振的功效[10-12]。本研究將銅錳粉末代替部分常規(guī)63#配方中的663青銅粉作為胎體材料引入孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)中，通過(guò)燒結(jié)使胎體材料內(nèi)部形成具有阻尼機(jī)制的銅錳阻尼合金，吸收外部振動(dòng)能，為鉆進(jìn)過(guò)程中減少有害振動(dòng)、延長(zhǎng)鉆頭及鉆桿使用壽命提供一種新思路。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣配方設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用常見(jiàn)的63#配方作為基礎(chǔ)配方制備胎體試樣，其配方成分如表1所示。

表1 63#胎體配方成分

銅錳阻尼合金中，Cu67Mn33的阻尼合金孔隙較小、組織均勻，力學(xué)性能良好[11 -12]。實(shí)驗(yàn)中選擇以63#配方為基礎(chǔ)配方，并配以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%、50%、60%的Cu67Mn33粉末制備胎體試樣S0、S1、S2、S3及孕鑲金剛石試樣(金剛石濃度80%)SD0、SD1、SD2、SD3，配方如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)試樣配方表

1.2 燒結(jié)工藝

胎體試樣尺寸為38 mm×8 mm×5 mm，每種配方均燒制3個(gè)試樣，測(cè)得力學(xué)性能后取平均值。采用ZPM-100E中頻自控?zé)釅簷C(jī)進(jìn)行試樣的燒結(jié)，考慮到最佳性能的Cu67Mn33阻尼合金燒結(jié)溫度[13]及燒結(jié)后孕鑲金剛石試樣性能，采用2次保溫?zé)Y(jié)工藝[14]，參數(shù)如下：壓力設(shè)置為16.5 MPa，先直線升溫到850 ℃，保溫2 min，隨后升溫至980 ℃，保溫 7 min后自然降溫至750 ℃，置入保溫箱內(nèi)緩慢降溫直至室溫。

1.3 性能測(cè)試方法

為保證胎體材料既能滿(mǎn)足鉆進(jìn)工作要求，又能提高自身阻尼能力，本研究針對(duì)胎體的密度、壓入硬度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性、彈性模量及斷口微觀形貌進(jìn)行測(cè)試及分析。用DE-120高精度電子比重計(jì)測(cè)試試樣密度。因?yàn)閺椥阅Ａ颗c材料阻尼性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[14]，用奧林巴斯5072脈沖發(fā)生器測(cè)量楊氏模量，再得到測(cè)試胎體試樣的阻尼性能。

用HRS-150型洛氏硬度儀測(cè)試試樣硬度。為保證測(cè)試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在每塊試樣被測(cè)表面等間距選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均值。用Mod.DDL-100液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度值。為更準(zhǔn)確反映試樣的致密程度及金剛石包鑲程度，在抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用S-4800FESEM型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣SD0、SD1的斷口形貌進(jìn)行觀察和元素分布測(cè)量。

用DHM-2型磨耗比測(cè)試儀(如圖1)測(cè)試胎體試樣耐磨性，砂輪為直徑100 mm、厚度20 mm、基本粒度尺寸180 μm的碳化硅砂輪。磨耗比值由砂輪質(zhì)量損失/試樣質(zhì)量損失計(jì)算得出。測(cè)試參數(shù)如下：加載壓力5 N，線速度15 m/s，擺動(dòng)頻率30 次/min。試驗(yàn)前后對(duì)砂輪和試樣烘干并稱(chēng)量以計(jì)算出質(zhì)量損失。

(a) 實(shí)物圖(b) 工作示意圖圖1 DHM-2型磨耗比測(cè)試儀實(shí)物及工作示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2為試樣SD0和SD1的斷口微觀形貌圖。從圖2a、2b對(duì)比看出：試樣SD1與SD0微觀形貌相近，且胎體結(jié)構(gòu)致密、組織均勻，金屬結(jié)合充分且未出現(xiàn)金屬成分團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3為SD1試樣斷口銅錳元素分布圖。從圖3可以看出：試樣SD1胎體中Cu、Mn元素分布均勻，表明試樣混料均勻，燒結(jié)充分。

2.2 力學(xué)性能分析

圖4為實(shí)驗(yàn)試樣的力學(xué)性能。從圖4a可以看出：隨著阻尼合金含量的增加，試樣的相對(duì)密度與洛氏硬度變化趨勢(shì)大致相同。根據(jù)相對(duì)密度曲線，阻尼合金試樣與S0相對(duì)密度相近，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下試樣燒結(jié)充分。因?yàn)镃u與WC相容性較好，Cu含量增加，進(jìn)一步填補(bǔ)因WC在胎體內(nèi)產(chǎn)生聚集而形成的空洞[15]，且Cu在1000 ℃以下具有很大的熱塑性，隨著Cu含量的增加，試樣燒結(jié)熱壓收縮越充分[16]，使得阻尼合金胎體試樣的相對(duì)密度比S0的均有小幅度提高。根據(jù)硬度曲線，試樣S1比S0硬度提高了14.7%，試樣S2比S0提高了27.2%。理論上，隨著試樣中WC含量的減少硬度應(yīng)逐漸降低，實(shí)際測(cè)試硬度升高原因可能是添加適量阻尼合金使試樣材料更為致密，從而提升了抵抗外部壓入的能力。對(duì)比3組阻尼合金試樣的相對(duì)密度和硬度變化曲線，均有先增大后減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是Cu-Mn的互擴(kuò)散系數(shù)隨Mn含量增加先增大后減小，適量增加Mn的含量使試樣燒結(jié)更加均勻化，當(dāng)Mn含量過(guò)高時(shí)，試樣中生成較多的MnO，由于其熔點(diǎn)較高，使得試樣難以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化，結(jié)果試樣S3的硬度和相對(duì)密度均明顯下降[14]。

(a) SEM圖

(b) Cu元素分布

(c) Mn元素分布圖3 SD1試樣斷口銅、錳元素分布圖

由圖4b可以看出：相比胎體試樣S0及孕鑲金剛石試樣SD0，阻尼合金材料試樣抗彎強(qiáng)度均有所減??；其中相較試樣S0，試樣S1抗彎強(qiáng)度下降了11.1%，試樣S2下降了7.8%；相較試樣SD0，試樣SD1抗彎強(qiáng)度下降了22.4%。Mn含量的增加導(dǎo)致胎體試樣抗彎強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[14]。這是由于Cu對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性較差[17]，隨著試樣中Cu含量的增加，胎體對(duì)金剛石的把持力降低，孕鑲金剛石試樣抗彎強(qiáng)度逐漸下降。

(a) 胎體相對(duì)密度和洛氏硬度(b) 胎體及孕鑲金剛石試樣抗彎強(qiáng)度(c) 胎體楊氏模量(d) 孕鑲金剛石試樣磨耗比圖4 試樣力學(xué)性能

圖4c 表示胎體試樣彈性模量的變化。由圖4c可知：相比于試樣S0，含有阻尼合金成分的胎體試樣彈性模量大幅降低，說(shuō)明在試樣中加入阻尼合金成分能夠有效地增加胎體材料的阻尼性能。且隨著試樣中阻尼合金含量的增加，彈性模量具有明顯的下降趨勢(shì)，這符合實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)期，即銅錳含量越高，試樣彈性模量越小，試樣阻尼性能越高。

圖4d表示孕鑲金剛石試樣的磨耗比值。圖4d中：試樣SD1相較試樣SD0磨耗比增加13.2%，其余2組試樣磨耗比與試樣SD0相近。說(shuō)明加入銅錳合金對(duì)胎體材料的耐磨性影響不大。利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的Cu67Mn33粉末代替親和力較大的663青銅粉可減輕試樣中黏結(jié)劑粉末擴(kuò)散受阻現(xiàn)象[15]，一定程度上改善了對(duì)金剛石的黏結(jié)能力，從而提高了試樣的耐磨性。通過(guò)以上力學(xué)性能測(cè)試分析可知：SD1配方試樣與常規(guī)63#胎體試樣力學(xué)性能相近，理論上可滿(mǎn)足正常的鉆進(jìn)工作需要。

3 鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.1 鉆具與設(shè)備

采用基礎(chǔ)配方及綜合性能最優(yōu)的SD1阻尼合金配方制備孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行室內(nèi)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，鉆頭參數(shù)如表3所示，鉆頭實(shí)物如圖5所示。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為XY-1巖心鉆機(jī)、PMB-50泡沫泥漿泵，由于鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)為縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向的耦合振動(dòng)，試驗(yàn)通過(guò)安裝CT1010LS型三軸加速度傳感器(圖6)，測(cè)試并記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)加速度來(lái)評(píng)估鉆頭減振的效果。鉆進(jìn)試驗(yàn)所用巖樣為中粗粒花崗巖，強(qiáng)研磨性，可鉆性等級(jí)為VII級(jí)。鉆進(jìn)參數(shù)如下：鉆壓7 kN，轉(zhuǎn)速500 r/min，沖洗液流量35～40 L/min。

表3 鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5 實(shí)驗(yàn)鉆頭圖6 振動(dòng)測(cè)試裝備

3.2 鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及振動(dòng)測(cè)試

鉆進(jìn)測(cè)試結(jié)果如表4所示。通過(guò)表4可看出：SD1配方的鉆頭基本可以達(dá)到基礎(chǔ)配方鉆頭的鉆進(jìn)速率和使用壽命。說(shuō)明具有一定含量阻尼合金的配方鉆頭可以進(jìn)行正常鉆進(jìn)工作。

表4 鉆進(jìn)測(cè)試結(jié)果

振動(dòng)測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)0.5 s，其中每毫秒記錄1組數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)如表5、圖7、圖8所示。通過(guò)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，SD1配方制成的孕鑲金剛石鉆頭與基礎(chǔ)配方鉆頭相比，其振動(dòng)加速度正值減小了約1.4%，負(fù)值減小了約7.2%，平均減小約4.3%，即胎體中含有銅錳阻尼合金成分的孕鑲金剛石鉆頭相比基礎(chǔ)配方鉆頭的阻尼性能得到了提升，有效減少了鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的有害振動(dòng)，鉆進(jìn)更加穩(wěn)定。

表5 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖7 基礎(chǔ)配方鉆頭鉆進(jìn)振動(dòng)加速度

圖8 SD1配方鉆頭鉆進(jìn)振動(dòng)加速度

4 結(jié)論

(1)將銅錳阻尼合金加入到孕鑲金剛石鉆頭胎體中，研制出一種在鉆進(jìn)過(guò)程中具有減少有害振動(dòng)功能的孕鑲金剛石鉆頭。通過(guò)對(duì)不同含量阻尼合金的胎體試樣和孕鑲金剛石試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，胎體中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的銅錳合金配方試樣綜合性能最佳。與試樣S0相比，試樣S1相對(duì)密度提高了0.5%，硬度提高了14.7%；與試樣SD0相比，試樣SD1磨耗比提高了13.2%，抗彎強(qiáng)度下降了22.4%。

(2)對(duì)基礎(chǔ)配方及SD1配方鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：SD1配方鉆頭與基礎(chǔ)配方鉆頭性能相近，可滿(mǎn)足鉆進(jìn)工作要求。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，用SD1配方制成的孕鑲金剛石鉆頭振動(dòng)加速度平均值相比基礎(chǔ)配方鉆頭減小約4.3%，有效減小了鉆進(jìn)中產(chǎn)生的有害振動(dòng)。