強(qiáng)化熱壓燒結(jié)孕鑲金剛石鉆頭試驗(yàn)研究

葉宏煜，譚松成，楊 展，謝 濤，楊凱華，

(1.武漢萬(wàn)邦激光金剛石工具有限公司，武漢 430056；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074)

我國(guó)的地質(zhì)勘探、頁(yè)巖氣新能源勘探和地?zé)峥碧焦ぷ餮杆侔l(fā)展，鉆孔深度大，鉆遇的巖石可鉆性差別大，巖性復(fù)雜，需要高性能的金剛石鉆頭來(lái)適應(yīng)這種變化；特別是深部巖層的硬度高，研磨性強(qiáng)，鉆頭磨耗快，換鉆頭的頻率較高，提下鉆次數(shù)亦明顯增加，造成鉆探施工成本高；同時(shí)，鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)時(shí)效很難同時(shí)兼顧。前期的研究與實(shí)踐表明，金剛石鉆頭的性能及質(zhì)量與制造鉆頭的工藝方法密切相關(guān)，并與鉆頭的胎體材料體系和制造工藝參數(shù)的優(yōu)化配合密切相關(guān)。因此，從鉆頭的制造方法及其工藝參數(shù)以及密切配合胎體材料體系方面來(lái)進(jìn)行研究試驗(yàn)，是一條提高孕鑲金剛石鉆頭質(zhì)量和提升鉆頭對(duì)巖層適應(yīng)性的切實(shí)可行的途徑[1-3]。

1 研究思路

1.1 常規(guī)方法的不足

熱壓方法是我國(guó)制造孕鑲金剛石鉆頭的主要方法，鉆頭胎體材料多采用鐵、鎳、錳、鈷等單質(zhì)金屬粉以及骨架材料WC與YG8材料，必須配合較高含量的粘結(jié)金屬銅合金粉材料。該類(lèi)型胎體材料中的物理力學(xué)性能相差很大，在傳統(tǒng)觀念和設(shè)計(jì)思路的影響、束縛下，所設(shè)計(jì)的與之相配合的熱壓溫度與壓力參數(shù)偏低，溫度在940℃～980℃，壓力在14～18MPa之間，期望達(dá)到的胎體力學(xué)性能必然有限，對(duì)于硬至堅(jiān)硬巖層和硬、脆、碎巖層，鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效不高，鉆頭的使用壽命較短；金剛石鉆頭的質(zhì)量和普適性能一直停留在不理想的水平上。

無(wú)壓浸漬方法制造孕鑲金剛石鉆頭，制造工藝中只加溫?zé)Y(jié)，不加壓力；因此鉆頭胎體的致密性和力學(xué)性能受到制約，硬度與耐磨性較低；鉆頭對(duì)研磨性巖層和非均質(zhì)巖層以及硬、脆、碎等巖層的鉆進(jìn)效果較差；有時(shí)鉆進(jìn)速度雖然較高，但鉆頭的使用壽命卻很短。

電鍍金剛石鉆頭的特點(diǎn)明顯，有利的方面是鉆頭的鉆進(jìn)速度較高，對(duì)巖石的適應(yīng)性較好；不利的方面是鉆頭的胎體中針孔多，孔隙度高；特別是保徑效果較差，明顯地降低了鉆頭的使用壽命和對(duì)鉆進(jìn)工況的適應(yīng)性。

每一種孕鑲金剛石鉆頭的制造方法都有其長(zhǎng)處，制造出的孕鑲金剛石鉆頭各具特色，但均難以實(shí)現(xiàn)高效、長(zhǎng)壽命的鉆進(jìn)目標(biāo)。不同的制造方法和工藝參數(shù)，必須與優(yōu)化配合的胎體材料體系相結(jié)合，才能收到預(yù)期的良好效果。本論文通過(guò)前期的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高熱壓的溫度和壓力，鉆頭胎體的硬度和耐磨性有明顯提高。因此，本文試驗(yàn)研究一種強(qiáng)化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，同時(shí)設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的胎體材料體系，突破多年來(lái)的習(xí)慣思維和制造鉆頭的工藝參數(shù)，能夠使孕鑲金剛石鉆頭的質(zhì)量明顯地提升[4-5]。

1.2 強(qiáng)化熱壓的理論依據(jù)

所謂強(qiáng)化熱壓方法，就是熱壓參數(shù)中的溫度與壓力均超出普通熱壓的工藝參數(shù)規(guī)范，即溫度遠(yuǎn)超普通熱壓的最高溫度980℃，壓力遠(yuǎn)超普通熱壓的最高壓力18MPa。

強(qiáng)化熱壓方法是普通熱壓方法的發(fā)展，強(qiáng)化熱壓方法必須配合優(yōu)選的超細(xì)預(yù)合金材料作胎體材料體系；超細(xì)預(yù)合金粉中不含純銅合金粉，大部分預(yù)合金粉由鐵、鎳、錳、鈷等金屬粉組合而成，配合WC、YG8或YG12作為骨架材料組成胎體材料體系。在強(qiáng)化熱壓作用下，預(yù)合金粉之間以及預(yù)合金粉與金剛石之間可以實(shí)現(xiàn)高溫、高壓下的交互作用和有效融合；加強(qiáng)金屬粉末塑性變形，粉末顆粒發(fā)生不同程度的破碎，加速粉末顆粒相對(duì)滑動(dòng)、體積擴(kuò)散以及流動(dòng)變形機(jī)制；與此同時(shí)，胎體材料中孔隙進(jìn)一步圓化，孔隙度進(jìn)一步縮小，有效加速了金剛石鉆頭胎體致密化進(jìn)程；鉆頭胎體的力學(xué)性能得到大幅度提升，高硬度、高耐磨性的孕鑲金剛石鉆頭得以實(shí)現(xiàn)[6-8]。

不含銅合金粉末的胎體，在強(qiáng)化熱壓條件下可實(shí)現(xiàn)固相燒結(jié)，其胎體性能與含銅合金粉胎體的主要區(qū)別在于，胎體與巖石間的摩擦系數(shù)得到提高，鉆頭胎體的磨損機(jī)制發(fā)生了變化，金剛石鉆頭破碎巖石的方式得到了改變，不僅胎體包鑲金剛石的強(qiáng)度高，而且胎體能夠超前金剛石磨損，有利于金剛石適時(shí)、適量、有效地出刃。

2 強(qiáng)化熱壓鉆頭胎體材料

2.1 胎體材料優(yōu)選

強(qiáng)化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，進(jìn)而導(dǎo)致制造工藝參數(shù)的較大改變，由此強(qiáng)化熱壓方法必定引起鉆頭胎體材料體系的改變，必須重新設(shè)計(jì)胎體的材料體系；把強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)和胎體材料新體系及胎體材料的優(yōu)化組合密切結(jié)合起來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先，胎體材料中單純的銅-錫等合金材料基本不用，只加入鐵、鎳、錳、鈷等不同組合的預(yù)合金粉以及鐵、鈷、鎳、錳等金屬與一定含量的銅組合的預(yù)合金粉材料，配合WC、YG8或YG8作為胎體骨架材料。這樣，才能確保在超強(qiáng)熱壓條件下，不存在粘結(jié)金屬銅合金的流失，胎體成分及配比不會(huì)發(fā)生改變，金剛石鉆頭的性能不會(huì)隨之產(chǎn)生變化，確保了設(shè)計(jì)配方的完整性和胎體包鑲金剛石所必需的力學(xué)性能。因此在超強(qiáng)熱壓條件下，孕鑲金剛石鉆頭的胎體材料體系要重新設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

由上述分析可知，胎體材料全部采用硬質(zhì)性的預(yù)合金粉粘結(jié)材料，例如：FAM-1020、FAM-1012、FAM-2120、FAM-3010、FeCuMn、FeCuNi、FJT-A2、FJT-06等，配合部分WC、YG8或YG12骨架材料，這是近幾年來(lái)試驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用的胎體材料體系。在這種材料體系條件下進(jìn)行優(yōu)化組合，試驗(yàn)研究強(qiáng)化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。據(jù)此，選擇了三個(gè)對(duì)巖層適應(yīng)性好的常用預(yù)合金粉胎體配方，供本次試驗(yàn)研究；試驗(yàn)胎體配方見(jiàn)表1所列。

表1 金剛石鉆頭的預(yù)合金粉末胎體配方Table 1 Matrix formula of different pre-alloyed powders for diamond drilling bits

2.2 普通熱壓試驗(yàn)

按照表1的預(yù)合金粉配方進(jìn)行普通熱壓燒結(jié)試驗(yàn)，主要目的是認(rèn)識(shí)該材料體系的物理力學(xué)性能，并將試驗(yàn)結(jié)果與強(qiáng)化熱壓鉆頭的性能進(jìn)行對(duì)比。普通熱壓參數(shù)：溫度940℃～965℃，壓力15～18MPa，保溫、保壓時(shí)間4.0～5.5min。本試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的熱壓工藝參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 普通熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)Table 2 Sintering parameters of conventional hot-pressing method

采用普通熱壓方法燒結(jié)試件，試件規(guī)格為Φ42/Φ16mm，厚8mm；每個(gè)配方燒結(jié)2個(gè)試件，共制得6個(gè)試件；并對(duì)該6個(gè)試件的硬度、耐磨性與密度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的硬度與耐磨性的平均值分別列入圖2中，便于與強(qiáng)化熱壓鉆頭性能進(jìn)行對(duì)比分析。普通熱壓試件外貌見(jiàn)圖1中的上面三張圖普1、普2、普3所示。

圖1 普通熱壓與超強(qiáng)熱壓試件形貌Fig.1 Morphology of ordinary hot-pressed and super hot-pressed samples

3 強(qiáng)化熱壓方法

強(qiáng)化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，先將設(shè)計(jì)和備好料的鉆頭胎體材料裝模后，送入熱壓爐內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，之后隨爐冷卻至650℃～700℃，隨即自動(dòng)轉(zhuǎn)入強(qiáng)化熱壓程序,制成本研究的強(qiáng)化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。

無(wú)壓燒結(jié)具有下述優(yōu)勢(shì)：①提高了金屬粉末的活性，可實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)胎體材料間的交互融合；②胎體材料的燒結(jié)后期，可實(shí)現(xiàn)胎體中的孔隙出現(xiàn)圓化或閉合，胎體具有較好的力學(xué)性能，胎體對(duì)金剛石實(shí)現(xiàn)初步包鑲；③由于沒(méi)有壓力的作用，混合均勻的胎體粉料在燒結(jié)過(guò)程中呈自由燒結(jié)狀態(tài)，各種粉料顆粒間不會(huì)發(fā)生明顯錯(cuò)位和遷移，保持了胎體材料間的均勻性；④無(wú)壓燒結(jié)的金剛石鉆頭規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，精度高。無(wú)壓燒結(jié)后接著轉(zhuǎn)入超強(qiáng)熱壓工藝程序，超高的溫度能夠加快金屬材料分子間的相對(duì)活性，加速體積擴(kuò)散機(jī)制；超高壓力能夠加快金屬分子間的相對(duì)滑動(dòng)、金屬材料顆粒破碎和塑性變形，加速胎體致密化進(jìn)程。超高溫與超高壓的雙重作用，起了一加一大于二的效果。在溫度與壓力兩個(gè)參數(shù)中，溫度起著重要的作用；通過(guò)超高溫度與超高壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其效果更加明顯[9-12]。

強(qiáng)化熱壓制造孕鑲金剛石鉆頭涉及以下方面的試驗(yàn)研究：胎體材料體系優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)壓燒結(jié)工藝參數(shù)以及強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)研究。強(qiáng)化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，先采用無(wú)壓燒結(jié)方法進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，無(wú)壓燒結(jié)程序完成后隨即轉(zhuǎn)入強(qiáng)化熱壓程序。

3.1 強(qiáng)化熱壓坯體

為了獲得超強(qiáng)熱壓金剛石鉆頭的良好性能與熱壓工藝參數(shù)間的影響關(guān)系，先進(jìn)行了超強(qiáng)熱壓坯體試件試驗(yàn)。坯體試件同樣采用表1的胎體材料，每個(gè)配方試驗(yàn)兩個(gè)試件，試件規(guī)格與上述普通熱壓試件一樣，共6個(gè)試件。按照表3試驗(yàn)工藝參數(shù)先進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。

分離富集操作及相關(guān)環(huán)節(jié)分別使用到了SB5200DT型超聲波清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司），pHS-25型酸度計(jì)（上海虹益儀器儀表有限公司），80-2型離心機(jī)（江蘇金壇市億通電子有限公司），AL204型電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司），DZG-303A型純水制備儀（成都唐氏康寧科技發(fā)展有限公司）等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

無(wú)壓燒結(jié)工藝參數(shù)為：先升溫至800℃，保溫30s；而后升溫至940℃～965℃，保溫時(shí)間設(shè)定為3.0～4.0min；保溫后隨爐冷卻至650℃～700℃，無(wú)壓燒結(jié)程序完成。無(wú)壓燒結(jié)完成后即轉(zhuǎn)化入強(qiáng)熱壓程序，保溫保壓后隨爐冷卻至720℃～780℃出爐，繼續(xù)冷卻至室溫，完成金剛石鉆頭坯體試制[13-15]；強(qiáng)化熱壓坯體試件見(jiàn)圖1中下面三張圖超1、超2、超3所示；并對(duì)試件進(jìn)行了硬度與耐磨性的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果取平均值列入圖2中，對(duì)比分析后，獲得了胎體材料的性能以及合理配合的強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)，用以指導(dǎo)強(qiáng)化熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研制。

無(wú)壓燒結(jié)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)后，可以按照表1的胎體材料和表3的強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)，制造強(qiáng)化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。

表3 強(qiáng)化熱壓燒結(jié)工藝與參數(shù)Table 3 Sintering parameters of intensive hot-pressing method

通過(guò)對(duì)普通熱壓和強(qiáng)化熱壓試件性能的對(duì)比，由圖2資料可知，強(qiáng)化熱壓的硬度比普通熱壓的硬度提高了HRC1.8，磨損量下降了約2.1mg。胎體的實(shí)際密度能夠很好地反映胎體的耐磨性和包鑲金剛石的強(qiáng)度，它比硬度更具有實(shí)用性；同時(shí)，比耐磨性更具有可操作性。

圖2 普通熱壓與超強(qiáng)熱壓鉆頭的性能對(duì)比Fig.2 Performance comparison of conventional and intensive hot-pressed drilling bits

通過(guò)DA-300PM密度測(cè)試儀對(duì)三個(gè)配方試件的檢測(cè)，強(qiáng)化熱壓試件的密度平均分別為7.82g/cm3、7.91 g/cm3、8.39 g/cm3，而普通熱壓試件的密度平均分別為7.74g/cm3、7.81 g/cm3、8.27 g/cm3，兩者相比，強(qiáng)化熱壓提高的幅度分別為1.1%、1.2%及1.4%，平均提高約1.23%。

由于胎體的硬度、耐磨性及密度的性能提高，胎體包鑲金剛石的強(qiáng)度必然得到提高，強(qiáng)化熱壓金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效果隨之提高。由此可知，強(qiáng)化熱壓方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且強(qiáng)化熱壓參數(shù)的溫度與壓力還有一定的提升空間；因此，本試驗(yàn)孕鑲金剛石鉆頭的性能具有很好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

3.2 強(qiáng)化熱壓金剛石鉆頭

采用表1所列胎體材料和表3所列試驗(yàn)工藝參數(shù)，試制了三個(gè)強(qiáng)化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。鉆頭的金剛石參數(shù)為：粒度全部為40/45目，金剛石濃度為92%，鉆頭的工作層高12mm。對(duì)孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行了野外鉆進(jìn)試驗(yàn)，在可鉆性8級(jí)石英閃長(zhǎng)巖中鉆進(jìn)，平均時(shí)效達(dá)到1.82m/h，鉆頭平均鉆進(jìn)了79.8m；與同礦區(qū)使用的普通熱壓金剛石鉆頭相比較，時(shí)效基本相當(dāng)，但試驗(yàn)鉆頭的平均使用壽命提高約14.4m/個(gè)，提高幅度約22%，見(jiàn)表4所列。本次試驗(yàn)鉆頭的鉆進(jìn)速度平穩(wěn)，磨損正常，見(jiàn)圖3所示。

圖3 鉆頭磨損與金剛石出刃情況Fig.3 Drilling bit wear and diamond edge situation

表4 普通熱壓鉆頭與超強(qiáng)熱壓鉆頭的野外鉆進(jìn)效果對(duì)比Table 4 Field drilling result comparison of conventional and intensive hot-pressed bits

對(duì)從野外取回鉆頭的磨損、金剛石出刃與包鑲狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)分析，鉆頭磨損后的孕鑲金剛石鉆頭見(jiàn)圖3所示。經(jīng)過(guò)基恩士VK-100三維激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)分析，金剛石出刃值達(dá)到粒徑的1/3～3/5，金剛石的尾部支撐明顯，說(shuō)明金剛石的包鑲牢固；金剛石的搭接高度合理，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的鉆進(jìn)；金剛石晶型完整，未見(jiàn)明顯破損和熱腐蝕現(xiàn)象，表明了金剛石沒(méi)有明顯受到強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)的影響，見(jiàn)圖4所示。

圖4 PF-3鉆頭中的金剛石包鑲與出刃情況檢測(cè)Fig.4 Diamond encapsulation and protrusion measurement of drilling bit PF-3

在強(qiáng)化熱壓條件下，優(yōu)選的胎體超細(xì)預(yù)合金粉材料可以實(shí)現(xiàn)固相燒結(jié)，金屬粉末之間以及金屬粉末與金剛石之間可以實(shí)現(xiàn)高度交互作用和融合，鉆頭胎體的組織結(jié)構(gòu)均勻，致密度高。經(jīng)張力環(huán)儀器測(cè)試，鉆頭胎體包鑲金剛石的強(qiáng)度比普通熱壓金剛石鉆頭包鑲金剛石的強(qiáng)度提高約31%。

本文研究試驗(yàn)的強(qiáng)化熱壓的孕鑲金剛石鉆頭，屬于高硬度、高耐磨性的孕鑲金剛石鉆頭，由于胎體材料中不含Cu-Sn、Cu-Sn-Zn合金等軟質(zhì)粘結(jié)材料，不僅鉆頭胎體包鑲金剛石的機(jī)理發(fā)生了變化，而且胎體與巖石之間的摩擦系數(shù)也有了提高，胎體與巖石間的摩擦磨損機(jī)理發(fā)生了質(zhì)的變化，金剛石破碎巖石的機(jī)制和方式發(fā)生了改變；胎體的硬度雖然得到提高，卻可以實(shí)現(xiàn)金剛石鉆頭胎體略超前金剛石磨損，確保金剛石的適時(shí)、有效和較高的出刃；因而，鉆進(jìn)速度高且穩(wěn)定。同時(shí)金剛石沒(méi)有出現(xiàn)掉粒和破損的現(xiàn)象，鉆頭的使用壽命長(zhǎng)。鉆頭胎體的磨損與出刃見(jiàn)圖3與圖4所示，鉆頭磨損正常且磨損均勻。所試驗(yàn)金剛石鉆頭的這些性能是普通熱壓方法和無(wú)壓浸漬方法制造的孕鑲金剛石鉆頭所不能達(dá)到的。

4 結(jié)論

(1)強(qiáng)化熱壓方法是基于普通熱壓方法存在的不足發(fā)展而來(lái)，強(qiáng)化熱壓工藝改變了制造孕鑲金剛石鉆頭的基本認(rèn)知；先無(wú)壓燒結(jié)，有利于形成鉆頭胎體的組織結(jié)構(gòu)均勻；后強(qiáng)化熱壓有利于大幅度提高鉆頭胎體的致密化和力學(xué)性能，鉆頭胎體的密實(shí)度平均提高1.23%，HRC硬度提高1.8，磨損量下降2.1mg。

(2)實(shí)踐表明，強(qiáng)化熱壓能夠?qū)崿F(xiàn)胎體材料與金剛石的有效融合，不僅包鑲金剛石的強(qiáng)度高，而且金剛石出刃高、出刃好，金剛石搭接合理，能夠兼顧高時(shí)效和長(zhǎng)壽命的鉆進(jìn)效果。

(3)強(qiáng)化熱壓方法必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用的無(wú)銅-錫-鋅合金粉的胎體材料體系，所形成的胎體性能獨(dú)特，鉆進(jìn)過(guò)程中展現(xiàn)了不同于一般鉆頭的摩擦磨損機(jī)理和金剛石破碎巖石的方式，金剛石能夠充分發(fā)揮作用，鉆頭的平均使用壽命提高22%。

(4)強(qiáng)化熱壓方法試驗(yàn)研究?jī)H二年多時(shí)間，強(qiáng)化熱壓參數(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化，與之相配合的胎體材料體系，還有待進(jìn)一步深入試驗(yàn)研究，以趨完善。