張丁元， 潘秉鎖

(中國地質大學(武漢) 工程學院, 武漢 430074)

在地質鉆探中，鉆頭作為唯一與鉆進地層巖石直接接觸的工具，其性能對鉆進效率和鉆孔質量有著非常大的影響，而孕鑲金剛石鉆頭則是地質鉆探領域鉆進致密堅硬地層的常用鉆頭[1]。目前，國內外比較成熟的孕鑲金剛石鉆頭制備方法是熱壓法[2]。它是將金剛石、骨架材料(一般為WC)、黏結金屬(銅、鈷、鐵)以及一些改性金屬(如錳等)均勻混合后，放入石墨模具中通過高溫高壓燒結而成的[3]。在我國，利用熱壓法制造的地質鉆探鉆頭總量達到80%以上[4]。

然而，傳統(tǒng)熱壓法制備的金剛石鉆頭，其工作面上的金剛石是隨機排布的。同一個鉆頭唇面上的金剛石處于不同的工作狀態(tài)，影響了金剛石的使用效率，也為后續(xù)的鉆頭磨損分析帶來不便，因此用金剛石有序排布鉆頭來取代。目前，金剛石有序排布技術多用在金剛石鋸片[5]、砂輪等薄層工具[6]中，主要制造方法包括模板法[7]、真空吸附法[8]及點膠法[9]等，在金剛石鉆頭上的應用較少。而對金剛石鉆頭性能的評價，也多建立在鉆頭質量損耗和胎體工作層高度的減少等宏觀量上[10]，無法從根本上評價鉆頭性能的優(yōu)劣。因此，如何將有序排布技術有效地運用到金剛石鉆頭的制備上，并以此為基礎從微觀角度評價金剛石鉆頭的磨損情況，是金剛石鉆頭研究領域重要的一個課題。

作者提出了一種有效制備有序排布熱壓孕鑲金剛石鉆頭的方法，并通過鉆進實驗與隨機排布鉆頭比較，科學、準確的指出了2種鉆頭在性能上的差異，為今后金剛石鉆頭性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 有序排布金剛石鉆頭的制備

用點膠法制備了有序排布熱壓孕鑲金剛石鉆頭，為了對比，同時用傳統(tǒng)方法制備了相同金剛石濃度的隨機排布鉆頭。

1.1 有序排布金剛石陣列的獲取

點膠法獲得有序排布的金剛石陣列的原理，是通過點膠機得到一系列有序排布的膠點，同時控制點膠參數(shù)使得膠點大小恰好可以粘連一顆金剛石。這樣就可以在短時間內，實現(xiàn)有序排布膠點陣列到金剛石陣列的轉換。

實驗使用深圳市賽派斯工業(yè)設備有限公司生產的SPS-213D點膠機(圖1)，它可以識別dxf文件，因此可以在CAD中設計好膠點的排布方式，后轉存為dxf文件再導入點膠機。

圖1 SPS-213D點膠機

鉆頭用金剛石代號45/50，平均粒徑0.32 mm，金剛石濃度35%(400%濃度制)。金剛石排布為均勻環(huán)形排布方式，每顆相鄰的金剛石間距為1.2 mm。

利用點膠機在一金屬薄片上點膠，設計膠點陣列與金剛石排布陣列相同。點膠配件有：1102號環(huán)氧樹脂膠，30 mL針筒以及0.16 mm直徑針頭。點膠參數(shù)為：空壓機施壓(點膠)時間1 s，針頭停留時間0.2 s，針筒提起高度12 mm。此時得到的膠點直徑約為0.2 mm，恰好可粘連一顆金剛石。點膠薄片示意圖如圖2所示。

圖2 點膠薄片示意圖

點膠結束后，在膠水固結之前，向膠點上撒上一層金剛石，再將金屬薄片倒置，使未黏結在膠點上的金剛石顆粒掉落。這樣，就得到了按設計方案排布的金剛石有序排布陣列。

1.2 熱壓法制備鉆頭

在得到有序排布的金剛石陣列的金屬薄片后，再利用熱壓燒結法制備金剛石鉆頭。熱壓胎體金屬粉末配方如表1所示。金屬粉稱量后放入三維球磨混料機混料12 h，然后裝模。

表1 熱壓胎體金屬粉末配方

傳統(tǒng)的熱壓鉆頭是將金剛石與胎體粉末混合后一起裝入石墨模具燒結的，所以金剛石是隨機排布的。為了制備有序排布的鉆頭，先將預先得到的金屬薄片放入石墨模具，根據(jù)唇面面積、金剛石粒徑和胎體成型密度，計算出單層燒結所需的粉末質量(本實驗為2.48 g)，稱量金屬粉末質量，并在金屬薄片上均勻加入粉末以完成一層加料；后繼續(xù)放入帶有有序排布金剛石陣列的金屬薄片，再加入粉末；重復3次，即得到3層金剛石有序排布的熱壓孕鑲鉆頭。

利用傳統(tǒng)方法制備隨機排布的熱壓孕鑲金剛石鉆頭，用來對比。用耐火磚開刃后的2種鉆頭實物如圖3所示，鉆頭外徑46 mm，內徑29 mm。

(a)隨機排布 (b)有序排布

1.3 微鉆實驗

為了測試2種鉆頭的鉆進效果，并探究二者在鉆進后的磨損形態(tài)，利用中國地質大學(武漢)自主研發(fā)的微鉆實驗臺進行室內鉆進實驗。微鉆實驗鉆進參數(shù)如表2所示, 2種鉆頭都采用表2的鉆進參數(shù)。鉆進對象為黑云母二長花崗巖，壓入硬度4500 MPa，單軸抗壓強度130 MPa，巖石可鉆性分級為8～9級，屬于較難鉆進巖石。

表2 微鉆實驗鉆進參數(shù)

在鉆進過程中，記錄回次進尺距離和所用時間，得到鉆頭的機械鉆進效率，來整體評判鉆頭性能優(yōu)劣。完成微鉆實驗后，利用KEYENCE VK-X105/X100K形狀測量激光顯微系統(tǒng)，觀察2種鉆頭唇面上的金剛石出刃高度、金剛石破碎程度和胎體形態(tài)等。

2 實驗結果與分析

2.1 微鉆實驗結果

2種鉆頭微鉆實驗后，得到了如表3所示的原始實驗數(shù)據(jù), 各記錄了2個鉆頭5個回次的鉆進時間和進尺。由表3可知：有序排布鉆頭平均回次進尺10.2 cm，共用時752 s。第一回次用時最長，為176 s；第四回次用時最短，為125 s；平均鉆速為2.45 m/h。隨機排布鉆頭平均回次進尺10.1 cm，共用時915 s。第五回次用時最長，為204 s；第一回次用時最短，為165 s;平均鉆速為1.99 m/h。有序排布的鉆頭在進尺為50 cm時，鉆進效率比隨機鉆頭高出23%。

表3 微鉆實驗原始數(shù)據(jù)

2.2 鉆頭及金剛石微觀形態(tài)觀察

在5個回次的鉆進后，分別將2種鉆頭置于KEYENCE VK-X105/X100K形狀測量激光顯微系統(tǒng)下觀察其表面形貌。

(1)出刃高度

圖4為有序排布鉆頭唇面的顯微鏡形貌圖。圖4中A0為基體區(qū)域，A1～A5分別為唇面上含5顆金剛石的測量區(qū)域。利用KEYENCE VK-X105/X100K形狀測量激光顯微系統(tǒng)可以分別測得A1～A5區(qū)域的平均高度，與A0基體區(qū)的高度相減即為各區(qū)域的金剛石出刃高度。5個出刃高度取平均值，即為有序排布鉆頭唇面金剛石的平均出刃高度。具體數(shù)據(jù)列在表4中。

圖4 有序排布鉆頭唇面顯微鏡形貌

表4 有序排布鉆頭金剛石出刃數(shù)據(jù)

用同樣的方法在隨機排布鉆頭唇面上選取基體區(qū)(A0)和5個含金剛石的測量區(qū)(A1～A5)，測量隨機排布鉆頭唇面金剛石的平均出刃高度，其唇面顯微鏡形貌圖和具體數(shù)據(jù)分別如圖5和表5所示。

圖5 隨機排布鉆頭唇面顯微鏡形貌

表5 隨機排布鉆頭金剛石出刃數(shù)據(jù)

由圖4、圖5以及表4、表5可以看出：有序排布的熱壓鉆頭唇面上的金剛石出刃高度約為0.179 mm，約為金剛石平均粒徑0.320 mm的56%，基本上達到了孕鑲金剛石鉆頭的最佳出刃比[11]；而且，圖4表明金剛石周圍的胎體磨損呈現(xiàn)出較理想的蝌蚪形態(tài)，胎體在把持金剛石的同時，金剛石也具有最大的出刃。隨機排布鉆頭金剛石出刃高度約為0.090 mm，僅為有序排布鉆頭的50%，遠未達到金剛石的最佳工作高度。

(2)金剛石磨損形態(tài)

增大形狀測量激光顯微系統(tǒng)的放大倍數(shù)，觀察2種鉆頭上單顆金剛石的磨損形式。隨機選取若干顆金剛石進行觀察，發(fā)現(xiàn)有序排布鉆頭上金剛石的磨損程度比較接近。選取其中比較典型的2顆，如圖6所示，可以看出金剛石表面出現(xiàn)了一定程度的微破碎，并在微破碎面上呈現(xiàn)出波紋狀的磨損痕跡(圖6圓圈內)。

分別選取隨機排布鉆頭的金剛石分布密集區(qū)和稀疏區(qū)2塊區(qū)域，每區(qū)隨機選取金剛石進行觀察，得到密集區(qū)和稀疏區(qū)金剛石的典型形態(tài)如圖7和圖8所示。

圖6 有序排布鉆頭金剛石形態(tài)

圖7 隨機排布密集區(qū)金剛石形態(tài)

圖8 隨機排布稀疏區(qū)金剛石形態(tài)

從圖7發(fā)現(xiàn)：密集區(qū)的金剛石表面平整度較高，磨損程度低，幾乎沒有破碎的痕跡；而圖8稀疏區(qū)的金剛石的出刃部分出現(xiàn)大體積破碎，且?guī)黠@的非正常磨削破碎痕跡，而且破碎面與有序排布鉆頭的金剛石磨損痕跡明顯不同。

2.3 實驗結果分析

(1)微鉆實驗結果分析

將表3的實驗數(shù)據(jù)繪制成鉆速折線圖，如圖9所示。從圖9可以看出：在相同鉆進條件下，有序排布的鉆頭鉆速高于隨機排布鉆頭的，且有序排布的金剛石鉆頭有一個十分明顯的自銳過程，即鉆速由慢到快，而隨機排布鉆頭的鉆速則是不斷下降的。

圖9 鉆頭鉆速折線圖

自銳性是孕鑲金剛石鉆頭十分重要的一個性能，是指鉆頭中舊的金剛石不斷磨損脫落，新的金剛石不斷出露以保持鉆頭鉆進能力的性質。從微鉆實驗結果可以看出，有序排布鉆頭的自銳性明顯優(yōu)于隨機排布的鉆頭。

2種鉆頭在自銳性上體現(xiàn)出來的差別，是金剛石微觀形貌差異的宏觀體現(xiàn)。有序排布鉆頭的微破碎形態(tài)使得胎體中未出刃的金剛石有足夠的時間出刃，當處于微破碎狀態(tài)的金剛石逐漸失去工作能力后，新的金剛石已經出露，保證了鉆進速度能維持在一個較高的水平；而隨機排布鉆頭中金剛石的低磨損和大體積破碎的極端狀態(tài)，使得未出刃的金剛石不能在表面的金剛石失去鉆進能力前及時出刃，造成已出露的金剛石切削能力不斷下降，而新的金剛石未出露無法參與碎巖的狀態(tài)，鉆進速度逐漸減小。

(2)鉆頭金剛石出刃和胎體磨損結果分析

從2種鉆頭最終的金剛石出刃高度來看，其值是與相應回次的鉆速匹配的，即金剛石出刃高度大的鉆進效率大，反之鉆進效率變小。胎體的磨損形態(tài)在很大程度上影響了金剛石的出刃高度。孕鑲金剛石鉆頭中，胎體對金剛石的包鑲有以下3種情況[12]，如圖10所示。

第1種情況是包鑲不足，這會導致金剛石在徑向載荷作用時，脫落的概率大大增加(圖10a)；第2中情況是包鑲過多，對應本文中隨機排布鉆頭密集區(qū)的包鑲狀態(tài)，即金剛石磨損后大部分埋藏在胎體中，這會使金剛石的出刃高度減小，鉆進效率低，久之甚至可能發(fā)生打滑現(xiàn)象(圖10b)；第3種是最理想的包鑲狀態(tài)，在形態(tài)上呈現(xiàn)蝌蚪形狀，這種包鑲方式既保證胎體可以牢固的把持金剛石，又使金剛石在鉆頭轉動方向上也有可觀的出刃高度，可以獲得最大的加工效率(圖10c)。

(a)包鑲不足；(b)包鑲過多；(c)蝌蚪形態(tài)出刃

隨機排布鉆頭上稀疏區(qū)單顆金剛石承受的壓強大于整個鉆頭金剛石的平均壓強，而且需要承擔更多的碎巖任務，因此發(fā)生大體積破碎的可能性大大增加；而在密集區(qū)單顆金剛石承受的壓強小于整個鉆頭金剛石的平均壓強，因此不易壓入巖石，磨削作用也相對的減弱了，所以其磨損程度較小。而在有序排布鉆頭上選取觀察的金剛石磨損程度相差不大，且在微破碎帶都發(fā)現(xiàn)了波紋狀磨痕，這種形態(tài)是金剛石處于有效工作狀態(tài)的一種標志[13]。

3 結論

通過點膠法制備了有序排布的熱壓孕鑲金剛石鉆頭，并與隨機排布的金剛石鉆頭進行了性能對比，從微觀層面上解釋了兩者性能差異的原因。得出如下結論：

(1)利用點膠-熱壓法制備多層有序排布孕鑲金剛石鉆頭的方案是可行的；(2)有序排布的熱壓孕鑲鉆頭，比隨機排布的鉆頭在50 cm進尺時鉆進效率高出23%；(3)有序排布的熱壓孕鑲鉆頭在鉆進堅硬致密巖石時，出刃高度比隨機排布鉆頭高出1倍，具有更好的自銳性，而且金剛石的磨損形態(tài)更加符合碎巖過程。

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