李俊萍， 胡 立， 唐治建， 鄧 偉

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

0 引言

金剛石鉆頭胎體由骨架材料和粘結(jié)材料組成，胎體材料通常采用鎢鈷類粉末作為骨架材料、銅錫鋅鎳等作為粘結(jié)材料進(jìn)行機(jī)械球磨混合。鉆頭性能的優(yōu)劣除了受金剛石、胎體骨架材料和粘結(jié)材料本身性質(zhì)的影響外，金剛石與粘結(jié)材料間的結(jié)合狀態(tài)對工具性能也有重要影響[1]。胎體材料中粘結(jié)材料的主要作用是改善骨架材料的性能以及胎體材料對金剛石的潤濕性，實(shí)現(xiàn)胎體對金剛石的有力包鑲，從而提高金剛石鉆頭綜合性能。但是粘結(jié)材料的各種單質(zhì)粉末在保存和燒結(jié)過程中，均有不同程度的氧化，包括Co粉、Mn粉等。金屬氧化物的熔點(diǎn)一般都高于其單質(zhì)粉的熔點(diǎn)。因此，在正常燒結(jié)溫度下，粘結(jié)材料往往存在燒結(jié)不充分的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不僅使鉆頭胎體液相數(shù)量相對減少，而且氧化物本身還直接影響粘結(jié)材料對骨架材料、金剛石的粘結(jié)性和潤濕性，最終影響鉆頭燒結(jié)質(zhì)量。

國外學(xué)者對粘結(jié)材料性能已做了大量研究[2-7]。在國內(nèi)，自預(yù)合金粉末研制成功后，普遍使用預(yù)合金粉末來提高金剛石工具的綜合性能[8-11]，其中超細(xì)預(yù)合金粉末在金剛石工具胎體中的應(yīng)用研究也取得了較好的應(yīng)用效果，其應(yīng)用也越來越廣泛[12-14]。超細(xì)預(yù)合金粉末具有良好的燒結(jié)性能，與單質(zhì)粉末相比，具有更低的熔點(diǎn)，不僅可以降低燒結(jié)溫度，減少燒結(jié)過程對金剛石的熱損傷，降低金剛石顆粒的石墨化，還可提高胎體對金剛石的把持力，從而提高金剛石工具的使用壽命和效率。

在前期的工作基礎(chǔ)上，對于現(xiàn)有的胎體配方，加入FeCoCu超細(xì)預(yù)合金粉末，調(diào)整胎體配方，進(jìn)行了一些試驗(yàn)性研究，達(dá)到改善鉆頭胎體性能的目的，為設(shè)計(jì)金剛石鉆頭提供一些參考。

1 超細(xì)預(yù)合金粉末的選擇與試驗(yàn)

1.1 超細(xì)預(yù)合金粉末的選擇

市場上預(yù)合金粉末種類很多，經(jīng)過多輪試驗(yàn)篩選，其中FeCoCu粉末對提高鉆頭性能效果比較顯著。因此，針對FeCoCu粉末進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

FeCoCu粉末的主要物理性質(zhì)為：氧含量<0.8%，費(fèi)氏粒度1.5～4.5 μm，激光中位徑10～20 μm，松裝密度1.1～1.7 g/cm3，理論密度8.36 g/cm3。

FeCoCu預(yù)合金粉末與傳統(tǒng)鉆頭胎體粉末中的單質(zhì)粉對比，由于每顆FeCoCu預(yù)合金粉末顆粒均含有各組成成分、合金化充分，均勻性更好，能夠有效避免成分偏析，另一方面，由于其粉末顆粒粒度更細(xì)，胎體粉末的熱壓燒結(jié)溫度低，不僅避免了高溫對金剛石顆粒的熱損傷，并且起到了節(jié)能降耗的作用，一定程度上降低了鉆頭的生產(chǎn)成本。

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)共分為2個(gè)階段，第一階段的試驗(yàn)?zāi)康闹饕球?yàn)證FeCoCu粉末能否完全替代663Cu粉末，作為粘結(jié)材料。在已有胎體配方基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，如表1所示，WC粉末具有較好的耐磨性，由于其高硬度、高強(qiáng)度的特性，被廣泛的應(yīng)用于金剛石工具中，WC粉末作為骨架材料，提高胎體的硬度和耐磨性，提高鉆頭的鉆進(jìn)壽命；FeCoCu預(yù)合金粉和663Cu粉末作為粘結(jié)材料，包鑲金剛石，保證金剛石正常工作；適量的鎳等粉末能在燒結(jié)過程中與銅元素形成固溶體，起到固溶強(qiáng)化作用，并且能防止高溫時(shí)液相的流失。

表1 胎體配方 %

WC粉末含量為常量，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉末和663Cu粉末的添加量占配方總量的40%且呈梯度變化，余量為Ni、Mn等粉末。

將各配方進(jìn)行混料后，分別裝模燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：采用中頻熱壓燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力18 MPa，燒結(jié)溫度為950 ℃，保溫時(shí)間為5 min。對燒結(jié)后的胎體試樣進(jìn)行洛氏硬度測試。采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)，測3點(diǎn)取平均值，具體試驗(yàn)值如圖1所示。

圖1 硬度統(tǒng)計(jì)圖

通過圖1曲線數(shù)據(jù)反映：從1-1胎體至1-5胎體，663Cu粘結(jié)材料從40%遞減到0，胎體硬度并沒有隨著663Cu粘結(jié)材料的減少而升高，而是呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。FeCoCu粉末添加量從10%遞增到40%，胎體硬度值并沒有較大幅度的變化，最大變化梯度值僅2.5。

從上述分析可以推斷：FeCoCu粉末并不能完全替代663Cu粉末作為熱壓鉆頭胎體的粘結(jié)材料。根據(jù)圖上數(shù)據(jù)可以看出，663Cu含量至少達(dá)到30%以上，對于FeCoCu粉末的添加，胎體硬度才有相應(yīng)的反饋。為了驗(yàn)證這個(gè)規(guī)律，進(jìn)行了第二階段的試驗(yàn)，其主要目的是驗(yàn)證當(dāng)663Cu粉末達(dá)到30%以上，胎體硬度會隨著FeCoCu粉末添加量的變化呈一定趨勢的變化。在第一輪胎體配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，第二輪的胎體配方如表2所示。663Cu粉末的含量為常量，以FeCoCu粉末的添加量作為自變量，WC粉末含量作為因變量。

如圖2所示為第二輪燒結(jié)胎體試樣的洛氏硬度3點(diǎn)測試的平均值。

從圖2、表2中可以發(fā)現(xiàn)，從2-5胎體到2-1胎體，隨著FeCoCu預(yù)合金粉末含量按梯度增加，WC骨架材料含量隨之減少，胎體硬度隨之降低。如圖2所示，當(dāng)663Cu含量達(dá)到30%時(shí)，鉆頭胎體硬度隨著FeCoCu粉末含量的變化有明顯的梯度變化，梯度為5～7，最大達(dá)到10。

表2 胎體配方 %

圖2 FeCoCu含量與胎體硬度值曲線

編號3-5胎體至3-1胎體，663Cu含量為35%，從圖2曲線圖可以看出，隨著FeCoCu粉末含量的梯度增加，鉆頭胎體硬度有隨之下降的趨勢，但各個(gè)配方之間的胎體硬度變化值沒有明顯的區(qū)間梯度。3-5胎體和3-4胎體硬度差值為1.62，3-3胎體和3-2胎體硬度差值僅為0.33。

試驗(yàn)表明：663Cu含量達(dá)到30%是最優(yōu)的基礎(chǔ)含量，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)節(jié)WC粉末和FeCoCu粉末之間的配比關(guān)系，能夠在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鉆頭胎體硬度，適應(yīng)不同的地層鉆進(jìn)要求。

1.3 回歸擬合

為了更好地分析FeCoCu預(yù)合金粉末與胎體硬度之間邏輯關(guān)系，采用SPSS軟件，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，選取了線性模型、二次曲線模型和三次曲線模型進(jìn)行擬合。采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，R平方為回歸平方和與總離差平方和的比值，表示回歸方程中自變量FeCoCu預(yù)合金粉末對因變量胎體粉末的解釋程度，這一比值越大越好，模型越精確，回歸效果越顯著。R平方介于0～1，越接近1，回歸擬合效果越好。根據(jù)表3回歸分析結(jié)果中R平方值表明：三次曲線模型的擬合效果最好。3種曲線模型的擬合效果如圖3所示。

表3 回歸分析統(tǒng)計(jì)

圖3 3種曲線模型與試驗(yàn)數(shù)值的擬合效果圖

回歸分析的擬合方程為：

Y=0.116X-0.032X2+36.018

(1)

式中：Y——胎體硬度HRC值；X——FeCoCu粉末添加量。

以式(1)為依據(jù)，可以通過FeCoCu預(yù)合金粉末的添加量，預(yù)測鉆頭胎體硬度理論值，為后續(xù)胎體耐磨性的研究提供一定的參考依據(jù)。

2 鉆頭試驗(yàn)

江蘇省連云港市鉆孔鉆遇堅(jiān)硬致密黑云母花崗巖(見圖4)，在鉆進(jìn)施工中不進(jìn)尺。

圖4 花崗巖巖心

鉆頭設(shè)計(jì)思路：針對堅(jiān)硬致密黑云母花崗巖，鉆頭胎體硬度應(yīng)較高并具有較好的耐磨性，保證鉆頭具有較高的壽命。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，添加FeCoCu預(yù)合金粉末，調(diào)節(jié)鉆頭胎體硬度為HRC30～35，主要采用40～70目的混合金剛石，鉆頭規(guī)格為S76/46，如圖5所示。細(xì)粒金剛石在單位唇面上分布的顆粒數(shù)多，有利于提高鉆頭的耐磨性，粗顆粒金剛石有利于提高金剛石破巖效率，保證鉆頭具有較好的鉆進(jìn)效率和壽命[16]。通過野外鉆進(jìn)數(shù)據(jù)表明，平均鉆進(jìn)速度約為2.6 m/h，鉆頭壽命約40 m，比其他廠家的鉆頭提高了22%，降低了施工成本。

圖5 鉆進(jìn)后的鉆頭

3 結(jié)論

(1)在已有配方的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)表明FeCoCu預(yù)合金粉末不能完全替代663Cu粉末作為熱壓鉆頭的粘結(jié)材料。

(2)在663Cu含量為30%的前提下，在金剛石鉆頭胎體組成成分中添加FeCoCu預(yù)合金粉末，通過調(diào)節(jié)與WC粉末的配比關(guān)系，能夠有效地調(diào)節(jié)鉆頭胎體硬度，適應(yīng)不同的地層。

(3)通過回歸分析，胎體硬度Y值與FeCoCu粉末添加量X值存在數(shù)學(xué)關(guān)系為：Y=0.116X-0.032X2+36.018，可以通過回歸方程預(yù)測、驗(yàn)證各配方的胎體硬度，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

(4)添加FeCoCu預(yù)合金粉末的金剛石鉆頭在野外試驗(yàn)應(yīng)用中獲得了較好的試驗(yàn)效果，平均鉆進(jìn)速度約為2.6 m/h，鉆頭壽命約40 m，比其他廠家的鉆頭提高了22%。

(5)本次試驗(yàn)只是一個(gè)初步性試驗(yàn)，為此類胎體配方的后續(xù)研究提供一些經(jīng)驗(yàn)積累。