李成龍，趙 江，段隆臣

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519002)

0 引言

孕鑲金剛石鉆頭是鉆進(jìn)硬巖的常用工具，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、石油開采、科學(xué)鉆探及建筑施工等領(lǐng)域[1-3]。隨著傳統(tǒng)資源的開采與消耗，地質(zhì)、石油鉆探逐漸向非傳統(tǒng)領(lǐng)域邁進(jìn)，包括干旱缺水地區(qū)鉆進(jìn)、深井-超深井鉆進(jìn)、地?zé)峋@進(jìn)、高原凍土及海洋天然氣水合物儲層鉆進(jìn)乃至月球鉆進(jìn)等[4-9]。在非傳統(tǒng)領(lǐng)域鉆進(jìn)，往往遇到井底高溫及鉆井液無法及時(shí)足量跟進(jìn)的限制，在一些極端情況下甚至無法使用鉆井液。金剛石鉆頭鉆進(jìn)依靠出露于胎體底唇面上的金剛石微粒的壓入-微切削作用完成，在上述工況條件下，由于冷卻不力，金剛石顆粒極易受到熱損傷而失效，造成鉆頭提前報(bào)廢，增加了鉆探成本。在這樣的背景下，提出了自潤滑孕鑲金剛石鉆頭的構(gòu)想[10]。

1 自潤滑技術(shù)及其在金剛石鉆頭中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

自潤滑技術(shù)在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其可以在傳統(tǒng)液體潤滑無法施用的環(huán)境中，為工件提供穩(wěn)定、長時(shí)間的潤滑[11-12]。這些極端環(huán)境包括高低溫、高低壓、輻射、腐蝕等等，在這些極端工作環(huán)境中，液體潤滑劑往往會失效，而固體潤滑劑則可以正常使用[13]。通過將固體潤滑劑以一定的工藝手段鑲嵌在工件材料中，即可在工件消耗的同時(shí)，釋放出固體潤滑劑，從而形成固體潤滑膜，起到潤滑對摩表面的作用[14]。

目前對自潤滑孕鑲金剛石鉆頭的研究處于初步階段。潘秉鎖等[10]研究了石墨的添加對孕鑲金剛石鉆頭力學(xué)和摩擦學(xué)性質(zhì)的影響；劉志義[15]研究了低溫低壓條件下石墨/MoS2對金剛石鉆頭胎體磨損性能的影響；謝蘭蘭等[16]研究了石墨粒度對自潤滑孕鑲金剛石鉆頭性能的影響；段隆臣等[17]研究了低溫低壓下石墨對金剛石鉆頭胎體摩擦性能的影響。

可見，目前對于自潤滑鉆頭的研究還缺乏對更多類型固體潤滑添加劑的研究。固體潤滑劑的選型研究是自潤滑孕鑲金剛石鉆頭制造理論初期研究的重點(diǎn)，這一階段的總體思路是選取多種固體潤滑劑粉末，通過粉末冶金，將其整合到已有Fe基、WC基胎體粉末中，熱壓燒結(jié)形成自潤滑鉆頭胎體試樣和微型自潤滑孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行物理力學(xué)性能測試、摩擦學(xué)測試及微鉆試驗(yàn)，從而有助于形成一套完備的自潤滑鉆頭設(shè)計(jì)理論體系。本文作為該理論體系研究的一部分，經(jīng)過文獻(xiàn)綜述與分析，率先選取了氟化鈣(CaF2)和六方氮化硼(hBN)兩種固體潤滑添加劑，制備了兩組自潤滑孕鑲金剛石鉆頭胎體試樣和微型自潤滑孕鑲金剛石鉆頭，進(jìn)行了相關(guān)研究。

固體潤滑劑種類繁多，本研究所選取的兩種固體潤滑劑均為在高溫環(huán)境下具有化學(xué)穩(wěn)定性，并具有良好潤滑性能的材料[18]。CaF2為白色無機(jī)化合物，難溶于水，自然界中存在于螢石或氟石中[19]。隨著溫度的升高，對摩面上的CaF2逐漸由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐模瑥亩哂袧櫥訹20]。其在潤滑方面的顯著特性是隨著溫度的升高，潤滑性能逐漸增強(qiáng)[21]。hBN是氮化硼(BN)的六方形態(tài)，其晶體結(jié)構(gòu)與石墨相似，因此呈現(xiàn)出許多與石墨相同的性質(zhì)，因而hBN又稱“白石墨”[22]。其潤滑原理與石墨、二硫化鎢(WS2)、二硫化鉬(MoS2)相同：晶體結(jié)構(gòu)為層狀，同一層內(nèi)，硼原子(B)與氮原子(N)以穩(wěn)定的共價(jià)鍵相連，不易被破壞，能夠承受較大的法向力；層與層之間以相對較弱的范德華力連接，因此在剪切力作用下，容易發(fā)生層間滑移，從而具有潤滑性[23]。潤滑性能方面，hBN在很大的溫度范圍內(nèi)均能保持穩(wěn)定而良好的潤滑性。兩種固體潤滑劑的晶體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 CaF2(左)與hBN(右)晶體結(jié)構(gòu)圖[24-25]

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)首先通過熱壓燒結(jié)生產(chǎn)了一批含0～10%(體積含量，下同)固體潤滑劑的Fe基孕鑲金剛石鉆頭胎體試樣(分為兩組，一組添加CaF2，另一組添加hBN)，以研究固體潤滑劑的添加對孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響。所涉及的力學(xué)性能指標(biāo)包括洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性3個(gè)方面，摩擦學(xué)性能指標(biāo)包括摩擦系數(shù)和磨損率(本文中為單位時(shí)間內(nèi)胎體試樣的磨損量)。隨后按照上述濃度梯度制備了兩組(CaF2組和hBN組)微型孕鑲金剛石鉆頭，在微鉆實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，研究自潤滑孕鑲金剛石鉆頭的進(jìn)尺，以反映固體潤滑劑的添加對孕鑲金剛石鉆頭產(chǎn)生的綜合效果。

2.1 試驗(yàn)材料與配方

制備胎體試樣及微型鉆頭的材料為市面上常見的金屬粉末、預(yù)合金粉末、固體潤滑劑粉末及金剛石。所選用的Fe基胎體配方見表1。CaF2和hBN粉末粒徑在20～30 μm，其微觀形貌圖如圖2所示。自潤滑胎體試樣和微型自潤滑鉆頭采用兩種尺寸的金剛石顆粒混合制備，所使用的金剛石目數(shù)分別為40/50目和50/60目。

表1 鉆頭胎體配方

圖2 固體潤滑劑粉末微觀形貌圖

2.2 試驗(yàn)儀器與參數(shù)

力學(xué)性能測試方面，硬度測試采用山東掖縣材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的洛氏硬度儀(圖3)，抗彎強(qiáng)度測試采用上海協(xié)強(qiáng)儀器科技有限公司制造的CTM2500型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(圖4)，沖擊韌性測試采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的PTM2450型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(圖5)。摩擦學(xué)測試在MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。鉆進(jìn)試驗(yàn)在微鉆試驗(yàn)臺上進(jìn)行。硬度測試各組各濃度測試2個(gè)試樣，取平均值；每個(gè)試樣上下表面各取3個(gè)點(diǎn)作為測試點(diǎn)，共6個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，作為該試樣的硬度值?？箯潖?qiáng)度、沖擊韌性、摩擦學(xué)測試各組各濃度取3個(gè)試樣進(jìn)行測試，取平均值。

圖3洛氏硬度計(jì)圖4 CTM2500型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)

圖5 PTM2450型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)

3 結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能測試

兩組自潤滑胎體試樣力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

表2 自潤滑胎體試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

可以看出，隨著固體潤滑劑含量的增加，兩組胎體試樣的硬度呈現(xiàn)出不同的趨勢：CaF2組試樣的硬度略有波動(dòng)，但整體呈略微增加趨勢；hBN組試樣則呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，其下降幅度在8%以后明顯增大。

該結(jié)果的產(chǎn)生與壓入硬度的測定方式和固體潤滑劑的賦存方式有關(guān)。洛氏硬度的測量原理是以硬質(zhì)點(diǎn)壓入試樣表面，以卸荷回彈后與原表面高度的差值反映材料硬度。CaF2在胎體中的分散程度遠(yuǎn)小于hBN，其對胎體結(jié)構(gòu)的破壞程度較小，因而材料對硬質(zhì)點(diǎn)的壓入具有較強(qiáng)的抵抗能力，且CaF2為塊狀，具有一定的抗壓和回彈能力，因而所得的硬度值較純胎體材料改變不大，甚至有所提升。hBN為片狀，其在胎體中分散程度較大，導(dǎo)致胎體材料之間粘結(jié)性降低，連通性增強(qiáng)，從而形成許多微小的腔室結(jié)構(gòu)，在硬質(zhì)點(diǎn)壓入時(shí)易于崩塌。且hBN為片狀，易被壓碎剝離，難以回彈，因而隨著hBN含量的增多，胎體硬度值急劇減小。

這一結(jié)果凸顯出固體潤滑劑與胎體材料之間匹配性的重要性：對于特定的胎體材料，適當(dāng)?shù)墓腆w潤滑添加劑能夠增強(qiáng)其某方面的力學(xué)性能，而另一些固體潤滑添加劑則會大幅削弱胎體材料的力學(xué)性能。因此，找到合適的固體潤滑添加劑，盡可能在提供良好潤滑性能的同時(shí)，降低對材料力學(xué)強(qiáng)度的負(fù)面影響，甚至對其產(chǎn)生增強(qiáng)作用，是自潤滑孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)理論研究初期的重點(diǎn)內(nèi)容。

抗彎強(qiáng)度方面，由表2可知，固體潤滑劑的加入，使2組胎體試樣的抗彎強(qiáng)度均出現(xiàn)了降低，但降低幅度有所不同：CaF2組試樣的下降程度明顯小于hBN組。同樣的趨勢表現(xiàn)在沖擊韌性測試中，以試樣在受沖擊斷裂中吸收的功表征試樣的沖擊韌性，由表2中數(shù)據(jù)可知，與抗彎強(qiáng)度類似，隨著固體潤滑劑含量的增多，兩組試樣的沖擊韌性均有所降低，但CaF2組的下降幅度較小，而hBN組的下降幅度較為明顯。

這一現(xiàn)象同樣與兩種固體潤滑劑的微觀結(jié)構(gòu)及在胎體材料中的分布模式有關(guān)。CaF2呈塊狀，在混料過程中不易發(fā)生破碎而均勻分布于胎體粉末中，燒結(jié)后賦存于胎體結(jié)構(gòu)的空隙里，只有部分夾雜在胎體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)部位，因此對胎體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞較小；hBN呈片狀，易剝落，在混料過程中破碎成細(xì)小的單獨(dú)片狀單元，分散于胎體結(jié)構(gòu)中，大大降低了胎體材料的連結(jié)程度，增強(qiáng)了胎體內(nèi)孔隙的連通性，因而造成胎體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。胎體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，微觀上是同一截面上胎體材料連結(jié)面積減小(被固體潤滑劑隔斷)，因此在相同的外界拉(壓)力作用下，該橫截面上的拉(壓)應(yīng)力增加，宏觀上表現(xiàn)為材料更易拉斷、開裂。

3.2 摩擦學(xué)測試

對兩組自潤滑胎體試樣在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗(yàn)，對摩件為剛玉砂輪。主要測定摩擦過程中的平均摩擦系數(shù)及磨損率，所得結(jié)果如表3所示。

表3 自潤滑胎體試樣摩擦學(xué)性能測試結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知，隨著固體潤滑劑含量的增多，兩組胎體試樣對摩表面的摩擦系數(shù)均有所降低，這表明固體潤滑劑的添加使胎體試樣具有了自潤滑性能，并且隨著固體潤滑劑含量的增多，對摩面潤滑條件得到更大的改善。然而，兩組試樣在磨損率方面表現(xiàn)出了不同。CaF2組試樣磨損率隨著固體潤滑劑含量的增加，先出現(xiàn)了小幅度上升，隨后開始下降，其下降趨勢在本文設(shè)置的最大固體潤滑劑添加量處已出現(xiàn)放緩跡象，但不一定是理論上的最低值。hBN組試樣磨損率則表現(xiàn)為單調(diào)遞增。

兩組試樣摩擦系數(shù)所表現(xiàn)出的單調(diào)遞減，是鑲嵌在胎體骨架中的固體潤滑劑成分在由于材料熱膨脹系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力作用下析出，并涂覆在對摩表面之間的結(jié)果。固體潤滑劑的存在使原本的對摩表面分隔開來，使對摩表面之間的摩擦變成了固體潤滑劑材料內(nèi)部的摩擦，因此摩擦系數(shù)減小。磨損率是摩擦系數(shù)與材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。固體潤滑劑的加入，一方面起到了潤滑作用，另一方面削弱了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)可知，CaF2的添加對材料的力學(xué)性能破壞明顯小于hBN，由摩擦測試數(shù)據(jù)可知，CaF2降低摩擦系數(shù)的幅度與hBN基本相同，因此，作為兩方面綜合體現(xiàn)的磨損率而言，CaF2組出現(xiàn)了小幅上漲隨后持續(xù)的下降，hBN組則出現(xiàn)了單調(diào)遞增，表明hBN對材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞程度較大。

3.3 微鉆試驗(yàn)

使用熱壓燒結(jié)爐燒制了微型自潤滑孕鑲金剛石鉆頭，在微鉆實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行微鉆試驗(yàn)，鉆進(jìn)對象為砂巖巖樣，鉆頭進(jìn)尺如圖6所示。

圖6 鉆頭進(jìn)尺隨固體潤滑劑含量變化

由圖6可知，隨著CaF2含量的增加，鉆頭進(jìn)尺略有提高；而hBN含量的增加使鉆頭進(jìn)尺大幅降低。結(jié)合之前試驗(yàn)分析可知，hBN鉆頭的力學(xué)強(qiáng)度弱于CaF2鉆頭，因此在鉆進(jìn)過程中，雖然hBN鉆頭也能產(chǎn)生自潤滑效果，但其胎體很容易被破壞，造成金剛石的過早剝落。相比之下，CaF2鉆頭胎體的力學(xué)性能降低不大，隨著CaF2含量的增多，自潤滑效果增強(qiáng)，降低了對摩表面的摩擦熱，從而降低了金剛石熱損傷，延長金剛石使用壽命，使鉆頭進(jìn)尺得以提高。

4 結(jié)論與展望

本文試驗(yàn)表明，固體潤滑劑CaF2與hBN的添加使孕鑲金剛石鉆頭胎體具備了自潤滑功能，使鉆頭在鉆進(jìn)過程中底唇面與對摩件之間的摩擦系數(shù)顯著降低，隨著固體潤滑劑添加量的增加，摩擦系數(shù)降低幅度增大。同時(shí)，固體潤滑劑的加入降低了胎體材料的力學(xué)強(qiáng)度，CaF2對胎體力學(xué)強(qiáng)度的負(fù)面影響較小，甚至能提高胎體的硬度，而hBN對胎體力學(xué)性能的削弱程度較大。由于這一原因，隨著固體潤滑劑含量的增多，CaF2組胎體磨損率先略微增加，后逐漸降低，其理論最低值可能出現(xiàn)在CaF2含量大于10%處，需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究；而hBN組磨損率則隨著hBN含量呈單調(diào)遞增。微鉆試驗(yàn)表明，隨著CaF2添加量的增多，鉆頭進(jìn)尺小幅增加，而隨著hBN含量的增多，鉆頭的進(jìn)尺大幅減少。綜上所述，就制造自潤滑孕鑲金剛石鉆頭而言，CaF2比hBN更適合作為Fe基孕鑲金剛石鉆頭胎體添加劑，能夠起到提高鉆頭進(jìn)尺的作用。

自潤滑孕鑲金剛石鉆頭理論體系的研究正處于初期階段，當(dāng)前的主要任務(wù)是固體潤滑添加劑的選型。固體潤滑劑的合理選擇，或不同種固體潤滑劑之間的合理匹配，有望實(shí)現(xiàn)孕鑲金剛石鉆頭力學(xué)強(qiáng)度和摩擦學(xué)性能的共同提升，從而在特殊工作條件下更好地保護(hù)金剛石顆粒，延長鉆頭使用壽命，提高鉆頭進(jìn)尺。