葉宏煜，譚松成，楊 展，謝 濤，楊凱華，

(1.武漢萬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由于沒有壓力的作用，混合均勻的胎體粉料在燒結(jié)過程中呈自由燒結(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無壓燒結(jié)的金剛石鉆頭規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，精度高。無壓燒結(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，先采用無壓燒結(jié)方法進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，無壓燒結(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℃，無壓燒結(jié)程序完成。無壓燒結(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圖3所示。經(jīng)過基恩士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，未見明顯破損和熱腐蝕現(xiàn)象，表明了金剛石沒有明顯受到強(qiáng)化熱壓工藝參數(shù)的影響，見圖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，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)專用的無銅-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。