地質(zhì)鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究綜述

高曉亮 王訓(xùn)波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院 北京 100083)

地質(zhì)鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究綜述

高曉亮 王訓(xùn)波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院 北京 100083)

簡(jiǎn)要的從金剛石鉆頭胎體的骨架材料、粘結(jié)材料、碳化物形成元素和其它材料的改變或添加對(duì)近年來地質(zhì)鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

金剛石鉆頭 胎體材料 熱壓 綜述 地質(zhì)鉆探

1 引言

在地質(zhì)鉆探過程中,熱壓金剛石鉆頭以其工藝簡(jiǎn)單、成型快、性能易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)受到廣大鉆探施工隊(duì)伍的歡迎,并長(zhǎng)期應(yīng)用于地質(zhì)鉆探行業(yè)。但是由于我國(guó)幅員遼闊,地質(zhì)條件不一,所需要的鉆頭性能也不盡相同。因此,通過調(diào)節(jié)胎體中各組分含量來控制金剛石鉆頭的各項(xiàng)參數(shù)以適應(yīng)不盡相同的地層條件已成為一種成熟的方法。另外,為改善金剛石鉆頭胎體的硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度等性能,還可以在胎體中添加少量改性材料,以期達(dá)到較好的應(yīng)用效果。本文將從構(gòu)成金剛石胎體的骨架材料、粘結(jié)材料、碳化物添加材料以及其他添加材料對(duì)近年來地質(zhì)鉆探用熱壓金剛石胎體改性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 骨架材料的改變

傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探用鉆頭胎體多采用碳化鎢基胎體骨架材料,而鐵基胎體是用鐵或者鐵合金代替碳化鎢制作鉆頭,但是由于鐵基胎體在高溫下容易侵蝕金剛石,使其產(chǎn)生嚴(yán)重的石墨化現(xiàn)象,從而限制了鐵基胎體的推廣應(yīng)用。近年來,隨著鐵基胎體的繼續(xù)研究,肖俊玲等提出了在鐵基胎體中添加磷元素的設(shè)想,并通過實(shí)驗(yàn)證明其可行性,添加磷元素后的金剛石胎體中的磷優(yōu)先與鐵反應(yīng),抑制了鐵對(duì)金剛石的侵蝕作用。之后,地質(zhì)鉆探行業(yè)進(jìn)行了高磷鐵基金剛石鉆頭胎體的研究。以下是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)楊洋等進(jìn)行的鐵基胎體硬度及耐磨性優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明,經(jīng)過調(diào)整胎體中各組分含量,鐵基胎體硬度能達(dá)到 HRC100以上,耐磨性也能滿足地質(zhì)鉆探用鉆頭胎體的要求,采用相應(yīng)配方制作鉆頭進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)后,在IX級(jí)巖石中能達(dá)到1.9以上的時(shí)速,總進(jìn)尺也能滿足要求。

添加磷的鐵基胎體能減少鐵對(duì)金剛石的侵蝕是因?yàn)?磷能夠降低鐵基合金的燒結(jié)溫度,鐵優(yōu)先與磷反應(yīng)而減緩了鐵與金剛石的反應(yīng)。另外,磷起著抑制鐵對(duì)金剛石的侵蝕作用,因此能最大限度地降低鐵元素對(duì)金剛石的熱侵蝕。

3 粘結(jié)材料的改變

普通粘結(jié)材料對(duì)金剛石的包鑲大多只能使金剛石出刃高度為粒徑的三分之一左右,為了保證金剛石的包鑲強(qiáng)度,提高金剛石利用率。張文姣等提出了用釬焊法制造金剛石鉆頭,釬焊法是指用釬料為粘結(jié)材料,對(duì)金剛石進(jìn)行包鑲,金剛石出刃高度可達(dá)粒徑的1/2～2/3,大大改善了金剛石的包鑲強(qiáng)度與利用率。這是因?yàn)殁F焊料在金剛石顆粒表面形成一層碳化物膜,這層膜與胎體料的潤(rùn)濕角變得更小,結(jié)合就更為牢固。

在鉆頭制作中可采用Ni-Cr釬焊料,添加少量銅以降低潤(rùn)濕角。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,釬焊地質(zhì)金剛石鉆頭具有金剛石出刃高,鉆進(jìn)時(shí)效好,壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是,釬焊金剛石鉆頭現(xiàn)在只能進(jìn)行單層金剛石鍍覆,而且其釬料選擇和制造工藝尚缺乏成熟的理論指導(dǎo),有待于進(jìn)一步深入研究。

4 碳化物形成元素的添加

添加碳化物形成元素是指在傳統(tǒng)配方基礎(chǔ)上,適量加入W、Fe、Cr、Ti等金屬,使其在鉆頭燒結(jié)過程中與金剛石表面C原子懸掛鍵結(jié)合,形成碳化物層,使胎體和金剛石之間以弱化學(xué)鍵和化學(xué)鍵粘著,增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的包鑲。

實(shí)驗(yàn)表明,碳化物形成元素在Cu基合金中,降低了Cu合金和金剛石的內(nèi)界面張力,使接觸角降低,從而降低了與金剛石間的潤(rùn)濕角,加固了包鑲。

吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所孫洪義等對(duì) W、Fe、Cr的添加量對(duì)胎體性能的影響進(jìn)行了研究,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):

W的含量在10～15%之間胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)作用明顯。Fe的加量在10%以內(nèi)可獲得適當(dāng)?shù)挠捕?較高的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和對(duì)金剛石的包鑲能力。Cr的加量在3%以內(nèi)胎體的抗彎強(qiáng)度不下降或下降小,但超過2%后出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象,所以Cr含量應(yīng)控制在2%以內(nèi)。

另外 ,在胎體中還可以添加 V、Nb、Ta、Zr、Ni、Co、Si等其它元素,也能產(chǎn)生相應(yīng)效果,但添加量對(duì)胎體性能的影響有待進(jìn)一步研究。

5 其他材料的添加

有資料表明,在胎體中添加稀土元素能改善胎體的機(jī)械性能。而石墨的添加則可以改善金剛石的自潤(rùn)滑性能。并且現(xiàn)在已有部分單位嘗試在金剛石鉆頭中添加碳纖維、碳化硅纖維等新材料,以提高金剛石鉆頭的耐磨性能。

5.1 稀土元素的添加

在金剛石胎體配方中添加一定量的稀土元素,可以降低共晶合金的熔點(diǎn),具有有效地脫氧、脫硫、脫氮作用,能抑制硫、氧、氮的偏析,凈化金剛石與胎體界面,提高材質(zhì)機(jī)械性能,并且能降低液態(tài)合金對(duì)金剛石的接觸角。

另外,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)王偉雄等研究表明,在鉆頭富鐵胎體間添加0.1～0.8%wt稀土元素(La),可以提高富鐵胎體在高溫時(shí)的定壓熱容,降低富鐵胎體在低溫時(shí)的定壓熱容,從而可以提高富鐵胎體對(duì)金剛石的包鑲能力,有效地改善胎體的機(jī)械性能,經(jīng)研究表明,添加稀土元素后,35%Fe基胎體的抗彎性能、抗沖擊韌性均能提高10%以上,孔隙率也降低了3%。

5.2 石墨的添加

周紅心等人為了改善打滑地層中金剛石胎體的性能,在胎體中添加少量顆粒狀石墨,使得鉆頭在鉆進(jìn)過程中,胎體內(nèi)的石墨顆粒提前脫離胎體唇面,造成底唇面的若干微型凹坑,有效地降低鉆頭底唇面與孔底巖石的接觸面積,并存儲(chǔ)少量鉆井液,改善了鉆進(jìn)條件,使鉆進(jìn)實(shí)效由原來的0.5m提高到1m。

潘秉鎖等人對(duì)在金剛石胎體中添加石墨后,胎體的機(jī)械性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),石墨能降低金剛石胎體的摩擦系數(shù),改善金剛石鉆頭的自潤(rùn)滑性能,但是隨著石墨含量的增多,胎體的抗彎強(qiáng)度、硬度會(huì)有所下降,當(dāng)石墨加量在6%以內(nèi)時(shí),胎體摩擦性能隨石墨加量提高,超過6%則隨之降低。

6 結(jié)論

(1)用鐵代替碳化鎢作為金剛石鉆頭的胎體的骨架材料,能夠滿足鉆頭胎體的硬度,耐磨性要求,通過添加較高含量的磷可以減弱鐵對(duì)金剛石的侵蝕作用。

(2)用釬焊材料做金剛石鉆頭的粘結(jié)材料可以提高對(duì)金剛石的包鑲能力,金剛石出刃高度可達(dá)粒徑的1/2～2/3。

(3)碳化物形成元素的添加,可以提高金剛石與粘結(jié)材料的潤(rùn)濕角,使胎體材料對(duì)金剛石的包鑲更加牢固。

(4)稀土元素的添加,可以改善金剛石鉆頭胎體的機(jī)械性能。

(5)石墨可以改善金剛石鉆頭的自潤(rùn)滑性能,顆粒狀石墨可以增加鉆頭與巖石的接觸面積,改善打滑地層的鉆進(jìn)條件。

1 肖俊玲、胡國(guó)輝等.高磷鐵基金剛石工具胎體合金的研究.湖南冶金,2001(11)

2 楊洋、潘秉鎖等.熱壓鐵基金剛石鉆頭胎體性能及鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究.金剛石與磨料磨具工程,2009(4)

3 王偉雄、段隆臣等.稀土提高富鐵胎體包鑲金剛石能力的試驗(yàn)研究.煤田地質(zhì)與勘探,2002(4)

4 段隆臣、田永常等.金剛石工具富鐵胎體摻雜稀土的研究.地質(zhì)科技情報(bào),2002(9)

5 孫洪義、劉樹華.孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭反應(yīng)性胎體的研究.西部探礦工程,2000(4)

6 章文姣、葉宏煜等.釬焊地質(zhì)金剛石鉆頭的試驗(yàn)與研究.金剛石磨料磨具工程,2009(2)

7 潘秉鎖、方小紅等.自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體材料初步研究.探礦工程,2009(1)

8 周紅心.堅(jiān)硬致密巖層鉆進(jìn)用熱壓金剛石鉆頭的研究.探礦工程,2007(4)

9 楊凱華、潘秉鎖.金剛石地質(zhì)鉆頭的現(xiàn)狀與發(fā)展.超硬材料工程,2009(4)

10 姜榮超、雷雨.國(guó)外超硬材料工具的最新應(yīng)用與進(jìn)展.超硬材料工程,2008(8)

2010年3月10日)