納米金剛石鉆頭試驗(yàn)研究

湯鳳林，高申友，Чихоткин В．Ф．，彭 莉，蔣國(guó)盛，張曉西，盧春華

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074;2．無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇無錫214174)

1 概述

納米技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，主要研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米技術(shù)是一門應(yīng)用科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)(混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理學(xué)、分子生物學(xué))和現(xiàn)代技術(shù)(計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù))相結(jié)合的產(chǎn)物。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森曾指出，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。

納米材料是20世紀(jì)90年代后期興起的一種高新材料，納米級(jí)金剛石是近幾年來用爆炸技術(shù)合成的一種新材料。它不但具有金剛石的固有特性，而且具有小尺寸效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，因而展現(xiàn)出納米材料的特性。在爆炸波中合成的這種金剛石具有立方組織結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為(0.3562+0.0003)nm，晶體密度為 3.1 g/cm3，比表面積為300～390 m2/g。經(jīng)過不同的化學(xué)處理后，金剛石表面可以形成多種不同的官能團(tuán)，這種金剛石晶體具有很高的吸附能力。

俄羅斯、美國(guó)等國(guó)家在開展爆炸合成納米級(jí)金剛石技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)方面起步較早，已經(jīng)開發(fā)出不少的產(chǎn)品，取得了很好的成果。我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究起步較晚，但也取得了一定的成果［1－4］。

2 納米金剛石

納米金剛石(nanodiamond)是利用負(fù)氧平衡炸藥在爆炸(轟)過程中產(chǎn)生的游離碳，控制爆轟時(shí)的壓力和溫度，使之轉(zhuǎn)變成5～20 nm粒徑的微晶金剛石顆粒。特殊的合成條件使其基本顆粒近球形，表面具有豐富的功能團(tuán)，比表面積相對(duì)普通金剛石產(chǎn)品提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。納米金剛石不僅有金剛石極好的硬度和研磨特性，同時(shí)也具有納米功能材料的新特性。

納米金剛石在磨料磨具領(lǐng)域主要用來與胎體金屬混合制造出高強(qiáng)度低氣孔率的金剛石燒結(jié)體，其顯微硬度可達(dá)6000～7000 kg/mm2(60～70 GPa)，可用來加工軟或脆性材料，加工表面粗糙度很低。如果預(yù)先外延生長(zhǎng)碳或添加靜壓合成的金剛石微粉，在10～12 GPa壓力下燒結(jié)獲得的金剛石聚晶顯微硬度可以達(dá)到天然金剛石單晶的水平［5］。

俄羅斯圣彼得堡聯(lián)邦國(guó)家專門聯(lián)合設(shè)計(jì)局(ФГУП СКТБ)利用最新技術(shù)和工藝研制出了年產(chǎn)1 t的納米金剛石的成套設(shè)備(見圖1)。該設(shè)備生產(chǎn)納米金剛石分為2個(gè)階段:第一個(gè)階段是生產(chǎn)含納米金剛石的粉料(圖1a);第二個(gè)階段是在高壓作用下，利用反應(yīng)堆對(duì)粉料進(jìn)行熱力氧化處理和化學(xué)提純處理(圖 1b)［6］。

圖1 生產(chǎn)納米金剛石的成套設(shè)備

烏克蘭超硬材料研究所(ИСМ)利用三硝基甲苯和黑索金炸藥(三甲基三硝基胺)爆炸方法研制出了納米金剛石 АСУД －50、АСУД －75、АСУД －95和АСУД－99。每種納米金剛石都有其不同的使用目的和使用范圍。上述納米金剛石的物理化學(xué)指標(biāo)見表 1［7］。

表1 烏克蘭超硬材料研究所研制的納米金剛石物理化學(xué)指標(biāo)

3 納米金剛石鉆頭試驗(yàn)

烏克蘭超硬材料研究所 Г. П. Богатырева博士等人對(duì)研制的納米金剛石鉆頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)［8］。

3．1 試驗(yàn)條件

鉆頭上鑲有AC125T型人造金剛石，粒度為400/315 μm，相對(duì)濃度為125%。在用作對(duì)比的鉆頭胎體粉料中，沒有加入納米金剛石ДНА。

鉆頭試驗(yàn)是在專門設(shè)計(jì)的鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)由改進(jìn)的2H58型直立鉆床和液壓給進(jìn)系統(tǒng)以及沖洗系統(tǒng)組成。

試驗(yàn)所用巖石為科羅斯德舍夫花崗巖，可鉆性為10級(jí)，壓模硬度pш=237 dN/mm2(2.37 kPa)，研磨性為43，可鉆性聯(lián)合指標(biāo)為pm=34.2～51.2，每次試驗(yàn)鉆進(jìn)巖石深度均為0.4 m。

3．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果是用胎體耐磨性和破碎單位體積巖石消耗的功這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的。用破碎單位體積巖石消耗的功來評(píng)價(jià)鉆頭鉆進(jìn)效果，可能比用機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺進(jìn)行評(píng)價(jià)更加科學(xué)和客觀。

磨損試驗(yàn)條件與生產(chǎn)條件相同;所有鉆頭的試驗(yàn)條件都是相同的;鉆頭試驗(yàn)后高度磨損量用МИГ儀器進(jìn)行，精度達(dá)1 μm。

鉆頭高度磨損強(qiáng)度I按下式計(jì)算:

式中:hi——鉆頭高度磨損量，mm;D外、D內(nèi)——鉆頭外徑和內(nèi)徑，mm;n——鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;T——鉆進(jìn)時(shí)間，min。

機(jī)械鉆速(每轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)尺)不變時(shí)，巖石破碎效果用破碎單位體積巖石消耗的功進(jìn)行評(píng)價(jià)。破碎單位體積巖石消耗的功A比按下式計(jì)算:

式中:N——破碎巖石消耗的功率，kW;T——鉆進(jìn)時(shí)間，min;D外、D內(nèi)——鉆頭外徑和內(nèi)徑，mm;L——鉆進(jìn)試驗(yàn)進(jìn)尺，m。

鉆頭試驗(yàn)時(shí)的鉆頭轉(zhuǎn)速為400～800 r/min，因?yàn)榻饎偸a(chǎn)鉆進(jìn)中這種轉(zhuǎn)速最為常用，所以選用了這個(gè)轉(zhuǎn)速。得到的機(jī)械鉆速為1.5～4.8 m/h，與生產(chǎn)條件下的鉆速基本相當(dāng)。由于鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺分別為63、80和100 μm保持不變，所以一個(gè)循環(huán)中所用所有4種試驗(yàn)鉆頭的機(jī)械鉆速都是相同的。

3．3 試驗(yàn)結(jié)果

第一階段試驗(yàn)的目的是確定金剛石鉆頭胎體材料(YG+Cu)硬度與胎體中ДНА含量的關(guān)系(見圖2)。

從圖2可見，胎體硬度是變化的。與未加納米金剛石的胎體比較，加有納米金剛石的胎體硬度皆隨納米金剛石含量的增加而增大，加有體積2%納米金剛石的胎體硬度增加了30%。繼續(xù)加大納米金剛石含量時(shí)，鉆頭胎體硬度降低。

圖2 金剛石鉆頭胎體材料(YG+Cu)硬度與胎體中ДНА含量的關(guān)系

第二階段試驗(yàn)的目的是確定鉆頭耐磨性與其胎體中納米金剛石含量的關(guān)系和破碎單位體積巖石消耗的功與納米金剛石含量的關(guān)系。

鉆進(jìn)科羅斯德舍夫花崗巖時(shí)，鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)n不同、每轉(zhuǎn)不同進(jìn)尺時(shí)，磨損強(qiáng)度與鉆頭胎體中ДНА含量的關(guān)系試驗(yàn)資料見圖3。

不同轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)不同進(jìn)尺時(shí)，破碎單位體積科羅斯德舍夫花崗巖消耗的功與鉆頭胎體中ДНА含量的關(guān)系試驗(yàn)資料見圖4。

圖3 不同轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)不同進(jìn)尺時(shí)，磨損強(qiáng)度與鉆頭胎體中ДНА含量的關(guān)系曲線

圖4 不同轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)不同進(jìn)尺時(shí)，破碎單位體積科羅斯德舍夫花崗巖消耗的功與鉆頭胎體中ДНА含量的關(guān)系曲線

從圖3可見，對(duì)于所有試驗(yàn)的鉆頭來說，胎體磨 損強(qiáng)度皆隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加和每轉(zhuǎn)給進(jìn)進(jìn)尺的增加(請(qǐng)注意每轉(zhuǎn)進(jìn)尺不同時(shí)，圖3a、3b、3c縱坐標(biāo)上的磨損數(shù)值比例尺不同)而增加，這是共同的規(guī)律性?？紤]到巖石破碎過程是用正常規(guī)程進(jìn)行的，所以，對(duì)于各種數(shù)值的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺來說，鉆頭磨損強(qiáng)度與每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系都是一條直線或者是接近一條直線。圖3還表明，在鉆頭任何轉(zhuǎn)數(shù)條件下和任何每轉(zhuǎn)進(jìn)尺條件下，當(dāng)納米金剛石在胎體中的體積含量為1%和2%時(shí)，鉆頭磨損強(qiáng)度最小，即鉆頭耐磨性最大。當(dāng)納米金剛石在胎體中的體積含量大于2%時(shí)，鉆頭磨損強(qiáng)度增大，而且接近于胎體中不含納米金剛石胎體的磨損強(qiáng)度的數(shù)值。

必須指出的是，與鉆頭每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)相比，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺這個(gè)參數(shù)可以引起鉆頭磨損強(qiáng)度發(fā)生較大的變化。這是因?yàn)閹r石破碎體積的增加會(huì)引起作用在鉆頭工作唇面上的動(dòng)載增加，從而提高了胎體和位于胎體唇面上金剛石與巖石的摩擦力。

可以認(rèn)為，上述關(guān)系可能與破碎巖石消耗的功率與巖石摩擦消耗的功率的比例不同有關(guān)，示于圖4上關(guān)于巖石破碎過程能量消耗的資料，可以證明這一點(diǎn)。這是因?yàn)?，隨著胎體硬度的增加，胎體抵制被破碎巖石巖屑產(chǎn)生的研磨性磨損的能力也增加了。

從圖4可見，對(duì)破碎單位巖石消耗的功的試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析表明，胎體中ДНА體積含量占1%～2%的試驗(yàn)鉆頭，破碎單位巖石消耗的功均為較小。鉆頭轉(zhuǎn)速400 r/min、每轉(zhuǎn)進(jìn)尺63 μm和胎體中ДНА體積含量占2%的試驗(yàn)鉆頭破碎單位巖石消耗的功最小(見圖4a)?？梢哉J(rèn)為這是鉆進(jìn)上述花崗巖時(shí)的最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程。

4 認(rèn)識(shí)與建議

根據(jù)以上討論，提出以下認(rèn)識(shí)和建議。

(1)納米技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)。納米技術(shù)是一門應(yīng)用科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這是一次技術(shù)革命，必將引起一次產(chǎn)業(yè)革命。我們應(yīng)該加緊研究，努力工作，迎頭趕上，把納米技術(shù)早日用到探礦工程中來。

(2)在金剛石鉆頭生產(chǎn)使用的材料中，含有金剛石材料和胎體粉料。這兩種材料都有一個(gè)納米化研究的問題。但是在鉆探工程中，破碎巖石主要是胎體中的硬質(zhì)點(diǎn)金剛石，所以，先從納米金剛石開始進(jìn)行研究是必要的，也是應(yīng)該的。

(3)烏克蘭超硬材料研究所進(jìn)行的鉆頭試驗(yàn)結(jié)果表明，在鉆頭耐磨性和鉆進(jìn)效果指標(biāo)(破碎單位體積巖石消耗的功)方面，胎體中加有爆炸方法產(chǎn)生的納米金剛石ДНА的鉆頭，均比未加該種金剛石的鉆頭好。這就說明這種納米金剛石是一種很好的破碎巖石材料，很有發(fā)展前景。

(4)鉆頭試驗(yàn)是用每轉(zhuǎn)恒進(jìn)尺鉆進(jìn)方式進(jìn)行的。試驗(yàn)結(jié)果證明，在沖洗液性能、數(shù)量合理，保持正常巖屑規(guī)程的條件下，鉆頭轉(zhuǎn)速400 r/min、每轉(zhuǎn)進(jìn)尺63 μm和胎體中ДНА體積含量占2%情況下鉆頭耐磨性最好、破碎單位體積巖石消耗的功最小。說明采用的這種鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)是合理的，納米金剛石在胎體中的含量是最優(yōu)的，這可能與所鉆的花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。但是必須指出的是，這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果只能說是初步的，今后還有很多工作需要做。

(5)金剛石鉆進(jìn)是我國(guó)的主要鉆探方式。我國(guó)從事金剛石鉆頭研制和進(jìn)行金剛石鉆進(jìn)的單位和人員很多，從事納米金剛石研究工作的同事們已經(jīng)取得了很好的成果?？梢韵嘈?，中國(guó)探工人一定能夠在納米技術(shù)在探礦工程的應(yīng)用、在納米金剛石鉆頭的研發(fā)方面取得新的更大的成績(jī)，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

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