Cu和Ni的化合物對金剛石鉆頭胎體性能的影響

覃懷鵬

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林 541004)

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Cu和Ni的化合物對金剛石鉆頭胎體性能的影響

覃懷鵬1,2

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林 541004)

主要研究了在鐵基胎體配方F15#的基礎(chǔ)上添加不同量的含Cu或Ni的化合物對金剛石鉆頭胎體性能的影響。根據(jù)不同配方制作標準試樣塊，測試其硬度HRB、抗彎強度和磨耗比，以此來評價胎體的力學(xué)性能和耐磨性能，同時優(yōu)選出配方制作鉆頭進行實際鉆進試驗。試驗結(jié)果表明：隨著胎體中Cu或Ni的化合物含量的增加，胎體的硬度、抗彎強度都呈現(xiàn)下降的趨勢，胎體樣塊的磨耗比也逐漸下降，表明了鉆進效率的提高，從實際鉆進結(jié)果可知，鉆頭的鉆進效率得到了提高，壽命也比較好。

金剛石鉆頭；鐵基；力學(xué)性能；耐磨性能；鉆進效率

0 引言

在過去的幾十年里，金剛石鉆頭的胎體多以WC為骨架材料，粘結(jié)金屬以Cu合金為主，再加入少量的其他金屬如：鈷、鎳、錳等。后期，又逐漸出現(xiàn)了鈷基和鐵基的胎體，鐵與鈷的許多性能相近，但鐵的資源豐富且價格便宜，是十分經(jīng)濟的胎體體系。而且鐵基胎體的燒結(jié)溫度低于1000℃，金剛石的熱損傷比較小，同時還能提高金剛石在胎體中的粘結(jié)強度[1]。近年來，由于金剛石產(chǎn)品市場競爭激烈，產(chǎn)品的價格下跌，傳統(tǒng)的WC基、鈷基胎體產(chǎn)品成本偏高，使得鐵基胎體成為胎體研究的熱點[2]。在地質(zhì)鉆探中，當鉆壓不足或鉆進的巖層研磨性較弱時，經(jīng)常會出現(xiàn)鉆進效率慢或“打滑”的現(xiàn)象。其根本原因是鉆壓不足，鉆頭唇面被磨鈍，金剛石被胎體包裹，金剛石出刃率比較低，起不到破碎巖石的作用[3-4]。針對這些現(xiàn)象，研究人員進行了以下研究[5-7]：選用品質(zhì)較高強度高，而且粒度較粗的金剛石，提高單顆金剛石所承受的載荷，同時優(yōu)化鉆頭底部唇面的形狀和結(jié)構(gòu)，選用耐磨性較低的鉆頭胎體，人工進行打磨、酸蝕、投砂和噴砂等方法，但效果均不明顯。有研究對部分金剛石采用包鑲能力相對較弱的胎體材料包裹，促進失去工作能力的金剛石提前脫落，脫落產(chǎn)生的空隙增加了鉆頭唇面的摩擦系數(shù)，胎體的磨損變快，有利于新的金剛石出刃，提高鉆進效率[8]，但關(guān)鍵問題是怎樣能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石與胎體的同步磨損，選擇適宜的弱包鑲到何種程度。制作金剛石鉆頭時采用主、輔料混鑲，可使得高品級和低強度金剛石或磨料相互補強，以達到提高鉆進效率的目的[9]。

本文的研究思路是通過在鐵基胎體配方F15#的基礎(chǔ)上，分別添加不同含量含Cu和Ni的化合物(以下簡稱Cu#和Ni#)，在鉆進過程中加速胎體的磨損和金剛石的新陳代謝，有助于金剛石的出刃，提高鉆進效率。探討隨著添加量的變化，胎體的硬度、抗彎強度和磨耗比等物理機械性能的變化規(guī)律，并通過實際的鉆進試驗，以期獲得所需要的胎體性能的優(yōu)化配方，并用于實際的生產(chǎn)中。

1 試驗方法及過程

1.1 胎體方案

該試驗選用F15#的胎體配方，如表1所示，在此基礎(chǔ)上分別添加不同含量的Cu#或Ni#，具體的試驗胎體配方如表2所示。

表1 F15#胎體配方

Table 1 F15# matrix formula

含量wt%FeCuNi其他成分60181210

表2 胎體配方

每種胎體燒結(jié)1模，每模6齒，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中每組1#、2#、3#樣塊用來測試抗彎強度，4#、5#、6#樣塊加入0.1g金剛石LG70用來測試磨耗比。

1.2 試樣制備

標準試樣塊尺寸設(shè)計為30mm×12mm×6mm，厚度控制在5.9～6.1mm范圍內(nèi)。根據(jù)表1中每種胎體配方的重量稱好粉料，并用棍式球磨機進行混料1小時。然后稱好每塊試樣的重量，通過冷壓模組裝好，采用YH607型手動冷壓機進行冷壓成型。對冷壓好的試樣塊測試其重量和尺寸是否滿足要求，不滿足要求的要重新冷壓。

按照常規(guī)的裝模方法把冷壓塊裝入石墨模具中，采用TLZK2001型騰龍熱壓燒結(jié)機進行燒結(jié)，具體的燒結(jié)工藝如表3所示。

表3 騰龍熱壓燒結(jié)機燒結(jié)參數(shù)(6塊每模)

1.3 樣塊的性能測試

1.3.1 硬度測試

硬度采用TH300型洛氏硬度計進行測試，根據(jù)胎體樣塊的硬度經(jīng)驗值，選擇測量樣塊的HRB值，壓頭為淬火鋼球。測試前將樣塊進行磨光去除氧化層處理，測試時每個樣塊測試三個點，最終取6個樣塊18個點的平均值作為該配方樣塊的硬度值。

1.3.2 抗彎強度測試

抗彎強度采用三點彎曲法在萬能材料試驗機上進行測試，設(shè)計加壓速率為100N/s，只測試沒有加金剛石的3個樣塊，同樣取平均值作為該配方樣塊的抗彎強度。試樣的抗彎強度值按照式(1)計算得出。

(1)

式中：δ為抗彎強度(MPa)；P為試樣斷裂時的載荷(N)；L為支點間距，在本實驗中為32mm；b為試樣寬度(mm)；h為試樣厚度(mm)。

1.3.3 磨耗比測試

磨耗比采用DHM-1型磨耗比測定儀進行測試，測試加有金剛石的3個樣塊的磨耗比，磨耗比測試采用樣塊與深坑值為3.4的碳化硅砂輪對磨，測試條件：線速度25米/秒，水冷，時間200秒。樣塊測試前后均要經(jīng)過清洗并吹干，用精度為0.01g的天平稱其重量，磨損前后的重量之差即為樣塊的磨損量。測試后砂輪需通過電烘箱加熱到200℃，一小時后烘干稱重量，磨損前后的重量之差即為砂輪的磨損量。樣塊的磨耗比就是砂輪的磨損量與樣塊的磨損量的比值，取測試的3個樣塊平均值作為該配方樣塊的磨耗比值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 樣塊的硬度

胎體樣塊中Cu#或Ni#的質(zhì)量分數(shù)w(Cu#)和w(Ni#)對胎體硬度的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著胎體中Cu#或Ni#含量的增加，胎體的硬度都呈現(xiàn)下降的趨勢，添加Cu#的硬度下降了12%，添加Ni#的硬度下降了17%。這是由于胎體樣塊的硬度反映了胎體樣塊抵抗局部塑性變形的能力。Cu#或Ni#對于F15#胎體而言，其強度較低，屬于胎體中的軟質(zhì)相，其與胎體之間的界面結(jié)合強度也相對較低，隨著胎體樣塊中的Cu#或Ni#含量增高，其抵抗局部塑性變形的能力就越低，硬度值也就越小。在同等含量的Cu#或Ni#的胎體中，添加Ni#的胎體硬度下降程度均比添加Cu#的胎體硬度下降程度大，這是由于F15#胎體中Cu含量高于Ni，Cu#與F15#胎體的界面結(jié)合強度優(yōu)于Ni#與F15#胎體的界面結(jié)合強度，所以添加Cu#的胎體樣塊硬度高于添加Ni#的胎體樣塊硬度。

圖1 Cu#或Ni#對胎體樣塊硬度的影響Fig.1 Influence of Cu# or Ni# content on the hardness of matrix sample

2.2 樣塊的抗彎強度

胎體樣塊中Cu#或Ni#的質(zhì)量分數(shù)w(Cu#)和w(Ni#)對胎體抗彎強度的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著胎體中Cu#或Ni#含量的增加，胎體的抗彎強度都呈現(xiàn)下降的趨勢，添加Cu#的抗彎強度下降了30%，添加Ni#的抗彎強度下降了29%，在同等含量的Cu#或Ni#的胎體中，添加Cu#的胎體抗彎強度均比添加Ni#的胎體抗彎強度高。在F15#胎體中添加Cu#或Ni#導(dǎo)致胎體的抗彎強度降低，是由于胎體中的Cu#或Ni#的顆粒是軟質(zhì)相，Cu#或Ni#的彈性模量與F15#胎體的彈性模量存在差異，所以Cu#或Ni#與F15#胎體界面處是一個薄弱的環(huán)節(jié)，樣塊在測試抗彎強度時，胎體樣塊底部相當于承受拉應(yīng)力，Cu#或Ni#與F15#胎體變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致在Cu#或Ni#與F15#胎體的界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，界面處容易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展，使胎體的強度下降，Cu#或Ni#在胎體中起割裂作用。因此為了保證鉆頭的抗彎強度，需要控制Cu#或Ni#的添加量。

圖2 Cu#或Ni#對胎體樣塊抗彎強度的影響Fig.2 Influence of Cu# or Ni# content on the bending strength of matrix sample

2.3 樣塊的磨耗比

胎體樣塊中Cu#或Ni#的質(zhì)量分數(shù)w(Cu#)和w(Ni#)對胎體磨耗比的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著胎體中Cu#或Ni#含量的增加，胎體的磨耗比都呈現(xiàn)下降的趨勢。材料硬度是影響其耐磨性的主要因素，一般硬度越高，胎體抗磨粒磨損性能越好[10]，即其磨耗比越高。胎體樣塊中添加Cu#或Ni#后，由于Cu#或Ni#與F15#胎體的界面結(jié)合不牢固，在磨耗比測試過程中，Cu#或Ni#優(yōu)先脫落，降低了胎體樣塊的磨耗比，這樣就能起到提高鉆進效率的效果。

鉆頭的耐磨性并不是越高越好，在不同的巖層中，對于鉆頭的耐磨性有不同的要求，在堅硬巖層中，如果鉆頭耐磨性太高，鉆進過程中鉆進效率就會下降，甚至容易出現(xiàn)鉆頭打滑而不進尺的現(xiàn)象。因此，針對這種情況，一方面可以改用較軟的胎體配方，同時也可以通過添加一定量的Cu#或Ni#來降低鉆頭胎體的耐磨性，保證鉆進效率。但是，由于鉆頭對抗彎強度有一定的要求，為了保證足夠的抗彎強度，Cu#或Ni#的添加量不宜太多。通過添加Cu#或Ni#，可以對胎體的性能起細微的改善作用，可以針對不同的需要添加適量的Cu#或Ni#，這就給改善胎體性能提供了一個很好的思路。

3 鉆頭試驗與分析

3.1 鉆頭試制

為了檢驗添加Cu#或Ni#后F15#胎體配方制作的金剛石鉆頭的實際鉆進效果，根據(jù)表1中的胎體配方優(yōu)選出Cu#或Ni#含量分別為6%、8%的胎體配方試制了4組普通單管金剛石鉆頭。燒結(jié)采用的設(shè)備是KGPS-100型中頻爐，燒結(jié)溫度為930℃，保溫6min。所用金剛石濃度配比為PI25∶PA30∶PH50=4∶5∶1，金剛石總濃度為40%，外加10%的LG70。鉆頭總的胎體高度為15mm，其中工作層高為4mm，非工作層高為5mm。鉆進試驗在由江蘇先科鉆機改裝的室內(nèi)試驗臺上進行，鉆進的系統(tǒng)壓力50N，鉆頭轉(zhuǎn)速600 r/min，采用自來水沖洗冷卻，水量約5L / min。巖石可鉆性為8級，中～細顆?；◢弾r(含少量黑云母)，具有中等強度的研磨性，如圖4所示。鉆進結(jié)果如表4所示。

圖4 用于鉆進的花崗巖Fig.4 Granite for drilling

鉆頭編號鉆進效率(m/h)總進尺數(shù)(m)鉆頭消耗量(mm)預(yù)估鉆頭壽命(m)Cu#6%3.3130.12100Cu#8%3.5830.12100Ni#6%3.6630.1392.3Ni#8%3.8630.1485.7

3.2 鉆頭鉆進結(jié)果分析

由表4的數(shù)據(jù)可知，鉆頭的鉆進效率在3.3m/h～3.9m/h之間，鉆進效率比較高。隨著Cu#或Ni#添加量的增加，鉆進效率有所提升，其中添加Ni#的鉆頭鉆進效率略高于添加Cu#的鉆頭鉆進效率，但其壽命稍短。由此可知，在F15#胎體中添加Cu#或Ni#，鉆頭的鉆進試驗效果很好，可以作為金剛石鉆頭新型的胎體配方。

4 結(jié)論

(1) 在F15#胎體中添加Cu#或Ni#，起到了降低胎體硬度的作用，添加相同的含量時，Ni#降低硬度的效果優(yōu)于Cu#。

(2) 在F15#胎體中添加Cu#或Ni#，對胎體的抗彎強度影響比較大，需控制添加量保證胎體具有足夠的抗彎強度。

(3) 在F15#胎體中添加Cu#或Ni#，降低了胎體的磨耗比，即起到了提高鉆進效率的作用。

(4) 通過實際的鉆進試驗可知，鉆頭的鉆進效率在3.3m/h～3.9m/h之間，加入Cu#或Ni#后，提高了鉆頭的鉆進效率。

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Influence of Cu & Ni Compound on the Matrix Performance of Diamond Drill Bit

QIN Huai-peng1,2

(1.GuilinTebonSuperhardMaterialCo.，Ltd，Guilin,Guangxi，China541004;2.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.，Ltd，Guilin，Guangxi，China541004)

The influence of different amounts of compounds containing Cu or Ni on the matrix performance of diamond drill bit based on the iron-based matrix formula F15# has been studied. Standard test specimens have been made from different formula, and their hardness HRB, bending strength and wear ratio were tested, hence the mechanical properties and wear resistance of the matrix have been evaluated and the optimized formula has been selected to produce drill bit for actual drilling test. Result shows that the hardness and bending strength of the matrix present a downward trend with the increases of compounds containing Cu or Ni in matrix, and the wear ratio also decreases gradually, which indicates an improvement of drilling efficiency. Actual drilling performance shows that the drilling efficiency of the drill bit has been improved with high durability.

diamond bit；iron-based；mechanical properties；wear resistance；drilling efficiency

2016-06-19

覃懷鵬(1989-)，男，碩士，助理工程師，昆明理工大學(xué)材料工程專業(yè)畢業(yè)，主要從事鉆探技術(shù)及金剛石工具的研究工作。E-mail：qhp5622@126.com。

覃懷鵬.Cu和Ni的化合物對金剛石鉆頭胎體性能的影響[J].超硬材料工程，2016，28(5)：6-10.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0006-05