單一粒度金剛石對Fe-Cu基鉆頭鉆進(jìn)性能的影響*

潘曉毅， 謝德龍， 林 峰 ， 肖樂銀， 陳 超

(1. 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004) (2. 國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心， 廣西 桂林 541004) (3. 中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司， 廣西 桂林 541004)

Fe-Cu基金剛石工具具有金剛石出刃高、出刃快、效率高及成本低等特點(diǎn)，廣受超硬工具研發(fā)人員青睞。目前，國內(nèi)在Fe-Cu基金剛石工具的成分配比優(yōu)化、預(yù)合金化應(yīng)用、燒結(jié)方式改進(jìn)等方面的研究較為成熟，部分研究成果已應(yīng)用于繩鋸、鋸片、鉆頭等金剛石燒結(jié)制品中[1]。

Fe-Cu基金剛石地質(zhì)鉆頭因胎體較軟，在鉆進(jìn)中硬地層巖石時(shí)雖具有較高效率但壽命普遍偏低[2]。金剛石是金剛石地質(zhì)鉆頭破碎巖層的主要工作元，研究單一粒度金剛石對Fe-Cu基鉆頭鉆進(jìn)性能的影響有助于優(yōu)化金剛石鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)多粒度配比Fe-Cu基鉆頭提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用單因素實(shí)驗(yàn)，研究金剛石粒度和濃度對Fe-Cu基胎體鉆頭鉆進(jìn)性能的影響。

1.1 研究試樣制作

以某中硬地層常用Fe-Cu基配方P(各成分組成見表1)為基礎(chǔ)，配以相同濃度、不同粒度的金剛石設(shè)計(jì)出8組研究組合P1～P8，對比研究金剛石粒度對胎體性能的影響；在P1～P8實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對粒度進(jìn)行擇優(yōu)，再以相同粒度、不同濃度的金剛石設(shè)計(jì)4組研究組合PA1～PA4，對比研究金剛石濃度對胎體性能的影響。單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 配方P組成Tab. 1 Ingredient proportion of P matrix

表2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab. 2 Design of single-factor experiment

按DZ2.1—87標(biāo)準(zhǔn)制作φ36.5 mm/φ21.5 mm的雙管鉆頭用作鉆進(jìn)性能研究，鉆頭設(shè)計(jì)：聚晶保徑，5水口，工作層高度4 mm，鉆前開刃。按GB/T 4741—1999標(biāo)準(zhǔn)制作30 mm×12 mm×6 mm的熱壓燒結(jié)標(biāo)準(zhǔn)試樣塊用作力學(xué)性能研究。

用國產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐完成燒結(jié)工作，燒結(jié)工藝統(tǒng)一為：爐內(nèi)真空度0.1 Pa，燒結(jié)壓力25 MPa，燒結(jié)溫度830 ℃，保溫保壓時(shí)間5 min。該工藝下P配方不含金剛石燒結(jié)塊的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度可達(dá)1 041.21 MPa，硬度約20～25 HRC。

1.2 性能檢測

用自主研發(fā)的鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺測試各鉆頭的鉆進(jìn)性能，設(shè)備鉆進(jìn)工藝為：鉆壓5 kN，鉆速600 r/min。鉆進(jìn)對象為桂林淺紅花崗巖，其壓縮強(qiáng)度134.8 MPa，彎曲強(qiáng)度14.9 MPa，肖氏硬度109 HSD，花崗巖規(guī)格統(tǒng)一為500 mm×500 mm×500 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆進(jìn)單孔進(jìn)尺為500 mm，單個(gè)鉆頭鉆前及鉆進(jìn)5個(gè)孔后分別以千分尺測量各鉆頭鉆齒高度，計(jì)算鉆齒高度差Δh，對鉆進(jìn)過程設(shè)備計(jì)時(shí)。

鉆頭鉆進(jìn)效率由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：L為5孔總進(jìn)尺，即2500 mm；t為5孔鉆進(jìn)的總耗時(shí)，s；v為鉆進(jìn)效率，mm/s。

通過式(2)計(jì)算鉆耗比K，用來對比研究鉆頭的鉆進(jìn)壽命：

(2)

采用CMT4304型液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試各組燒結(jié)塊的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。通過式(3)計(jì)算含金剛石試樣相較空白胎體試樣的強(qiáng)度損失率η，用來間接表征各試樣的金剛石包鑲能力：

(3)

其中：σΒ為不含金剛石試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度；σD為含金剛石試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度[4]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粒度對鉆進(jìn)性能的影響

圖1為P1～P8的鉆耗比K的分布曲線，圖2為其鉆進(jìn)效率v的分布曲線。

從圖1可以看出：鉆耗比K隨金剛石粒度減小而增大；至P5以后，上升趨勢趨于平緩，其中P7有最大K值7 575.8。由圖2可看出：鉆進(jìn)效率v隨粒度減小而降低，而P1～P3區(qū)間數(shù)值較高且相近。

圖1 P1～P8鉆耗比Fig. 1 Unit drilling distance results of P1～P8

圖2 P1～P8鉆進(jìn)效率Fig. 2 Drilling efficiency results of P1～P8

若將金剛石看成球狀，且均勻分布于胎體內(nèi)，則鉆頭工作唇面單位面積上的理論金剛石數(shù)N可由式(4)計(jì)算[4]：

(4)

其中：C為金剛石鉆頭的金剛石體積濃度；ΔJ為胎體的膨脹變化量；E為胎體的楊氏系數(shù)；d為金剛石顆粒直徑。當(dāng)胎體配方確定時(shí)，C、ΔJ與E基本維持不變，則N同d成反比。

根據(jù)式(4)，以P1、P5為例，鉆頭工作唇面上單位面積的金剛石理論分布可近似簡化如圖3。

(a)P1(b) P5圖3 金剛石分布簡化圖Fig. 3 Simplified distribution schematic of bit′s surface

由圖3可見：相鄰金剛石的間距隨粒度的減小而減小。金剛石間距減小會減少巖石對金屬胎體的消耗，表現(xiàn)為圖1中K值隨金剛石粒度降低而上升；而在鉆進(jìn)壓力相同時(shí)，金剛石粒度小、數(shù)量多，單顆金剛石加載于巖石上的壓力降低。而單顆金剛石加載于巖石上的壓力越大，其碎巖效率越高，宏觀表現(xiàn)為鉆頭效率越高[5]，故圖2中v值隨金剛石粒度減小而降低。

通過Supereyes-200×數(shù)碼顯微鏡觀察鉆頭胎體唇面，其顯微照片如圖4所示。由圖4可見：金剛石粒度變小，胎體唇面上的劃痕逐漸變淺，側(cè)面反映出金剛石對金屬胎體的保護(hù)作用逐漸增強(qiáng)。

(a)P1(b) P2(c)P3(d)P4(e)P5(f)P6(g)P7(h)P8圖4 鉆頭唇面圖Fig. 4 Drill bits′ working surface

觀察圖4a～圖4c，發(fā)現(xiàn)鉆頭唇面上均有大量金剛石破碎與脫落的現(xiàn)象，說明P1～P3試樣的金剛石利用率低，故圖1中三者的K值相對較低；金剛石的破碎與脫落雖不利于磨粒的充分利用但卻有利于促進(jìn)唇面磨粒的更新。圖4a～圖4c中，唇面上實(shí)際殘存的金剛石面積占比同樣較低且相仿，表現(xiàn)為其v值均較高且相近。

從圖4d開始，金剛石顆粒的破碎與脫落現(xiàn)象得到了改善，金剛石利用更充分，宏觀表現(xiàn)為K值提升明顯；同時(shí)，金剛石數(shù)量顯著增加、出刃高度下降，因此鉆頭的破巖效率降低，v值下降。觀察圖4e～圖4h，發(fā)現(xiàn)金剛石出刃高度進(jìn)一步降低，胎體唇面出現(xiàn)了輕微燒鉆現(xiàn)象，說明因金剛石出刃高度下降，唇面的沖刷冷卻效果下降，胎體燒損導(dǎo)致胎體消耗增加；同時(shí)，唇面金剛石出露數(shù)目上升會保護(hù)胎體免收磨損。二者綜合作用下，鉆頭的K值進(jìn)一步上升但趨勢減緩。

圖5為P1～P8的抗彎強(qiáng)度分布。由圖5可以看出：除P1試樣的抗彎強(qiáng)度較低外，其余試樣的抗彎結(jié)果均在670～695 MPa范圍內(nèi)無序分布，說明同濃度下各試樣金剛石包鑲能力相近。除P1試樣的胎體包鑲能力相對較弱、金剛石脫落最為明顯(圖4a)外，其余胎體的包鑲能力接近，各試樣的強(qiáng)度損失率η與金剛石總體積有關(guān)，與金剛石數(shù)量關(guān)聯(lián)較小。

圖5 P1～P8抗彎強(qiáng)度分布Fig. 5 Bending strength results of P1～P8

2.2 金剛石濃度對鉆進(jìn)性能的影響

按2.1的試驗(yàn)結(jié)果，選擇鉆進(jìn)壽命與效率相對較好的40/45金剛石進(jìn)行不同濃度鉆進(jìn)試驗(yàn)。圖6所示為PA1～PA4的鉆耗比K的分布，圖7所示為PA1～PA4鉆進(jìn)效率v的分布。

由圖6可以看出：鉆耗比K分布曲線呈先升后降趨勢，PA3試樣有最大K值。由圖7可以發(fā)現(xiàn)：鉆進(jìn)效率v分布曲線變動范圍較小，在1.0～1.2 mm/s范圍內(nèi)無序分布。

圖6 PA1～PA4鉆耗比分布Fig. 6 Unit drilling distance results of PA1～PA4

圖7 PA1～PA4鉆進(jìn)效率分布Fig. 7 Drilling efficiency results of PA1～PA4

圖8所示為PA1～PA4的抗彎強(qiáng)度分布。由圖8可知：金剛石濃度在30%～60%范圍內(nèi)時(shí)，胎體包鑲能力隨金剛石濃度上升而降低，胎體對金剛石的包鑲能力下降會使金剛石更易脫落，從而影響其鉆進(jìn)壽命與效率。

圖8 PA1～PA4抗彎強(qiáng)度分布Fig. 8 Bending strength results of PA1～PA4

由式(4)可知：金剛石顆粒直徑d相近時(shí)，鉆頭工作唇面單位面積的金剛石理論數(shù)量N與金剛石濃度C成正比。而金剛石顆粒對金屬胎體的保護(hù)作用隨其濃度上升而增強(qiáng)，單顆金剛石的鉆壓隨濃度上升而降低。綜合分析可知：在PA1～PA3樣品的濃度區(qū)間內(nèi)，N增大對金屬胎體的保護(hù)作用及工作元增加帶來的耐磨性能增強(qiáng)作用，強(qiáng)于金剛石脫落帶來的耐磨性能減弱作用，故而K呈上升趨勢；在PA3～PA4樣品的濃度區(qū)間內(nèi)，N增大對金屬胎體的保護(hù)作用及工作元增加帶來的耐磨性能增強(qiáng)作用，弱于金剛石脫落帶來的耐磨性降低作用，故而鉆耗比K下降；固定鉆進(jìn)壓力下，在PA1～PA4樣品的濃度區(qū)間內(nèi)N的增加與因胎體包鑲能力減弱造成的金剛石脫落的動態(tài)平衡使鉆進(jìn)效率v相近，呈小范圍的動態(tài)分布趨勢。

3 結(jié)論

使用Fe-Cu基鉆頭，在鉆壓5 kN、鉆速600 r/min的鉆進(jìn)條件下，鉆進(jìn)淺紅花崗巖，得出如下結(jié)論：

(1)使用粒度代號25/30、30/35、35/40的金剛石制備的鉆頭，其存在金剛石破碎、脫落等問題，鉆進(jìn)壽命低，鉆進(jìn)效率高且相近；使用粒度代號40/45的金剛石制備的鉆頭，其金剛石顆粒的破碎、脫落問題開始得到改善，單粒金剛石鉆壓與出刃高度下降，鉆進(jìn)壽命延長、效率降低；使用粒度代號45/50的金剛石制備的鉆頭，其存在單顆金剛石鉆壓低、出刃低，鉆進(jìn)時(shí)燒鉆等問題，鉆進(jìn)壽命雖有增加但增加趨勢減緩，鉆進(jìn)效率進(jìn)一步降低。

(2)使用粒度代號40/45、濃度50%的金剛石制備的鉆頭試樣有最大的鉆進(jìn)壽命。金剛石濃度增大會降低胎體對金剛石的包鑲能力，且唇面金剛石數(shù)目增加與因胎體包鑲能力減弱造成的金剛石脫落的動態(tài)平衡使其鉆進(jìn)效率v相近，呈小范圍的動態(tài)分布趨勢。

(3)綜合考慮效率與壽命，使用金剛石粒度代號40/45、濃度50%的鉆頭試樣具有最佳鉆進(jìn)性能，其鉆耗比約9 000，鉆進(jìn)效率約1.1 mm/s。