氧化鋁空心球在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石鉆頭中的作用

葉宏煜， 楊 展， 譚松成， 謝 濤， 張建偉

(1. 武漢萬邦激光金剛石工具股份有限公司， 武漢 430056) (2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息工程學(xué)院， 武漢 430074)

堅(jiān)硬致密巖石是一種十分難以鉆進(jìn)的巖石，俗稱“打滑”巖石，石英巖就是其典型代表[1]。鉆進(jìn)這種巖石的效率極低，而鉆頭僅輕微磨損，致使金剛石難以從胎體中出刃，鉆頭與巖石間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是鉆頭性能與所鉆的巖石不符[2-3]。

通過實(shí)驗(yàn)可知，弱化鉆頭胎體耐磨性是提高有效鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的可行方法之一[4-5]。弱化胎體耐磨性可以采用氧化鋁空心球、微型玻璃空心球與碳素復(fù)合材料等[6-8]，其中氧化鋁空心球的成本較低、資源來源較廣以及造孔率較高，因此選用氧化鋁空心球進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 鉆頭設(shè)計(jì)思路

在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石時(shí)，必須采用合理的鉆頭結(jié)構(gòu)和合適的添加劑使得胎體的耐磨性能下降或弱化，使鉆頭的性能與鉆進(jìn)的巖石相適應(yīng)，達(dá)到提高鉆進(jìn)效果的目的。

金剛石鉆頭的性能中，影響鉆進(jìn)效果的指標(biāo)主要是胎體的硬度和耐磨性。研究成果表明：一定范圍內(nèi)，鉆頭的鉆進(jìn)速度會(huì)隨胎體的耐磨性降低而提高。為了提高鉆頭的鉆進(jìn)速度，必須降低胎體的耐磨性能，即俗稱“弱化”胎體性能。在金剛石鉆頭鉆進(jìn)過程中，需要胎體不斷超前磨損，金剛石才能不斷出刃與更新，從而保持較快而恒定的鉆進(jìn)速度。

鉆頭胎體性能的研究是在保證胎體強(qiáng)度的條件下，降低胎體的耐磨性能。添加輔助材料是指添加具有一定強(qiáng)度、脆性和低耐磨性的材料，以提高胎體的造孔性能，弱化胎體的耐磨性，從而研究出一種用于堅(jiān)硬致密弱研磨性巖石的新型鉆頭。實(shí)驗(yàn)采用氧化鋁空心球作為輔助材料，氧化鋁空心球?qū)嵨飯D見圖1、圖2所示。

圖1 粗粒氧化鋁空心球

圖2 混合粒度氧化鋁空心球

2 鉆頭胎體的試驗(yàn)研究

含氧化鋁空心球金剛石鉆頭的試驗(yàn)研究是在針對性的巖層和相應(yīng)性能的金剛石鉆頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，氧化鋁空心球不可以用于任意性能的金剛石鉆頭研制中。因此，含氧化鋁空心球鉆頭的試驗(yàn)研究包括熱壓金剛石鉆頭的胎體性能、金剛石濃度、氧化鋁空心球的粒度與含量等幾個(gè)主要參數(shù)。

2.1 鉆頭胎體性能設(shè)計(jì)思路

2.1.1 胎體成分的影響

對于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的鉆頭而言，鉆頭胎體的性能是非常重要的條件。鑒于普通金剛石鉆頭的胎體性能受限，單純依靠降低普通金剛石鉆頭胎體硬度的方法來降低胎體的耐磨性能，很難研制出能夠有效鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的鉆頭。因此，本研究以巖石破碎原理為基礎(chǔ)，以提高鉆頭的鉆進(jìn)效率為目標(biāo)，研究出一種胎體硬度較低、耐磨性被弱化的鉆頭。然后嘗試在這種鉆頭胎體中添加造孔輔助材料，看其能否有效降低鉆頭胎體的耐磨性能，使之與所鉆進(jìn)的堅(jiān)硬致密巖石相匹配，從而取得更好的鉆進(jìn)效果。

鉆頭的胎體應(yīng)具備低硬度和低韌性。依據(jù)近幾年的研究可知，用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密鉆頭，其胎體硬度一般在HRC13～HRC15范圍內(nèi)，鉆頭的耐磨性為260～320 mg。參照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)鉆頭胎體。

2.1.2 熱壓參數(shù)的影響

熱壓過程中的溫度、壓力與保溫時(shí)間等工藝參數(shù)會(huì)影響和改變鉆頭胎體的硬度與耐磨性等性能。一般地，隨熱壓壓力增大，胎體的硬度與耐磨性增大，當(dāng)壓力增大到一定值后再繼續(xù)增大壓力時(shí)，胎體的硬度與耐磨性增大的幅度都很??；隨著熱壓溫度提高，胎體的硬度與耐磨性也會(huì)增加，但當(dāng)熱壓溫度升高到一定值后，由于胎體中黏結(jié)金屬的流失，胎體的性能將變差；隨著保溫時(shí)間延長，胎體的硬度與耐磨性也會(huì)增大，而保溫時(shí)間延長到一定時(shí)間后，胎體的性能變化很小，甚至引起黏結(jié)金屬流失加劇，使得胎體性能變差。因此，對于一定的胎體成分，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來調(diào)整胎體的性能。

對于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的鉆頭，其熱壓工藝參數(shù)一般都取相應(yīng)數(shù)值范圍的下限，即熱壓溫度較低、壓力較小、保溫時(shí)間較短。

2.2 鉆頭胎體性能研究

本實(shí)驗(yàn)中，胎體材料選用湖南富櫳新材料有限公司生產(chǎn)的FAM-103和FAM-203 2種預(yù)合金粉。該鉆頭的胎體性能設(shè)計(jì)研究采用混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，依據(jù)單金屬粉胎體成分與性能的規(guī)律，對于硬度為HRC13～HRC15的胎體，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素表

按照混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，找出有試驗(yàn)條件的組合，只有5個(gè)組合符合試驗(yàn)條件，將其列入表2中。

本次熱壓燒結(jié)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)為：溫度940 ℃，壓力15 MPa，保溫時(shí)間3.0 min。胎體樣品經(jīng)整平、磨光，在HR-100A型布洛維硬度計(jì)上測試其硬度，在MPX-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測試耐磨性能，所測結(jié)果如表2所示。

由表2可知：與硬度HRC15比較接近的胎體配方組合有試驗(yàn)2和試驗(yàn)3，2個(gè)組合對應(yīng)的性能也很接近，選擇3號配方進(jìn)行添加氧化鋁空心球的試驗(yàn)。

3 添加劑設(shè)計(jì)

試驗(yàn)重點(diǎn)研究氧化鋁空心球的應(yīng)用效果，包括氧化鋁空心球的粒度、濃度等。

3.1 氧化鋁空心球的粒度

依據(jù)市場已有的氧化鋁空心球的粒度，有0.1～1.0 mm，1.0～3.0 mm以及3.0 mm以粗等不同的粒度范圍，粒度的粗細(xì)對于胎體的耐磨性和強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生明顯影響。在一定濃度的情況下，氧化鋁空心球的粒度小，比表面積大，意味著分散性好，在鉆頭胎體的底唇面上所形成的空穴小且多，胎體耐磨性的弱化效果比較好；但是，當(dāng)粒度太小(如0.1 mm)時(shí)，所形成的孔隙過小，對鉆頭胎體的弱化反而不利。而當(dāng)氧化鋁空心球含量一定時(shí)，其粒度越大，分散性越差，對于弱化鉆頭胎體的耐磨性同樣是不利的，金剛石的自銳效果改善不明顯；試驗(yàn)中，氧化鋁空心球的粒度尺寸選擇不超過1.0 mm。

試驗(yàn)選擇與金剛石磨料粒度相近的0.3 mm、0.6 mm、0.9 mm 3種氧化鋁空心球粒度尺寸。每顆氧化鋁空心球在胎體中所占的體積比例較小，分散性較好，對于金剛石的包鑲強(qiáng)度影響較小，又能使鉆頭胎體的耐磨性能下降，有利于金剛石自銳出刃。

3.2 氧化鋁空心球的體積分?jǐn)?shù)

氧化鋁空心球在胎體中的體積分?jǐn)?shù)的選擇同樣很重要，體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，鉆頭胎體的弱化相應(yīng)提高，但當(dāng)提高到一定程度時(shí)，會(huì)明顯降低胎體的強(qiáng)度，影響金剛石鉆頭的正常使用。而當(dāng)氧化鋁空心球的體積分?jǐn)?shù)低到一定程度時(shí)，對于胎體耐磨性的弱化作用很小。因而其體積分?jǐn)?shù)必須依據(jù)巖石的硬度與致密程度加以試驗(yàn)設(shè)計(jì)與選擇，一般認(rèn)為其體積分?jǐn)?shù)在12%～18%之間比較合理，實(shí)驗(yàn)選擇12%、15%與18% 3種體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。

3.3 氧化鋁空心球參數(shù)試驗(yàn)研究

在3號配方的基礎(chǔ)上加入氧化鋁空心球并進(jìn)行熱壓試驗(yàn)，對所得樣品進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如表3所示。熱壓工藝參數(shù)與熱壓純胎體的相同。

由表3可知：氧化鋁空心球的體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，粒度粗的胎體耐磨性弱化程度低；而粒度相同時(shí)，氧化鋁空心球體積分?jǐn)?shù)高的胎體耐磨性弱化程度高。

氧化鋁空心球加入配比為因素5時(shí)，胎體耐磨性的弱化率達(dá)到18.75%。采用該配比試制鉆頭并進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆頭的使用壽命提高了12%，時(shí)效提高了23%，弱化效果明顯。鉆頭鉆進(jìn)57 m后的磨損情況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鉆頭的磨損情況

4 結(jié)論

弱化胎體耐磨性的有效方法之一是向胎體中添加氧化鋁空心球材料，氧化鋁空心球能夠在胎體中造成空穴，弱化胎體的耐磨性，提高胎體表面的摩擦系數(shù)，從而提高金剛石在胎體中的出刃效果。

氧化鋁空心球的粒度尺寸與體積分?jǐn)?shù)范圍較廣，在粒度尺寸0.3～0.9 mm和體積分?jǐn)?shù)12%～18%的條件下均可以取得好的弱化效果，胎體的弱化率可以達(dá)到9%～31%；當(dāng)氧化鋁空心球粒度尺寸為0.3 mm，體積分?jǐn)?shù)為18%時(shí)，胎體的弱化率達(dá)到最大的31.25%。

未來可繼續(xù)開展碳素復(fù)合材料和微型玻璃空心球等材料的試驗(yàn)研究，并擴(kuò)大氧化鋁空心球的粒度與濃度的試驗(yàn)研究，從而進(jìn)一步提高鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的效果。