熱等靜壓強(qiáng)化金剛石鉆頭性能研究

葉宏煜，楊 展，譚松成，謝 濤，金鐘鈴，

(1.武漢萬(wàn)邦激光金剛石工具有限公司，武漢 430056；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

為響應(yīng)黨中央“向地球深部進(jìn)軍”的號(hào)召，不斷探索地球深部奧秘和勘探地球深部資源，亟需開(kāi)展包括智能鉆探裝備和高效長(zhǎng)壽命孕鑲金剛石鉆頭在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)、裝備的研發(fā)[1-2]。在地質(zhì)勘探過(guò)程中，立軸式巖心鉆機(jī)起到了非常重要的作用，但由于倒桿占用了大量的輔助鉆進(jìn)時(shí)間，全液壓鉆機(jī)成了新的發(fā)展趨勢(shì)[3-6]。

對(duì)于終孔深度處于相同檔次的鉆機(jī)而言，全液壓鉆機(jī)相較于傳統(tǒng)的立軸式鉆機(jī)具有功率大、扭矩大、轉(zhuǎn)速高、給進(jìn)壓力高的特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)硬巖鉆探需求[7-9]。同時(shí)，受其強(qiáng)力規(guī)程參數(shù)的影響，全液壓鉆進(jìn)方式也對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的性能提出了更高的要求。

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)降低熱壓金剛石鉆頭的材料成本的同時(shí)，提高鉆頭胎體的力學(xué)性能和耐磨性，合金化胎體配方體系成了一個(gè)重要的研究方向[10-13]。預(yù)合金配方體系相較于傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬配方體系具有材料分布均勻、胎體合金化程度高和對(duì)金剛石熱損傷程度低等優(yōu)勢(shì)，目前已有大量Fe、Cu、Ni、Co等二元或多元預(yù)合金粉末在熱壓鉆頭胎體制造行業(yè)中得到應(yīng)[14-18]。此外，熱壓孕鑲金剛石鉆頭的胎體力學(xué)性能受其制造工藝影響顯著，且不同力學(xué)性能的影響因素顯著性存在一定差異[19-20]。例如，劉鑫等[21]通過(guò)熱壓燒結(jié)試驗(yàn)表明，WC-Cu基鉆頭胎體的抗彎強(qiáng)度受燒結(jié)溫度、冷卻方式和燒結(jié)壓力影響顯著，而其顯微硬度則受燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間和燒結(jié)壓力影響顯著。

基于此，為進(jìn)一步提高熱壓金剛石鉆頭的胎體致密化程度，使其在全液壓鉆機(jī)的強(qiáng)力鉆進(jìn)規(guī)程條件下能實(shí)現(xiàn)高效長(zhǎng)壽命應(yīng)用，筆者將廣泛應(yīng)用于海洋、航空航天和汽車制造等領(lǐng)域的熱等靜壓方法引入熱壓金剛石鉆頭制造行業(yè)，并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 研究方案

熱等靜壓工藝是將具有一定強(qiáng)度的制品放入密閉的容器內(nèi)，在高溫高壓條件下通過(guò)氣壓的方式向制品各個(gè)方向施加相同的壓力，從而使制品得以燒結(jié)和致密化，是高性能材料生產(chǎn)和新材料開(kāi)發(fā)的重要手段[22-23]。有研究表明，熱等靜壓工藝在消除鑄件和燒結(jié)件內(nèi)部孔隙的同時(shí)，還能改善制品的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提升其整體力學(xué)性能[24-25]。例如，以鐵、鋁等鑄件為例，通過(guò)熱等靜壓工藝處理后，鑄件可接近或達(dá)到100%的相對(duì)密度。

為將熱等靜壓方法成功應(yīng)用于熱壓金剛石鉆頭制造當(dāng)中，本試驗(yàn)將鉆頭的燒結(jié)分為常規(guī)燒結(jié)鉆頭坯體和熱等靜壓致密化處理兩道工序。采用常規(guī)燒結(jié)方法預(yù)制出孕鑲金剛石鉆頭坯體，然后直接轉(zhuǎn)入熱等靜壓程序，省去了普通熱等靜壓方法需要設(shè)計(jì)與加工必備的“包套”，簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了熱等靜壓強(qiáng)化金剛石鉆頭性能的成本，并能夠確保鉆頭的規(guī)格與精度。低壓燒結(jié)鉆頭“坯體”為熱等靜壓強(qiáng)化創(chuàng)造了條件，而熱等靜壓為金剛石鉆頭致密化處理提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支持。

對(duì)于研究試驗(yàn)具有高性能的孕鑲金剛石鉆頭，要求滿足胎體具有一定的硬度、耐磨性等物理力學(xué)性能，要求胎體包鑲金剛石的強(qiáng)度高，且金剛石能夠適時(shí)、適量有效出刃，能夠確保金剛石鉆頭高時(shí)效、長(zhǎng)壽命的鉆進(jìn)目標(biāo)。經(jīng)過(guò)對(duì)不同預(yù)合金粉及其組合的試驗(yàn)分析，以及綜合以往的金剛石鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究試驗(yàn)后，從 FAM-1020、 FAM-3010、 FJT-A2、 FJT-06、 WC、 YG12、 Cu-Re等預(yù)合金粉末中組合并優(yōu)選出其中5種為本次試驗(yàn)制造金剛石鉆頭的胎體材料，并對(duì)所選胎體金屬材料進(jìn)行回歸試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)，得出優(yōu)化的胎體材料配比與制造工藝參數(shù)，鉆頭胎體能滿足金剛石鉆頭力學(xué)性能要求。優(yōu)化后的胎體材料配方代號(hào)為 PF-1和 PF-2，其理論密度分別為8.47 g/cm3和8.78 g/cm3。

2 鉆頭胎體試驗(yàn)

2.1 鉆頭胎體制備

為了對(duì)比熱等靜壓方法的優(yōu)勢(shì)，將前述優(yōu)選的2個(gè)配方分別采用常規(guī)熱壓方法和常規(guī)熱壓+熱等靜壓方法試制鉆頭胎體試件。其中，常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)Table 1 Sintering parameters of conventional hot pressing

低壓燒結(jié)孕鑲金剛石鉆頭試件坯體制作完成后，進(jìn)入熱等靜壓鉆頭試件的制作程序；熱等靜壓爐內(nèi)抽真空后充滿高壓惰性氣體，達(dá)到一定壓力要求后升溫；惰性氣體成為傳壓介質(zhì)，為熱等靜壓提供超高壓力源；熱等靜壓爐真空度須達(dá)到10-3Pa；爐內(nèi)繼續(xù)升溫、升壓，使之達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度與壓力值，保溫、保壓之后，冷卻出爐。熱等靜壓鉆頭坯體的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 熱等靜壓燒結(jié)工藝參數(shù)Table 2 Sintering parameters of hot isostatic pressing

2.2 鉆頭胎體性能對(duì)比

對(duì)上述兩種不同方法制得的試件，采用HR-150A布洛維硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)；用MPx-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試耐磨性，耐磨性以試件的實(shí)際磨損量表征；用DA-300PM材料密度測(cè)試儀測(cè)試密度。試件的物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鉆頭胎體試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of drilling bit matrix specimens

從表3可知，采用熱等靜壓強(qiáng)化試件的硬度比常規(guī)熱壓燒結(jié)的平均提高2.0 HRC，其耐磨性平均降低磨損量2.3 mg。常規(guī)熱壓燒結(jié)試件的密度為理論密度的96.4%和96.9%，而熱等靜壓燒結(jié)制成的試件密度為理論密度的98.7%和99.1 g/cm3。說(shuō)明制造方法和工藝參數(shù)不同，對(duì)孕鑲金剛石鉆頭試件的硬度、耐磨性與致密性等力學(xué)性能影響不同，變化幅度較明顯。

3 孕鑲金剛石鉆頭制備及試驗(yàn)

3.1 鉆頭制備

按照PF-1和PF-2兩種配方，金剛石參數(shù)：粒度選擇30/40目占65%、40/50目占35%的金剛石，金剛石百分比濃度為90%。采用表1所示的常規(guī)熱壓工藝參數(shù)，試制Ф77/49 mm孕鑲金剛石鉆頭，用于鉆進(jìn)試驗(yàn)與對(duì)比。

試制常規(guī)熱壓+熱等靜壓孕鑲金剛石鉆頭采用PF-1與PF-2相同配方。金剛石參數(shù)與普通熱壓鉆頭的金剛石參數(shù)相同，即粒度選擇30/40目占65%、40/50目占35%，2種金剛石混合，金剛石濃度為90%。熱等靜壓參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

兩種鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)在山東某金礦礦區(qū)進(jìn)行，鉆進(jìn)可鉆性為8～9級(jí)石英閃長(zhǎng)斑巖和花崗片麻巖。試鉆時(shí)的鉆機(jī)型號(hào)為HXY-9B，鉆頭轉(zhuǎn)速484 r/min和682 r/min，鉆壓15 kN～20 kN，沖洗液量35～40 L/min。

同一配方在兩種不同制造工藝與參數(shù)下試制的兩種金剛石鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)效與壽命取平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比。兩種鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)鉆探效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩種鉆頭鉆進(jìn)效果對(duì)比Table 4 Comparison of drilling effect of two kinds of diamond bits

從表4可以看出，采用常規(guī)熱壓+熱等靜壓方式制造的孕鑲金剛石鉆頭其平均鉆速達(dá)到1.87 m/h，平均進(jìn)尺為126.8 m；鉆進(jìn)時(shí)效雖略低，但是該鉆頭的使用壽命卻相較于常規(guī)熱壓鉆頭提高50.42%，試驗(yàn)研究結(jié)果比較理想。

圖1為常規(guī)熱壓+熱等靜壓方法試制的S75 mm金剛石鉆頭在鉆進(jìn)三個(gè)回次后鉆頭磨損的外部形貌圖。用基恩士VK-100三維激光共聚焦顯微鏡觀察圖1鉆頭唇部A處局部，分析胎體磨損、金剛石的包鑲和出刃狀態(tài)，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)與圖2(b)可知：

(1)金剛石出刃較高，可獲得較高鉆進(jìn)速度。

(2)大部分金剛石出刃高度為金剛石粒徑的1/4～3/5，表明金剛石的搭接高度合理，鉆頭的連續(xù)鉆進(jìn)效果好。

(3)金剛石與胎體表面能夠形成較好的尾部支撐，表明胎體包鑲金剛石良好，可維系金剛石鉆頭較長(zhǎng)時(shí)間的鉆進(jìn)，有利于提高鉆頭的使用壽命。

(4)在共聚焦顯微鏡下，金剛石沒(méi)有出現(xiàn)被壓裂、破碎或石墨化等明顯損傷現(xiàn)象，表明在所試驗(yàn)的熱等靜壓工藝參數(shù)條件下，金剛石沒(méi)有受到明顯的影響。

4 結(jié)論

(1)常規(guī)熱壓燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓致密化處理是提高孕鑲金剛石鉆頭質(zhì)量的一種切實(shí)可行的方法，為研制普適性能的孕鑲金剛石鉆頭提供了一種有效方法。

(2)在試驗(yàn)條件下，熱等靜壓處理后鉆頭的硬度平均提高2.0 HRC，其耐磨性(磨損量)平均降低約2.3 mg；熱等靜壓條件下的胎體密度達(dá)到其理論密度的98.7%和99.1 g/cm3，基本實(shí)現(xiàn)了孕鑲金剛石鉆頭高致密性能目標(biāo)。

(3)熱等靜壓鉆頭鉆進(jìn)可鉆性為8～9級(jí)的石英閃長(zhǎng)斑巖和花崗片麻巖，其平均鉆速達(dá)到1.87 m/h，鉆頭平均進(jìn)尺達(dá)到126.8 m，研究試驗(yàn)結(jié)果較為理想。

(4)熱等靜壓處理后鉆頭胎體對(duì)金剛石包鑲良好，未發(fā)現(xiàn)金剛石有被壓裂、破碎或明顯石墨化等損傷現(xiàn)象。后續(xù)通過(guò)深入研究鉆頭胎體材料體系及其配比與制造工藝參數(shù)，有望進(jìn)一步提升孕鑲金剛石鉆頭的質(zhì)量。