劉寶昌， 李思奇， 韓 哲， 趙新哲， 李 闖， 曹 鑫

(1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 長春 130026)(2. 吉林大學(xué) 超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130012)(3. 國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130026)

地質(zhì)勘探工作逐步轉(zhuǎn)向深部以及超深部，對(duì)鉆探技術(shù)、裝備及工藝提出了更高的要求。孕鑲金剛石鉆頭作為重要的碎巖工具之一，其性能對(duì)鉆進(jìn)的效率、質(zhì)量及成本有著直接的影響。特別是深部鉆探消耗較多的起下鉆等非正常作業(yè)時(shí)間，其提鉆時(shí)間間隔越長越好。因此，研制效率高、壽命長的金剛石鉆頭對(duì)地質(zhì)勘探工作具有重要意義[1-2]。

現(xiàn)有的強(qiáng)化孕鑲金剛石鉆頭方法包括在胎體中引入CVD金剛石條、在鉆頭設(shè)計(jì)中引入仿生耦合理論和使用釬焊法制備鉆頭等[3-5]。而隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米材料表現(xiàn)出的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等激發(fā)了研究人員的興趣[6]。利用納米顆粒彌散強(qiáng)化金屬或合金材料成為重要研究方向：納米顆?？删鶆驈浬⒃诮饘倩蚝辖鸹w中作為第二相顆粒，限制材料變形過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及晶界滑移，從而提高材料的性能[7]。

納米Al2O3、納米WC、納米TiB2及納米金剛石等彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異，既具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，又具有高的強(qiáng)度和優(yōu)越的高溫性能[8]。其中，納米WC硬度高、彈性模量大、比表面積大、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性好，被廣泛用于制備硬質(zhì)合金和耐磨涂層[9]。將納米WC引入到復(fù)合材料中可以起到良好的彌散強(qiáng)化作用，如ZAITSEV等[10-11]將納米WC顆粒添加到Cu-Co-Fe-WC和Cu-Co-Fe-Sn基金剛石復(fù)合材料中，可以提高硬度、抗彎強(qiáng)度和耐磨性；彌散強(qiáng)化后的金剛石鋸片的使用壽命更長。

孕鑲金剛石鉆頭胎體傳統(tǒng)配方中含有一定比例的微米級(jí)WC，引入納米WC顆粒并未添加新的元素，其能與胎體中其他顆粒牢固結(jié)合且不發(fā)生有害反應(yīng)，同時(shí)納米WC能在一定程度上減緩燒結(jié)過程中金剛石表面的石墨化程度[12]，所以納米WC是彌散強(qiáng)化孕鑲金剛石鉆頭的理想材料。

我們將納米WC引入到孕鑲金剛石鉆頭的傳統(tǒng)胎體配方中，研制了一種強(qiáng)化型孕鑲金剛石鉆頭。

1 鉆頭設(shè)計(jì)及制備

1.1 鉆頭胎體設(shè)計(jì)

鉆頭胎體配方?jīng)Q定鉆頭胎體的性能。胎體配方設(shè)計(jì)主要包括胎體中各組分含量、納米WC的添加量以及金剛石顆粒尺寸和濃度。

根據(jù)試驗(yàn)巖石的研磨性和可鉆性分析，本研究所設(shè)計(jì)鉆頭在傳統(tǒng)胎體配方(如表1)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在金剛石濃度為80%時(shí)，分別在表1所示配方中添加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的納米WC顆粒，其物理參數(shù)如表2所示。

表1 傳統(tǒng)胎體配方各組分粒度及含量

表2 納米WC物理參數(shù)

經(jīng)稱料、混料，熱壓燒結(jié)制備胎體條形試樣，具體燒結(jié)參數(shù)如下：均勻升溫，升溫時(shí)間2 min，燒結(jié)溫度980 ℃，壓力15～18 MPa，保溫、保壓時(shí)間5 min。測(cè)定胎體試樣的抗彎強(qiáng)度和磨耗比。結(jié)果顯示：當(dāng)納米WC的添加量為2.5%時(shí)，試樣整體性能最優(yōu)；相對(duì)于對(duì)照試樣其抗彎強(qiáng)度提高2%，磨耗比提高49%。

根據(jù)對(duì)胎體試樣的性能測(cè)定結(jié)果，確定本次試驗(yàn)強(qiáng)化型金剛石鉆頭的胎體配方為97.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))傳統(tǒng)胎體配方材料+2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米WC，對(duì)照金剛石鉆頭胎體全部采用傳統(tǒng)胎體配方材料。使用晶型完整、強(qiáng)度高的人造金剛石單晶，顆粒尺寸0.355～0.400 mm，濃度為80%。

1.2 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的強(qiáng)化型金剛石鉆頭外徑為59.5 mm，內(nèi)徑為41.5 mm。胎體工作層高度5 mm，非工作層4 mm。采用矩形水口，水口寬度5 mm，水口數(shù)量6個(gè)。

1.3 鉆頭的制備工藝

設(shè)計(jì)的強(qiáng)化型金剛石鉆頭由中頻感應(yīng)熱壓法制備，其制備工藝流程與傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭相似，如圖1所示。

圖1 鉆頭制備工藝流程圖

鉆頭的燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度980 ℃，熱壓壓力約15 MPa，保溫時(shí)間10 min。制備出的成品鉆頭如圖2所示。

圖2 鉆頭實(shí)物圖

2 鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 鉆進(jìn)試驗(yàn)

對(duì)制備的納米WC強(qiáng)化型金剛石鉆頭進(jìn)行室內(nèi)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)所用主要設(shè)備為XY-1巖心鉆機(jī)(如圖3所示)及PMB-50泡沫泥漿泵。鉆機(jī)上裝有多個(gè)傳感器，可將所收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入電腦并記錄，包括：轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵量、機(jī)械鉆速以及行程。鉆進(jìn)試驗(yàn)所用巖樣為X級(jí)硬度的中粗?；◢弾r，具有強(qiáng)研磨性，可鉆性等級(jí)VII級(jí)。

試驗(yàn)前，用舊鉆頭進(jìn)行開孔，形成深約5 mm的環(huán)形槽。然后安裝試驗(yàn)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓7 kN，轉(zhuǎn)速500 r/min，沖洗液量35～40 L/min，其中沖洗液為清水。鉆取出的部分巖心如圖4所示。

圖3 XY-1 鉆機(jī)

圖4 鉆取出的部分巖心

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鉆進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，鉆頭底唇面磨損情況如圖5所示。由表3及圖5可知：

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)金剛石鉆頭，強(qiáng)化型金剛石鉆頭的機(jī)械鉆速提高了24.93%。說明引入2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米WC起到了良好的彌散強(qiáng)化效果，改善了鉆頭鉆進(jìn)過程中的物理力學(xué)性能，進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)金剛石鉆頭，強(qiáng)化型金剛石鉆頭的單位進(jìn)尺工作層消耗降低22.42%，預(yù)估使用壽命提高28.91%。引入納米WC有效地提高了鉆頭壽命、降低了鉆進(jìn)成本。

(3)以傳統(tǒng)鉆頭為對(duì)照，觀察鉆頭底唇面磨損后的情況，發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)化型鉆頭磨損量小、環(huán)槽淺；傳統(tǒng)鉆頭工作層邊角掉塊，強(qiáng)化型鉆頭未出現(xiàn)此現(xiàn)象。這說明納米WC的引入取得了較好的實(shí)際使用效果。

(4)強(qiáng)化型金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過程中更加平穩(wěn)，可能與納米WC的引入改善了鉆頭鉆進(jìn)過程中的物理力學(xué)性能有關(guān)。

表3 鉆進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

(a)傳統(tǒng)鉆頭(b)強(qiáng)化型鉆頭(c)傳統(tǒng)鉆頭(d)強(qiáng)化型鉆頭(e)傳統(tǒng)鉆頭(f)強(qiáng)化型鉆頭圖5 鉆頭底唇面磨損對(duì)比

3 結(jié)論

將2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米WC添加到孕鑲金剛石鉆頭胎體傳統(tǒng)配方中，研制了一種強(qiáng)化型金剛石鉆頭，并以其進(jìn)行室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)。以傳統(tǒng)金剛石鉆頭為對(duì)照，得出如下結(jié)論：

(1)將納米WC引入到孕鑲金剛石鉆頭胎體中，可起到良好的彌散強(qiáng)化作用，提高鉆頭性能。室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)表明：提高效果明顯，此強(qiáng)化型鉆頭可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

(2)彌散強(qiáng)化金剛石鉆頭的效果最好時(shí)，納米WC的添加量為2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在此條件下，制備的強(qiáng)化型金剛石鉆頭較傳統(tǒng)金剛石鉆頭，其機(jī)械鉆速提高了24.93%，使用壽命提高了28.91%，同時(shí)鉆進(jìn)過程更平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張光亞, 馬鋒, 梁英波, 等. 全球深層油氣勘探領(lǐng)域及理論技術(shù)進(jìn)展 [J]. 石油學(xué)報(bào), 2015, 36(9): 1156-1166.

ZHANG Guangya, MA Feng, LIANG Yingbo, et al. Domain and theory-technology progress of global deep oil & gas exploration [J]. Acta Petrolei Sinica, 2015, 36(9): 1156-1166.

[2] 呂智, 劉志環(huán), 潘曉毅, 等. 深部找礦金剛石鉆進(jìn)工具發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) [J]. 超硬材料工程, 2013, 25(4): 39-44.

LV Zhi, LIU Zhihuan, PAN Xiaoyi, et al. Development status and trends of deep prospecting diamond tools [J]. Superhard Material Engineering, 2013, 25(4): 39-44.

[3] 劉寶昌, 孫友宏, 佟金, 等. CVD金剛石條強(qiáng)化孕鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2009(6): 24-27.

LIU Baochang, SUN Youhong, TONG Jin, et al. Experimental study of diamond impregnated drilling bit enhanced with CVD diamond pins [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2009(6): 24-27.

[4] 王傳留, 孫友宏, 劉寶昌,等. 仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)及碎巖機(jī)理分析 [J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 42(5): 1321-1325.

WANG Chuanliu, SUN Youhong, LIU Baochang, et al. Experiment and rock fragmentation mechanism of bionic coupling impregnated diamond bit [J]. Journal of Central South University, 2011, 42(5): 1321-1325.

[5] 徐良, 劉一波, 楊合丹. 釬焊金剛石鉆頭制備及鉆進(jìn)性能研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2013, 33(6): 41-43.

XU Liang, LIU Yibo, YANG Hedan. Preparation and drilling properties research of brazed diamond bits [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2013, 33(6): 41-43.

[6] 劉寶昌, 張祖培, 孫友宏. 納米材料及其在碎巖工具材料中的應(yīng)用前景 [J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2003(z1): 272-275.

LIU Baochang, ZHANG Zupei, SUN Youhong. The application prospect of nano-structured materials in rock-fracturing tool materials [J]. Exploration Engineering (Rock & Soli Drilling and Tunneling), 2003(z1): 272-275.

[7] 寧新愿, 汪禮敏, 劉祥慶. 彌散強(qiáng)化金剛石工具胎體材料的研究進(jìn)展 [J]. 粉末冶金工業(yè), 2015, 25(1): 49-53.

NING Xinyuan, WANG Limin, LIU Xiangqing. Research progress of the dispersion strengthening diamond tool matrix [J]. Powder Metallurgy Industry, 2015, 25(1): 49-53.

[8] 田保紅, 宋克興, 劉平. 高性能彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料及其制備技術(shù) [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

TIAN Baohong, SONG Kexing, LIU Ping. High-performance dispersion-strengthened Cu-based composite and its preparing technology [M]. Beijing: Science & Technology Press, 2011.

[9] 謝海根. 納米碳化鎢粉的制備及其性能研究 [D]. 長沙: 中南大學(xué), 2007.

XIE Haigen. Preparation of nanometer WC powders and research on its performance [D]. Changsha: Central South University, 2007.

[10]ZAITSEV A A, SIDORENKO D A, LEVASHOV E A, et al. Diamond tools in metal bonds dispersion-strengthened with nanosized particles for cutting highly reinforced concrete [J]. Journal of Superhard Materials, 2010, 32(6): 423-431.

[11]ZAITSEV A A, SIDORENKO D A, LEVASHOV E A, et al. Development and application of the Cu-Ni-Fe-Sn-based dispersion-hardened bond for cutting tools of superhard materials [J]. Journal of Superhard Materials, 2012, 34(4): 270-280.

[12]SIDORENKO D A, ZAITSEV A A, KIRICHENKO A N, et al. Interaction of diamond grains with nanosized alloying agents in metal-matrix composites as studied by Raman spectroscopy [J]. Diamond & Related Materials, 2013, 38(6): 59-62.