提高人造金剛石在鉆頭中的使用效果

金剛石鉆頭破碎巖石過(guò)程的效果取決于以下兩個(gè)方面因素的相互作用:一是金剛石與胎體，二是金剛石與巖石。近三十年來(lái)，隨著人造金剛石硬巖鉆探技術(shù)在國(guó)內(nèi)外普及，廣大科研工作者和工作在生產(chǎn)第一線的工程師們?cè)鴮?duì)后者———單粒金剛石與巖石的相互作用，進(jìn)行過(guò)大量而深入的研究。但關(guān)于前者———金剛石與胎體的相互作用及其對(duì)鉆進(jìn)效果的影響，卻研究得很少。

如前所述，在所有情況下，為了破碎巖石金剛石都應(yīng)首先切入巖石一定的深度。但由人造金剛石制造工藝所決定，在人造金剛石晶體內(nèi)部必然存在著一定的“先天”缺陷，例如，存在著氣孔和含有催化－添加劑的金屬溶劑雜質(zhì)。第一種缺陷(氣孔)將影響金剛石的初始強(qiáng)度，而第二種缺陷(含有雜質(zhì))將影響鉆頭燒結(jié)過(guò)程中(溫度達(dá)800℃以上)金剛石的最終強(qiáng)度。

可以通過(guò)以下途徑來(lái)消除或削弱這些缺陷對(duì)人造金剛石強(qiáng)度的影響:

(1)金剛石表面金屬噴鍍;

(2)對(duì)原始金剛石粉料進(jìn)行電磁分選;

(3)用活性粘結(jié)材料制造胎體。

(一)金屬噴鍍法工藝及其提高人造金剛石強(qiáng)度的效果

業(yè)已確定，金屬包覆可提高金剛石的初始強(qiáng)度，在一定程度上防止鉆頭燒結(jié)過(guò)程中金剛石受高溫的影響，其表皮將起到導(dǎo)熱和減振作用。

研究表明，所用的胎體材料越堅(jiān)硬，金剛石顆粒越容易發(fā)生碎裂，如果胎體為硬度50～70HRC的復(fù)合材料，則金剛石顆粒發(fā)生碎裂的可能性特別大。金剛石顆粒發(fā)生碎裂的原因之一是胎體的剛度，因?yàn)樵谶@種胎體中金剛石顆粒承受動(dòng)載的能力很差。

提高鉆頭工作能力的途徑之一是在金剛石上噴鍍一層較軟的金屬，使其顆粒能經(jīng)受大的動(dòng)載而不被破壞。

金屬噴鍍常用鈦、釩和鉻、鉬金屬，而最有前景的是金屬鉬。這種金屬能與金剛石中的碳形成高強(qiáng)度、低脆性的碳化物金相。它具有相當(dāng)?shù)偷臒崤蛎浵禂?shù)，使其比鉬包覆層的熱應(yīng)力更小。

金屬噴鍍包覆與金剛石的接合強(qiáng)度取決于在金剛石和金屬之間形成的碳化物薄層厚度(圖5－24)。隨著碳化物薄層厚度增大，接合強(qiáng)度也增大。但如果厚度增大至80μm以上則效果不明顯。

圖5－25給出了工具耐磨性與金剛石同包覆層接合強(qiáng)度的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著接合強(qiáng)度增大，工具的耐磨性增強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)條件下所獲得的關(guān)系特征是一樣的，只是由于生產(chǎn)條件下情況更復(fù)雜，所以耐磨性的增長(zhǎng)略緩一些。

圖5－24 碳化物薄層厚度與接合強(qiáng)度的關(guān)系

圖5－25 使用噴鍍金屬金剛石的鉆頭相對(duì)耐磨性

曾用已噴鍍金屬和未噴鍍金屬的人造金剛石制造36mm鉆頭，并用于在實(shí)驗(yàn)室條件下鉆進(jìn)花崗巖的試驗(yàn)，結(jié)果如圖5－26、圖5－27所示。可以看出，隨著軸向載荷增大，已噴鍍金屬和未噴鍍金屬的人造金剛石鉆頭功耗同步增大，但在低鉆壓條件下，未噴鍍金屬的鉆頭功耗是的1.5倍，而在較高鉆壓條件下，兩者已基本沒有差距。也就是說(shuō)，如果按生產(chǎn)條件下的鉆壓值得，則已噴鍍金屬的鉆頭功耗指標(biāo)看不出有多大優(yōu)越性。但是，圖5－27所示的曲線卻顯示，隨著功耗增大，兩者的磨損強(qiáng)度雖然都在增大，卻有較大的差距。未噴鍍金屬鉆頭的磨損程度明顯大于已噴鍍金屬的鉆頭。這一指標(biāo)是影響生產(chǎn)實(shí)踐中鉆頭進(jìn)尺(壽命)的非常重要的因素。對(duì)于深孔鉆進(jìn)更是如此。

在生產(chǎn)條件下用59mm鉆頭鉆進(jìn)Ⅸ～Ⅺ級(jí)巖石的平均鉆頭進(jìn)尺為:不帶噴鍍金屬的金剛石鉆頭9.3m;帶噴鍍金屬的金剛石鉆頭12.1m。

因此，在鉆探工具中采用噴鍍金屬的人造金剛石是提高其使用效果的重要方法。

圖5－26 人造金剛石鉆頭在轉(zhuǎn)速1500r/min條件下鉆進(jìn)功率與軸向載荷的關(guān)系

圖5－27 人造金剛石鉆頭磨損強(qiáng)度與鉆進(jìn)功率的關(guān)系

(二)電磁分選法工藝及其提高人造金剛石強(qiáng)度的效果

人造金剛石中存在的金屬添加劑———雜質(zhì)，不僅影響其強(qiáng)度，而且還影響其鐵磁性能?？梢灾苯影焉倭咳嗽旖饎偸w粒置于磁場(chǎng)中，測(cè)出人造金剛石中的鐵磁雜質(zhì)。雜質(zhì)多的金剛石對(duì)較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)有反應(yīng)，反之雜質(zhì)少的金剛石必須在更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下才能被挑選。據(jù)此，制造了138Г－СЭМ分選人造金剛石的電磁分選器，可把磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)到8.8×105A/m，從而直接分選出無(wú)磁的人造金剛石晶體。

對(duì)比在不同退火溫度下人造金剛石的鐵磁特性和強(qiáng)度特性指標(biāo)表明，在原始人造金剛石中雖然存在著金屬雜質(zhì)，但這部分物質(zhì)往往處于無(wú)磁狀態(tài)。是在退火過(guò)程中使這些雜質(zhì)獲得了鐵磁特征，而且這種鐵磁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換會(huì)影響到金剛石的強(qiáng)度。

研究表明，分選單晶人造金剛石時(shí)分選器最合適的電流強(qiáng)度值為7.6×105A/m。在該條件下分選后的金剛石具有特別高的強(qiáng)度。

結(jié)晶學(xué)分析表明，實(shí)際上同一批金剛石中有磁和無(wú)磁部分在單晶和接合物的成分和顏色上并沒有差別(目視對(duì)比時(shí)有磁部分只是有些發(fā)暗，而且與雜質(zhì)相對(duì)含量有關(guān))，但在表面缺陷、外部雜質(zhì)數(shù)量、裂紋和碎裂程度方面卻存在著明顯差別。

由AC125牌號(hào)無(wú)磁的原始人造金剛石制成的鉆探工具試驗(yàn)結(jié)果見表5－16。

表5－16 БС20型鉆頭的生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果

可以看此，使用無(wú)磁人造金剛石做鉆頭，在Ⅶ～Ⅷ級(jí)巖石中可提高鉆頭進(jìn)尺60%，在Ⅺ級(jí)巖石中可增加鉆頭進(jìn)尺1.1倍。

實(shí)踐證明，引進(jìn)人造金剛石磁性分選機(jī)可以明顯提高金剛石粉末的強(qiáng)度均勻性，從而極大地提高鉆頭壽命。所以，使用無(wú)磁人造金剛石來(lái)制造鉆頭是合理的。

批量生產(chǎn)的不同牌號(hào)和粒度的人造金剛石粉料經(jīng)鐵磁分選后，具有強(qiáng)度均勻性好，耐熱性高的特點(diǎn)。可以把經(jīng)鐵磁分選后的人造金剛石粉料用于制造適應(yīng)不同條件下鉆進(jìn)的孕鑲鉆頭。

表5－17中列舉了用上述方法獲得的粒度400/315金剛石粉料的基本特性。所有粉料在強(qiáng)度(P)、表面缺陷程度(Ka)、耐熱性(Kct)、顆粒形狀(KΦ)等方面都有顯著差異，而且粉料的強(qiáng)度均勻性(Kon)明顯增長(zhǎng)(詳見本書第二章的表2－7)。

表5－17中的數(shù)據(jù)還顯示，在不同的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺和轉(zhuǎn)速條件下，鉆進(jìn)指標(biāo)(功耗N、單位體積破碎功Ay和軸向載荷Pz)與金剛石強(qiáng)度的關(guān)系。在金剛石強(qiáng)度增大的情況下，所有這些關(guān)系都呈現(xiàn)遞減的特性。即，功率消耗、單位體積破碎功和切削力都在下降，這正是我們鉆探工作者追求的目標(biāo)。在這種情況下，我們注意到這樣的事實(shí)，使用原始粉料的鉆頭工作指標(biāo)與用分選出的低強(qiáng)度金剛石所做鉆頭在一個(gè)水平上，而用高強(qiáng)度人造金剛石做的鉆頭在所有指標(biāo)上都超過(guò)了用原始粉料的鉆頭。生產(chǎn)試驗(yàn)的結(jié)果列于表5－18。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用強(qiáng)度更大的均質(zhì)金剛石做的鉆頭壽命提高了14%～50%，而機(jī)械鉆速增長(zhǎng)并不明顯(甚至降低了10%)。

表5－17 用不同強(qiáng)度的原始金剛石和分選后的均質(zhì)金剛石所做鉆頭的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

表5－18 用不同強(qiáng)度的原始金剛石和分選后的均質(zhì)金剛石所做鉆頭在Ⅶ～Ⅷ級(jí)巖石中生產(chǎn)試驗(yàn)的結(jié)果

在相同的規(guī)程參數(shù)下鉆進(jìn)速度有所提高，因而金剛石均質(zhì)性和強(qiáng)度的升高不僅保證鉆頭壽命比用原始粉料的高，而且改善了孔底巖石破碎過(guò)程。

另外科研工作者還注意到，由于人造金剛石單晶具有不同的導(dǎo)電性能，所以制造破巖工具時(shí)應(yīng)選擇最適宜具體使用條件和具體制造工藝的金剛石標(biāo)號(hào)。為了使有磁性的人造金剛石粉料能保持較高的原始強(qiáng)度，最好把它們用于不必加熱的鉆頭制造工藝。電鍍法就適宜此特點(diǎn)，是很有前景的鉆頭制造方法之一。這時(shí)人造金剛石的導(dǎo)電性能將起重要作用。

胎體的金屬離子將同時(shí)堆積在金剛石上和鋼體端面上，以固定導(dǎo)電金剛石。這時(shí)在金剛石上發(fā)生的沉淀作用比鋼體上更強(qiáng)烈，從而形成了參差不齊的表面，有的地方深淺不同，并含有小孔眼和凸臺(tái)。

有磁金剛石中的鐵磁雜質(zhì)基本上(50%～70%)分布在晶體內(nèi)部，因此它們是不導(dǎo)電的。當(dāng)胎體金屬離子在含有導(dǎo)電金剛石的鋼體上沉淀時(shí)，首先是增厚鋼體上的金屬，然后才是金剛石。在這種情況下，就可以得到平整的胎體表面，不會(huì)有深淺不同和小孔眼。

(三)用粘附活性材料提高人造金剛石在胎體中的固定強(qiáng)度

理論與實(shí)踐研究表明，使用機(jī)械性能好，對(duì)金剛石具有粘附活性的專用材料，不僅可增大鉆頭切削部分的金剛石飽和度，而且可同時(shí)調(diào)整金剛石顆粒的固定強(qiáng)度和胎體硬度，完全不必使用昂貴的鎢、碳化鎢、鈷等材料。

烏克蘭超硬材料研究所曾制成不含鎢的金剛石復(fù)合材料KIAM，其熔化溫度為900℃。為了保證金剛石顆粒與合金能很好地接觸，熔化在真空中進(jìn)行。熔合的表面相互接觸可促使形成堅(jiān)固的結(jié)合。KIAM是一種多用途的功能材料，其不同牌號(hào)的性能相互差別明顯。胎體的硬度可以在HRB75～HRC35之間變化。

為了獲得金剛石特性與胎體性能相互適應(yīng)的體系，需要滿足兩個(gè)相反的要求:一是為了有效地傳遞載荷應(yīng)保證兩者分界面上有可靠的連接;二是為了防止鉆頭胎體在孔底工作過(guò)程中遭受破壞，兩者分界面上所形成的反應(yīng)區(qū)厚度又要盡量薄。制作胎體時(shí)，采用對(duì)金剛石具有活性粘附作用的專用材料，便可以滿足上述要求。這時(shí)兩者中間的碳化物層厚度不超出40～50nm(圖5－28)。

圖5－28 溫度對(duì)反應(yīng)區(qū)厚度和金剛石－胎體連接強(qiáng)度的影響

在用銅浸漬法制造БА型鉆頭的過(guò)程中，采用粒徑250/200μm的細(xì)粒人造金剛石和以無(wú)鎢活性粘附材料KIAM為基礎(chǔ)的胎體粘結(jié)材料，可以使金剛石的出刃平均值達(dá)66μm。為了對(duì)比，我們引用參考文獻(xiàn)中給出的人造金剛石凸出于БС01型批量鉆頭(胎體用銅浸漬法制造，其主要成分為YG6硬質(zhì)合金)的平均值。關(guān)于金剛石數(shù)量分布與出刃大小的關(guān)系見圖5－29。

圖5－29 АС50金剛石在БС01和БА鉆頭胎體出刃的分布情況

圖5－30、圖5－31給出了由KIAM和YG6硬質(zhì)合金胎體材料制成的鉆頭破碎花崗巖的功耗和胎體磨損強(qiáng)度的結(jié)果。用兩種材料制成的鉆頭胎體具有類似的變化曲線，破巖功耗都隨機(jī)械鉆深增大而減小，磨損強(qiáng)度則呈相反的趨勢(shì)。但用新型復(fù)合材料KIAM胎體的這兩項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的YG6硬質(zhì)合金胎體。

圖5－30 在每轉(zhuǎn)進(jìn)深恒定為60μm，機(jī)械鉆速各異的條件下，БА和БС01鉆頭破碎花崗巖的功耗

圖5－31 在每轉(zhuǎn)進(jìn)深恒定為60μm的條件下，БА和БС01鉆頭金剛石層的磨損強(qiáng)度與機(jī)械鉆速的關(guān)系

對(duì)比直徑59mm的БА10鉆頭(用KIAM材料)和БС01鉆頭(用YG6材料)生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果(表5－19)，可以看出，用KIAM材料制造胎體的鉆頭使用效果優(yōu)于含鎢胎體的鉆頭性能。在鉆進(jìn)同一級(jí)別巖石的生產(chǎn)實(shí)踐中，前者比后者的平均鉆頭進(jìn)尺提高了45%，而平均機(jī)械鉆速提高了30%，對(duì)于堅(jiān)硬的Ⅸ～Ⅹ級(jí)巖石而言，其鉆探指標(biāo)是令人滿意的。

表5－19 生產(chǎn)條件下的鉆頭試驗(yàn)結(jié)果

分析上述數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，通過(guò)對(duì)人造金剛石進(jìn)行補(bǔ)充加工的辦法(金屬噴鍍，電磁分選等)可提高鉆探工具的使用效果;同時(shí)利用粘附活性合金材料作為胎體，可保持胎體中的金剛石用到完全磨損為止。所有這些措施，包括用電鍍方法制造鉆探工具，都可最大限度地使人造金剛石粉料得到充分利用。