關(guān)于胎體材料的合理選擇

對于孕鑲金剛石鉆頭而言，決定其使用效果的主要因素是鉆頭胎體。鉆頭胎體是由胎體材料和包鑲在其中的金剛石組成的。國內(nèi)外的金剛石鉆探經(jīng)驗(yàn)表明，孕鑲鉆頭的使用效果在很大程度上取決于胎體的耐磨性是否與所鉆巖石的研磨性相適應(yīng)。

為具體地質(zhì)條件選擇巖石破碎工具時，人們往往只看重其單一的胎體材料特性———硬度指標(biāo)，實(shí)際上經(jīng)常用到的這個硬度指標(biāo)僅僅反映了鉆頭工作唇面被測點(diǎn)上的硬度信息。如果僅根據(jù)這個指標(biāo)，通常不可能正確選擇適于特定鉆進(jìn)條件的胎體。因?yàn)楦鶕?jù)胎體唇面的硬度值，只能判斷鉆頭的制造質(zhì)量。在研磨磨損條件下，純金屬材料的硬度和其耐磨性之間有很好的相關(guān)關(guān)系。但鉆頭胎體不是純金屬材料，它是含金剛石的復(fù)合材料。經(jīng)驗(yàn)證明，對于復(fù)合材料來說，這種相關(guān)關(guān)系只能間接得到證實(shí)，而且還取決于胎體的若干其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

業(yè)已確定，被鉆巖石對金剛石工具的磨損作用應(yīng)從兩個方面來研究:

(1)在金剛石與巖石的連續(xù)接觸過程中，巖石對金剛石的磨損作用;

(2)在金剛石破碎巖石的過程中，破碎下來的巖屑對胎體材料的磨損作用。

孕鑲鉆頭的工作原理在于自磨出刃。在鉆進(jìn)過程中，第一層的金剛石磨完了之后，下一層的金剛石又投入工作。

為了研究鉆頭胎體，首先要明確胎體成分和結(jié)構(gòu)最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)。我們認(rèn)為，胎體成分和結(jié)構(gòu)最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)是，胎體金剛石在孔底發(fā)揮切削作用的效果最好。具體表現(xiàn)為由孔底破碎下來的巖屑顆粒最大，沒有發(fā)生重復(fù)破碎。從這個觀點(diǎn)出發(fā)，在孔底表面與鉆頭胎體之間應(yīng)有間隙和通道，以利于巖屑無障礙地被排出。但在鉆進(jìn)過程中隨著金剛石被磨損，胎體材料和巖石之間的初始間隙逐漸減少。

隨著金剛石之間的空間被充填，巖屑顆粒將同時與胎體材料和孔底接觸。聚集在孔底的巖屑層只有當(dāng)鉆頭水口旋轉(zhuǎn)到其上方時，才能被沖洗液帶至地表。

當(dāng)金剛石出刃很小時，巖屑將被擠壓在胎體端面與巖石之間，而在金剛石前面的巖屑將嚴(yán)重被壓實(shí)。在這種情況下，鉆頭將懸浮在巖屑上，巖屑對胎體材料的研磨強(qiáng)度增大，因此孔底與鉆頭胎體之間很快又恢復(fù)到初始的間隙大小。當(dāng)鉆進(jìn)條件穩(wěn)定下來后，這個過程便會進(jìn)入巖屑顆粒連續(xù)作用于胎體材料的動平衡。

選擇胎體材料時應(yīng)考慮兩點(diǎn):一是正確估計其耐磨性，二是確定巖屑顆粒的磨蝕性。此外，還應(yīng)正確認(rèn)識示意圖中各方框之間的相互關(guān)系(圖5－7)。

圖5－7 根據(jù)鉆頭使用條件選擇適用胎體材料的原則

為了保證孕鑲金剛石鉆頭能正常破碎巖石，必須保障金剛石在整個鉆進(jìn)過程中有均勻出刃，并使其在胎體上的出刃量最優(yōu)。即必須使金剛石的磨損強(qiáng)度與其胎體材料能承受的磨損強(qiáng)度一致。如果胎體材料的磨損強(qiáng)度低于金剛石的磨損強(qiáng)度，則導(dǎo)致工作唇面被“拋光”;如果胎體材料的磨損強(qiáng)度大于金剛石的磨損強(qiáng)度，則造成金剛石出刃過大并導(dǎo)致其從胎體上崩裂。上述兩種情況，都違背了孕鑲鉆頭的基本工作原理，從而降低鉆頭的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為了消除這類現(xiàn)象，應(yīng)選用具有不同耐磨性的胎體材料。在大多數(shù)情況下，單晶人造金剛石孕鑲鉆頭的胎體都是在惰性氣體保護(hù)下用粉末冶金(熱壓法或浸漬法)方法制造的，胎體中含有難熔金屬粉末(或它們的共生體)和粘結(jié)金屬(或粘結(jié)合金)。通過調(diào)節(jié)胎體中加入的顆粒成分和粒度，可在一定范圍內(nèi)改變胎體的耐磨性。

工業(yè)化批量生產(chǎn)的鉆頭胎體幾乎100%都是用碳化鎢粉末制成(表5－2，表5－3)。

表5－2 獨(dú)聯(lián)體國家用浸漬法制造鉆頭的胎體組成(單位:%)

注:骨架材料與浸漬合金的體積比為1∶1。

盡管目前鉆頭的胎體成分品種繁多，應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛，但最迫切的任務(wù)仍是尋找新的胎體配方，以保證高的耐磨性和鉆進(jìn)效率。

大部分金剛石鉆探工具制造公司為了預(yù)防鉆進(jìn)堅硬、弱研磨性巖石時鉆頭被拋光，通常采用軟胎體或低硬度的胎體。用這類胎體可較好地保證金剛石顆粒的出露和出刃，從而有利于金剛石吃入巖石。

表5－3 國外用浸漬法制造鉆頭的胎體組成(單位:%)

可通過以下途徑來改變胎體的硬度:

(1)胎體材料的主要成分。用含15%和20%鈷的YG15或YG20硬質(zhì)合金粉料代替含94%碳化鎢和6%鈷的硬質(zhì)合金粉料YG6。

(2)改變銅在胎體中的含量。因?yàn)榻n時銅會填滿金剛石－硬質(zhì)合金粉料中的孔隙，使壓制過程中胎體的孔隙率發(fā)生變化，從而改變胎體性能。

(3)改變胎體中其他硬填料的成分。例如使用列立特硬質(zhì)合金顆粒。

通過實(shí)驗(yàn)室研究業(yè)已確定，由于使用YG15和較低的壓制力(不大于2.5kN/cm2)可使胎體硬度適當(dāng)降低。雖然胎體硬度并非總能反映它的耐磨性，但是在其他條件相等的情況下，硬度較小的胎體磨損得更快。在這種情況下金剛石出露更好，且出刃最大。鉆進(jìn)堅硬的研磨性巖石時，這種鉆頭可能導(dǎo)致金剛石崩斷和破壞;但在鉆進(jìn)低研磨性巖石時，可減少鉆頭端部被拋光的可能性并更好地保持鉆頭的工作狀態(tài)。

用具有不同硬度(18HRC，25HRC和30HRC)胎體的鉆頭進(jìn)行的生產(chǎn)試驗(yàn)表明，較低硬度的胎體在可鉆性Ⅸ～Ⅺ級的堅硬、弱研磨性巖石中具有很好的應(yīng)用前景。隨著胎體硬度增大，在鉆頭進(jìn)尺相等的情況下，金剛石鉆頭的機(jī)械鉆速由18HRC的2.7m/h降到30HRC的1.5m/h。但這時在胎體硬度較低的鉆頭扇形塊上出現(xiàn)了胎體材料被剝落的現(xiàn)象。