地質鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究綜述

高曉亮 王訓波

(中國地質大學(北京)工程技術學院 北京 100083)

地質鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究綜述

高曉亮 王訓波

(中國地質大學(北京)工程技術學院 北京 100083)

簡要的從金剛石鉆頭胎體的骨架材料、粘結材料、碳化物形成元素和其它材料的改變或添加對近年來地質鉆探用熱壓金剛石鉆頭胎體改性研究的進展進行了綜述。

金剛石鉆頭 胎體材料 熱壓 綜述 地質鉆探

1 引言

在地質鉆探過程中,熱壓金剛石鉆頭以其工藝簡單、成型快、性能易調節等特點受到廣大鉆探施工隊伍的歡迎,并長期應用于地質鉆探行業。但是由于我國幅員遼闊,地質條件不一,所需要的鉆頭性能也不盡相同。因此,通過調節胎體中各組分含量來控制金剛石鉆頭的各項參數以適應不盡相同的地層條件已成為一種成熟的方法。另外,為改善金剛石鉆頭胎體的硬度、耐磨性、抗彎強度等性能,還可以在胎體中添加少量改性材料,以期達到較好的應用效果。本文將從構成金剛石胎體的骨架材料、粘結材料、碳化物添加材料以及其他添加材料對近年來地質鉆探用熱壓金剛石胎體改性的研究進展進行綜述。

2 骨架材料的改變

傳統的地質鉆探用鉆頭胎體多采用碳化鎢基胎體骨架材料,而鐵基胎體是用鐵或者鐵合金代替碳化鎢制作鉆頭,但是由于鐵基胎體在高溫下容易侵蝕金剛石,使其產生嚴重的石墨化現象,從而限制了鐵基胎體的推廣應用。近年來,隨著鐵基胎體的繼續研究,肖俊玲等提出了在鐵基胎體中添加磷元素的設想,并通過實驗證明其可行性,添加磷元素后的金剛石胎體中的磷優先與鐵反應,抑制了鐵對金剛石的侵蝕作用。之后,地質鉆探行業進行了高磷鐵基金剛石鉆頭胎體的研究。以下是中國地質大學(武漢)楊洋等進行的鐵基胎體硬度及耐磨性優化實驗。

實驗證明,經過調整胎體中各組分含量,鐵基胎體硬度能達到 HRC100以上,耐磨性也能滿足地質鉆探用鉆頭胎體的要求,采用相應配方制作鉆頭進行實鉆試驗后,在IX級巖石中能達到1.9以上的時速,總進尺也能滿足要求。

添加磷的鐵基胎體能減少鐵對金剛石的侵蝕是因為,磷能夠降低鐵基合金的燒結溫度,鐵優先與磷反應而減緩了鐵與金剛石的反應。另外,磷起著抑制鐵對金剛石的侵蝕作用,因此能最大限度地降低鐵元素對金剛石的熱侵蝕。

3 粘結材料的改變

普通粘結材料對金剛石的包鑲大多只能使金剛石出刃高度為粒徑的三分之一左右,為了保證金剛石的包鑲強度,提高金剛石利用率。張文姣等提出了用釬焊法制造金剛石鉆頭,釬焊法是指用釬料為粘結材料,對金剛石進行包鑲,金剛石出刃高度可達粒徑的1/2～2/3,大大改善了金剛石的包鑲強度與利用率。這是因為釬焊料在金剛石顆粒表面形成一層碳化物膜,這層膜與胎體料的潤濕角變得更小,結合就更為牢固。

在鉆頭制作中可采用Ni-Cr釬焊料,添加少量銅以降低潤濕角。經實驗證明,釬焊地質金剛石鉆頭具有金剛石出刃高,鉆進時效好,壽命長等優點。但是,釬焊金剛石鉆頭現在只能進行單層金剛石鍍覆,而且其釬料選擇和制造工藝尚缺乏成熟的理論指導,有待于進一步深入研究。

4 碳化物形成元素的添加

添加碳化物形成元素是指在傳統配方基礎上,適量加入W、Fe、Cr、Ti等金屬,使其在鉆頭燒結過程中與金剛石表面C原子懸掛鍵結合,形成碳化物層,使胎體和金剛石之間以弱化學鍵和化學鍵粘著,增強胎體對金剛石的包鑲。

實驗表明,碳化物形成元素在Cu基合金中,降低了Cu合金和金剛石的內界面張力,使接觸角降低,從而降低了與金剛石間的潤濕角,加固了包鑲。

吉林省地質勘探技術研究所孫洪義等對 W、Fe、Cr的添加量對胎體性能的影響進行了研究,經研究發現:

W的含量在10～15%之間胎體對金剛石的粘結作用明顯。Fe的加量在10%以內可獲得適當的硬度,較高的抗彎強度、沖擊韌性和對金剛石的包鑲能力。Cr的加量在3%以內胎體的抗彎強度不下降或下降小,但超過2%后出現粘模現象,所以Cr含量應控制在2%以內。

另外 ,在胎體中還可以添加 V、Nb、Ta、Zr、Ni、Co、Si等其它元素,也能產生相應效果,但添加量對胎體性能的影響有待進一步研究。

5 其他材料的添加

有資料表明,在胎體中添加稀土元素能改善胎體的機械性能。而石墨的添加則可以改善金剛石的自潤滑性能。并且現在已有部分單位嘗試在金剛石鉆頭中添加碳纖維、碳化硅纖維等新材料,以提高金剛石鉆頭的耐磨性能。

5.1 稀土元素的添加

在金剛石胎體配方中添加一定量的稀土元素,可以降低共晶合金的熔點,具有有效地脫氧、脫硫、脫氮作用,能抑制硫、氧、氮的偏析,凈化金剛石與胎體界面,提高材質機械性能,并且能降低液態合金對金剛石的接觸角。

另外,中國地質大學(武漢)王偉雄等研究表明,在鉆頭富鐵胎體間添加0.1～0.8%wt稀土元素(La),可以提高富鐵胎體在高溫時的定壓熱容,降低富鐵胎體在低溫時的定壓熱容,從而可以提高富鐵胎體對金剛石的包鑲能力,有效地改善胎體的機械性能,經研究表明,添加稀土元素后,35%Fe基胎體的抗彎性能、抗沖擊韌性均能提高10%以上,孔隙率也降低了3%。

5.2 石墨的添加

周紅心等人為了改善打滑地層中金剛石胎體的性能,在胎體中添加少量顆粒狀石墨,使得鉆頭在鉆進過程中,胎體內的石墨顆粒提前脫離胎體唇面,造成底唇面的若干微型凹坑,有效地降低鉆頭底唇面與孔底巖石的接觸面積,并存儲少量鉆井液,改善了鉆進條件,使鉆進實效由原來的0.5m提高到1m。

潘秉鎖等人對在金剛石胎體中添加石墨后,胎體的機械性能進行了研究。研究發現,石墨能降低金剛石胎體的摩擦系數,改善金剛石鉆頭的自潤滑性能,但是隨著石墨含量的增多,胎體的抗彎強度、硬度會有所下降,當石墨加量在6%以內時,胎體摩擦性能隨石墨加量提高,超過6%則隨之降低。

6 結論

(1)用鐵代替碳化鎢作為金剛石鉆頭的胎體的骨架材料,能夠滿足鉆頭胎體的硬度,耐磨性要求,通過添加較高含量的磷可以減弱鐵對金剛石的侵蝕作用。

(2)用釬焊材料做金剛石鉆頭的粘結材料可以提高對金剛石的包鑲能力,金剛石出刃高度可達粒徑的1/2～2/3。

(3)碳化物形成元素的添加,可以提高金剛石與粘結材料的潤濕角,使胎體材料對金剛石的包鑲更加牢固。

(4)稀土元素的添加,可以改善金剛石鉆頭胎體的機械性能。

(5)石墨可以改善金剛石鉆頭的自潤滑性能,顆粒狀石墨可以增加鉆頭與巖石的接觸面積,改善打滑地層的鉆進條件。

1 肖俊玲、胡國輝等.高磷鐵基金剛石工具胎體合金的研究.湖南冶金,2001(11)

2 楊洋、潘秉鎖等.熱壓鐵基金剛石鉆頭胎體性能及鉆進實驗研究.金剛石與磨料磨具工程,2009(4)

3 王偉雄、段隆臣等.稀土提高富鐵胎體包鑲金剛石能力的試驗研究.煤田地質與勘探,2002(4)

4 段隆臣、田永常等.金剛石工具富鐵胎體摻雜稀土的研究.地質科技情報,2002(9)

5 孫洪義、劉樹華.孕鑲人造金剛石鉆頭反應性胎體的研究.西部探礦工程,2000(4)

6 章文姣、葉宏煜等.釬焊地質金剛石鉆頭的試驗與研究.金剛石磨料磨具工程,2009(2)

7 潘秉鎖、方小紅等.自潤滑孕鑲金剛石鉆頭胎體材料初步研究.探礦工程,2009(1)

8 周紅心.堅硬致密巖層鉆進用熱壓金剛石鉆頭的研究.探礦工程,2007(4)

9 楊凱華、潘秉鎖.金剛石地質鉆頭的現狀與發展.超硬材料工程,2009(4)

10 姜榮超、雷雨.國外超硬材料工具的最新應用與進展.超硬材料工程,2008(8)

2010年3月10日)