粒度配比對WC基金剛石鉆頭的性能影響研究①

王帥,謝德龍,寧春旭,呂智,林峰,潘曉毅

(1.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004; 3.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004;4.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林 541004)

粒度配比對WC基金剛石鉆頭的性能影響研究①

王帥1,謝德龍2,3,4,寧春旭2,3,4,呂智2,3,4,林峰2,3,4,潘曉毅2,3,4

(1.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004; 3.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004;4.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林 541004)

文章以Fe-Co-Cu基預合金粉為主要粘結劑,WC為骨架相,在相同的金剛石濃度條件下,通過調配6種不同粒度金剛石的配比,來研究金剛石粒度配比對鉆頭性能的影響。共設計了9種不同參數(shù)的孕鑲金剛石鉆頭,通過微鉆實驗來驗證其鉆進性能。實驗結果表明:在以WC-預合金粉配方體系為胎體材料時,40/45,60/70,80/100目的金剛石粒度組合具有最高的效率;45/50,70/80,100/120目的金剛石粒度組合具有最長的壽命;在調整金剛石粒度時,粗中細三種金剛石的粒度差別不宜太大,否則鉆頭的效率和壽命將明顯降低。

金剛石粒度;金剛石鉆頭;鉆進效率;理論壽命

引言

孕鑲金剛石鉆頭的發(fā)展一直圍繞著胎體和金剛石的匹配性或金剛石的代謝能力而展開。針對不同巖層的可鉆性差別,在設計金剛石鉆頭時,必須考慮胎體的耐磨損性、金剛石的出刃高度、出刃率等,以使鉆頭具有最佳的代謝能力[1-4]。就金剛石粒度而言,相同體積分數(shù)的金剛石,粒度越大,則單位面積上分布的顆粒數(shù)越少;相反,如果粒度越小,則單位面積上分布的顆粒數(shù)就越多。粒度較粗的金剛石,單位面積單顆金剛石受到的壓強大,因此刻入巖層深度大,又由于其顆粒間間距大,巖屑對胎體磨損較大,所以在鉆進過程中表現(xiàn)出高效率、低壽命的特性。粒度細的金剛石,單位面積受到的壓強小,刻入深度小,顆粒與顆粒間間距小,巖屑對胎體磨損較小,所以細粒度的金剛石在鉆進過程中表現(xiàn)出低效率,長壽命的特性。中粒度則介于兩者之間,起著一個過渡替換的作用。本實驗在WC-預合金粉配方體系基礎上,通過調整6種不同的金剛石粒度配比,來確定適合本配方體系的最佳的粒度參數(shù)。

1 實驗

1.1 金剛石粒度配比設計

本實驗以WC為骨架相,以某公司生產的Fe-CoCu預合金粉為中間相,并加入一些微量的Ni、Sn、Mn等改性元素形成胎體的配方體系(表1)。采用6種不同粒度的金剛石,共設計了9組不同金剛石粒度配比的組合,并且每種參數(shù)組合都是以粗中細三種粒度進行配比,粗∶中∶細體積分數(shù)之比為25%∶35%∶40%,具體配比組合見表2。

1.2 鉆頭熱壓燒結

按照表1的胎體配方、表2中的金剛石參數(shù)配比進行混料、冷壓成型,然后置于國產真空熱壓燒結爐內燒結,真空度為0.1Pa,壓力為25MPa,燒結溫度為840℃,燒結保溫保壓時間為5min。

表1 胎體配方組成Table 1 Ingredient proportion of matrix

表2 金剛石粒度配比Table 2 Diamond particle size ratio

1.3 微鉆實驗

本實驗采用微鉆實驗來測試鉆頭的效率和壽命。制做直徑為8mm、高10mm的微鉆頭,用夾子夾緊固定在鉆機上,對厚度為30mm、巖石可鉆性為7～8級的花崗巖進行鉆進。其中鉆機轉速為3000轉/min,水的添加量約為1L/min,見圖1。

圖1 微鉆實驗模型Fig.1 The model of micro-drilling experiment

1.4 數(shù)據(jù)處理

在微鉆實驗中,每個孔用秒表記錄鉆頭從開始到鉆穿花崗巖塊所消耗的時間。每個鉆頭鉆進40個孔后,用千分尺測量鉆頭的高度消耗,計算公式為:Δh =h1-h2,其中h 1為鉆前鉆頭高度;h 2為鉆后鉆頭高度。然后通過計算得出鉆頭的理論壽命。鉆頭的效率用鉆頭鉆進每個孔所消耗的時間表示,計算公式為:T/40,其中T為鉆進40個孔消耗的總時間。

2 實驗結果與分析

本次實驗鉆進結果見表3,將通過不同組別間的對比,來分別探討和研究不同粗、中、細粒度的金剛石將對鉆進性能產生怎樣的影響。

表3 微鉆實驗結果Table 3 The result of micro-drilling experiment

2.1 調整粗粒度對鉆進性能的影響

粗粒度的調整是在保證中、細粒度配比不變的情況下,通過40/45和45/50目之間的調換來實現(xiàn)的。SY1和SY4都是以60/70、80/100目這些稍大粒度的金剛石顆粒作為中粒度和細粒度的配比,不同的是SY4使用了更小的45/50目為粗粒度配比。通過對比SY1和SY4的鉆進結果可知,胎體的磨損高度從0.98mm下降到了0.91mm,增加了0.09mm;壽命從7.346m增加到7.912m,增加了大約0.6m;效率從2.83 m.h-1下降到2.61 m.h-1,減小了0.2 m. h-1左右。SY2和SY5是進一步增加配比中的小顆粒金剛石數(shù)目,以60/70、100/120目的金剛石顆粒作為中粒度和細粒度的配比,SY2使用40/45目為粗粒度配比,SY5用較小的45/50目。對比SY2和SY5可知,SY5比SY2的胎體的磨損高度減小了大約0.06mm,壽命增加了0.5m,效率減小了0.1 m.h-1左右。SY3和SY7更進一步增加配比中的小顆粒金剛石數(shù)目,使用了70/80、100/120目這些更細粒度的金剛石顆粒作為中粒度和細粒度的配比。對比SY3和SY7,磨損高度增加了1.2mm左右,壽命增加了大約1.7m左右,效率下降了0.6 m.h-1左右。

由上面的數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn),在一定的粒度參數(shù)范圍內,保證中、細粒度不變,第一次粗粒度金剛石尺寸的減小,都會使以WC-預合金粉為胎體配方的鉆頭壽命增加,效率降低。

2.2 調整中粒度對鉆進性能的影響

中粒度的調整和粗粒度一樣,也是保證粗粒度和細粒度配比不變的情況下,通過調整60/70、70/80和 80/100目來實現(xiàn)。SY2和SY3的粗粒度和細粒度配比分別為40/45和100/120目,SY2的中粒度使用的是60/70目,而SY3是70/80。對比SY2和SY3可知,SY2的磨損高度比SY3低了大約0.5mm,壽命比SY3高了大約3m,僅效率略低于SY3,低了0.1 m.h-1左右。SY4和SY6是進一步減小粗粒度,增大細粒度金剛石,使用45/50和80/100目的組合作為粗粒度和細粒度金剛石參數(shù)的配比,而中粒度繼續(xù)對比60/70和70/80目之間的差異。由結果可知, SY6的磨損高度為1.16mm,SY4為0.91mm,磨損高度增加了0.25mm;SY6的壽命也比SY4低了1.7m左右;只有效率上略有回升,增加了0.1 m.h-1左右。SY5、SY7和SY9是在SY4和SY6的基礎上,進一步減小細粒度金剛石尺寸的配比,粗粒度和細粒度組合選用45/50和100/120目,中粒度分別為60/70、70/80和80/100目。由結果可知,SY5和SY9在磨損高度上都比SY7大了大約0.6mm左右,壽命減少了大約15m,SY5效率比SY7高了大約0. 4 m.h-1左右,SY9比SY7高了大約0.9 m.h-1左右。

由上面的數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn),在一定的粒度參數(shù)范圍內,保證粗、細粒度配比不變,中粒度金剛石尺寸的持續(xù)減小,并沒有直接的規(guī)律可尋,但對比SY5、SY7和SY9的壽命時發(fā)現(xiàn):在以45/50目和100/120目分別為粗、細粒度金剛石的配比,70/80目作為中粒度配比時,以WC-預合金粉為胎體配方的鉆頭具有極高的壽命。

2.3 調整細粒度對鉆進性能的影響

如前面的對比方式,細粒度的調整也是保證粗粒度和中粒度配比不變的情況下,通過調整80/100目和100/120目來實現(xiàn)。SY1和SY2都是以40/45和60/70目作為粗、中粒度的配比,細粒度則分別使用80/100和100/120目來做比較。SY2較SY1來說,磨損高度降低了0.04mm,壽命增加了0.3m左右,效率降低了大約0.6 m.h-1左右。SY4和SY5是進一步減小粗粒度金剛石的尺寸后的對比實驗,SY4和SY5使用的粗粒度金剛石都是45/50目,中粒度60/70目,區(qū)別是SY4的細粒度配比使用80/100, SY5使用的是100/120。對比兩組數(shù)據(jù)可以看出, SY5磨損高度比SY4減小了0.03mm,壽命增加了大約0.2m,效率減小了0.5 m.h-1左右。SY6和SY7是在SY4和SY5的基礎上,保持粗粒度金剛石粒度45/50不變,減小中粒度金剛石尺寸為70/80目,來對比80/100和100/120目細粒度金剛石之間的區(qū)別。SY7在磨損高度上比SY6減小了0.84mm,壽命增加了1.2m,效率降低了1 m.h-1左右。

由上面的數(shù)據(jù)對比分析可知,在一定的粒度參數(shù)范圍內,保證粗、中粒度不變,每一次細粒度金剛石尺寸的減小,都會使以WC-預合金粉為胎體配方的鉆頭壽命增加,效率降低。

2.4 綜合分析

由實驗結果可知,SY1和SY8分別具有最高和最低的鉆進效率。SY1的粒度組合為40/45,60/70, 80/100目,整體的金剛石顆粒尺寸在所有的組合中最大,并且粗中細三種顆粒的粒度差較小,所以效率最高。SY8的粒度組合為40/45,80/100,100/120目,配比中粗粒度和中粒度之間的粒度落差較大,中、細粒度配比又很小,所以整個鉆頭的代謝就比較差,效率比較低。SY7和SY3分別具有最長和最短的壽命。SY3的粒度組合為40/45,70/80,100/120,粗粒度和中粒度間的粒度落差較大,替換和過渡作用很差。在鉆進的過程中,顆粒較大的金剛石會最先脫落,如果沒有新的金剛石來替換它繼續(xù)對巖石進行鉆進,則已脫落的金剛石和巖屑會反過來磨損胎體,這樣胎體的高度就會在短時間內迅速下降,所以SY3壽命很差。SY7的粒度組合為45/50,70/80,100/ 120,整體組合粒度較小,粒度間落差也較小,所以比較耐磨,壽命很長。

整體上來說,小的粒度組合有利于提高以WC-預合金粉為胎體配方的鉆頭壽命,大的粒度組合有利于提高鉆頭的效率。其次金剛石粒度組合的顆粒尺寸落差要盡量的小,尤其是粗、中顆粒間的尺寸落差,否則鉆頭的效率和壽命都會有所降低。

3 總結

(1)在一定的粒度參數(shù)范圍內,保證中、細粒度不變,粗粒度金剛石尺寸的減小,都會使以WC-預合金粉為胎體配方的鉆頭壽命增加,效率降低;保證粗、中粒度不變,細粒度金剛石尺寸的減小,同樣會使鉆頭壽命增加,效率降低;在以45/50,70/80,100/120目為粒度配比時,鉆頭具有很高的使用壽命。

(2)在調整金剛石粒度參數(shù)時,金剛石粒度組合的顆粒尺寸落差要盡量的小,尤其是粗、中顆粒間的尺寸落差不易過大,否則鉆頭的效率和壽命都會降低。

[1] 吳晶晶,張紹和,等.輔磨料金剛石地質鉆頭試驗研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2010(2):176-179.

[2] 張紹和.金剛石與金剛石工具[M].長沙:中南大學出版社, 2005.

[3] Zhang Shaohe,Yang kaihua,Lu Fan.Research into bit for extra hard rock[J].Key Engineering Materials,2001,202-203:485-488.

[4] 張紹和,魯凡,等.金剛石鉆頭性能量化表示研究[J].探礦工程, 2002(1): 58-60.

Influence of Particle Size Ratio on the Performance of WC-base Diamond Drill Bit

WANG Shuai1,XIE De-long2,3,4,NING Chun-xu2,3,4,LV Zhi2,3,4,LIN Feng2,3,4,PAN Xiao-yi2,3,4
(1.College of Materials Science and Engineering,Guilin University of technology,Guilin,China 541004; 2.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004; 3.Chinese National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin 541004; 4.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material,Guilin 541004)

In this article,the influence of diamond particle size ratio on the drill bit performance has been studied under the same diamond concentration with 6 different diamond particle ratios.In the experiment,Fe-Co-Cu prealloyed powder was used as agglomerant and WC as framework phase.Nine impregnated diamond bits of different parameters were designed to test their drilling performance under micro drilling experiment. The result shows that when using the WC prealloyed powder formula system as matrix material,the combination of the 40/45,60/70,80/100 mesh diamond particles presents the best efficiency and the combination of the 45/50,70/80,100/120 mesh diamond particles is the most durable.The difference of the diamond particle size should not be too big when adjusting the particle size,otherwise the efficiency and the serving life of the drill bit will significantly decrease.

diamond particle size;diamond drill bits;drilling efficiency;theroretical serving life

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0009-04

2014-11-29

王帥(1988-),男,桂林理工大學在讀碩士研究生,研究方向:超硬材料及制品。

科技部科研院所技術開發(fā)研究專項(項目編號:2013EG115007);廣西重點實驗室建設專項(廣西超硬材料重點實驗室);廣西自然科學基金面上項目(項目編號:2013GXNSFAA019320);廣西科學研究與技術開發(fā)計劃項目(項目編號:桂科攻1348008-3);中色集團科技開發(fā)項目(項目編號:2013KJJH11);桂林市科學研究與技術開發(fā)計劃項目(項目編號:20140104-4);廣西科學基金項目(項目編號:桂科基0342004-3)