強化熱壓燒結孕鑲金剛石鉆頭試驗研究

葉宏煜，譚松成，楊 展，謝 濤，楊凱華，

(1.武漢萬邦激光金剛石工具有限公司，武漢 430056；2.中國地質大學(武漢)，武漢 430074)

我國的地質勘探、頁巖氣新能源勘探和地熱勘探工作迅速發展，鉆孔深度大，鉆遇的巖石可鉆性差別大，巖性復雜，需要高性能的金剛石鉆頭來適應這種變化；特別是深部巖層的硬度高，研磨性強，鉆頭磨耗快，換鉆頭的頻率較高，提下鉆次數亦明顯增加，造成鉆探施工成本高；同時，鉆頭的使用壽命和鉆進時效很難同時兼顧。前期的研究與實踐表明，金剛石鉆頭的性能及質量與制造鉆頭的工藝方法密切相關，并與鉆頭的胎體材料體系和制造工藝參數的優化配合密切相關。因此，從鉆頭的制造方法及其工藝參數以及密切配合胎體材料體系方面來進行研究試驗，是一條提高孕鑲金剛石鉆頭質量和提升鉆頭對巖層適應性的切實可行的途徑[1-3]。

1 研究思路

1.1 常規方法的不足

熱壓方法是我國制造孕鑲金剛石鉆頭的主要方法，鉆頭胎體材料多采用鐵、鎳、錳、鈷等單質金屬粉以及骨架材料WC與YG8材料，必須配合較高含量的粘結金屬銅合金粉材料。該類型胎體材料中的物理力學性能相差很大，在傳統觀念和設計思路的影響、束縛下，所設計的與之相配合的熱壓溫度與壓力參數偏低，溫度在940℃～980℃，壓力在14～18MPa之間，期望達到的胎體力學性能必然有限，對于硬至堅硬巖層和硬、脆、碎巖層，鉆頭的鉆進時效不高，鉆頭的使用壽命較短；金剛石鉆頭的質量和普適性能一直停留在不理想的水平上。

無壓浸漬方法制造孕鑲金剛石鉆頭，制造工藝中只加溫燒結，不加壓力；因此鉆頭胎體的致密性和力學性能受到制約，硬度與耐磨性較低；鉆頭對研磨性巖層和非均質巖層以及硬、脆、碎等巖層的鉆進效果較差；有時鉆進速度雖然較高，但鉆頭的使用壽命卻很短。

電鍍金剛石鉆頭的特點明顯，有利的方面是鉆頭的鉆進速度較高，對巖石的適應性較好；不利的方面是鉆頭的胎體中針孔多，孔隙度高；特別是保徑效果較差，明顯地降低了鉆頭的使用壽命和對鉆進工況的適應性。

每一種孕鑲金剛石鉆頭的制造方法都有其長處，制造出的孕鑲金剛石鉆頭各具特色，但均難以實現高效、長壽命的鉆進目標。不同的制造方法和工藝參數，必須與優化配合的胎體材料體系相結合，才能收到預期的良好效果。本論文通過前期的試驗發現，提高熱壓的溫度和壓力，鉆頭胎體的硬度和耐磨性有明顯提高。因此，本文試驗研究一種強化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，同時設計與之相適應的胎體材料體系，突破多年來的習慣思維和制造鉆頭的工藝參數，能夠使孕鑲金剛石鉆頭的質量明顯地提升[4-5]。

1.2 強化熱壓的理論依據

所謂強化熱壓方法，就是熱壓參數中的溫度與壓力均超出普通熱壓的工藝參數規范，即溫度遠超普通熱壓的最高溫度980℃，壓力遠超普通熱壓的最高壓力18MPa。

強化熱壓方法是普通熱壓方法的發展，強化熱壓方法必須配合優選的超細預合金材料作胎體材料體系；超細預合金粉中不含純銅合金粉，大部分預合金粉由鐵、鎳、錳、鈷等金屬粉組合而成，配合WC、YG8或YG12作為骨架材料組成胎體材料體系。在強化熱壓作用下，預合金粉之間以及預合金粉與金剛石之間可以實現高溫、高壓下的交互作用和有效融合；加強金屬粉末塑性變形，粉末顆粒發生不同程度的破碎，加速粉末顆粒相對滑動、體積擴散以及流動變形機制；與此同時，胎體材料中孔隙進一步圓化，孔隙度進一步縮小，有效加速了金剛石鉆頭胎體致密化進程；鉆頭胎體的力學性能得到大幅度提升，高硬度、高耐磨性的孕鑲金剛石鉆頭得以實現[6-8]。

不含銅合金粉末的胎體，在強化熱壓條件下可實現固相燒結，其胎體性能與含銅合金粉胎體的主要區別在于，胎體與巖石間的摩擦系數得到提高，鉆頭胎體的磨損機制發生了變化，金剛石鉆頭破碎巖石的方式得到了改變，不僅胎體包鑲金剛石的強度高，而且胎體能夠超前金剛石磨損，有利于金剛石適時、適量、有效地出刃。

2 強化熱壓鉆頭胎體材料

2.1 胎體材料優選

強化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，進而導致制造工藝參數的較大改變，由此強化熱壓方法必定引起鉆頭胎體材料體系的改變，必須重新設計胎體的材料體系；把強化熱壓工藝參數和胎體材料新體系及胎體材料的優化組合密切結合起來進行試驗研究。首先，胎體材料中單純的銅-錫等合金材料基本不用，只加入鐵、鎳、錳、鈷等不同組合的預合金粉以及鐵、鈷、鎳、錳等金屬與一定含量的銅組合的預合金粉材料，配合WC、YG8或YG8作為胎體骨架材料。這樣，才能確保在超強熱壓條件下，不存在粘結金屬銅合金的流失，胎體成分及配比不會發生改變，金剛石鉆頭的性能不會隨之產生變化，確保了設計配方的完整性和胎體包鑲金剛石所必需的力學性能。因此在超強熱壓條件下，孕鑲金剛石鉆頭的胎體材料體系要重新設計和試驗。

由上述分析可知，胎體材料全部采用硬質性的預合金粉粘結材料，例如：FAM-1020、FAM-1012、FAM-2120、FAM-3010、FeCuMn、FeCuNi、FJT-A2、FJT-06等，配合部分WC、YG8或YG12骨架材料，這是近幾年來試驗研究和推廣應用的胎體材料體系。在這種材料體系條件下進行優化組合，試驗研究強化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。據此，選擇了三個對巖層適應性好的常用預合金粉胎體配方，供本次試驗研究；試驗胎體配方見表1所列。

表1 金剛石鉆頭的預合金粉末胎體配方Table 1 Matrix formula of different pre-alloyed powders for diamond drilling bits

2.2 普通熱壓試驗

按照表1的預合金粉配方進行普通熱壓燒結試驗，主要目的是認識該材料體系的物理力學性能，并將試驗結果與強化熱壓鉆頭的性能進行對比。普通熱壓參數：溫度940℃～965℃，壓力15～18MPa，保溫、保壓時間4.0～5.5min。本試驗對應的熱壓工藝參數見表2所列。

表2 普通熱壓燒結工藝參數Table 2 Sintering parameters of conventional hot-pressing method

采用普通熱壓方法燒結試件，試件規格為Φ42/Φ16mm，厚8mm；每個配方燒結2個試件，共制得6個試件；并對該6個試件的硬度、耐磨性與密度進行檢測，檢測的硬度與耐磨性的平均值分別列入圖2中，便于與強化熱壓鉆頭性能進行對比分析。普通熱壓試件外貌見圖1中的上面三張圖普1、普2、普3所示。

圖1 普通熱壓與超強熱壓試件形貌Fig.1 Morphology of ordinary hot-pressed and super hot-pressed samples

3 強化熱壓方法

強化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，先將設計和備好料的鉆頭胎體材料裝模后，送入熱壓爐內進行無壓燒結，之后隨爐冷卻至650℃～700℃，隨即自動轉入強化熱壓程序,制成本研究的強化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。

無壓燒結具有下述優勢：①提高了金屬粉末的活性，可實現預氧化燒結，實現胎體材料間的交互融合；②胎體材料的燒結后期，可實現胎體中的孔隙出現圓化或閉合，胎體具有較好的力學性能，胎體對金剛石實現初步包鑲；③由于沒有壓力的作用，混合均勻的胎體粉料在燒結過程中呈自由燒結狀態，各種粉料顆粒間不會發生明顯錯位和遷移，保持了胎體材料間的均勻性；④無壓燒結的金剛石鉆頭規格標準，精度高。無壓燒結后接著轉入超強熱壓工藝程序，超高的溫度能夠加快金屬材料分子間的相對活性，加速體積擴散機制；超高壓力能夠加快金屬分子間的相對滑動、金屬材料顆粒破碎和塑性變形，加速胎體致密化進程。超高溫與超高壓的雙重作用，起了一加一大于二的效果。在溫度與壓力兩個參數中，溫度起著重要的作用；通過超高溫度與超高壓力的優化設計，其效果更加明顯[9-12]。

強化熱壓制造孕鑲金剛石鉆頭涉及以下方面的試驗研究：胎體材料體系優化設計，無壓燒結工藝參數以及強化熱壓工藝參數的設計研究。強化熱壓方法制造孕鑲金剛石鉆頭，先采用無壓燒結方法進行預燒結，無壓燒結程序完成后隨即轉入強化熱壓程序。

3.1 強化熱壓坯體

為了獲得超強熱壓金剛石鉆頭的良好性能與熱壓工藝參數間的影響關系，先進行了超強熱壓坯體試件試驗。坯體試件同樣采用表1的胎體材料，每個配方試驗兩個試件，試件規格與上述普通熱壓試件一樣，共6個試件。按照表3試驗工藝參數先進行無壓燒結。

分離富集操作及相關環節分別使用到了SB5200DT型超聲波清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司），pHS-25型酸度計（上海虹益儀器儀表有限公司），80-2型離心機（江蘇金壇市億通電子有限公司），AL204型電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司），DZG-303A型純水制備儀（成都唐氏康寧科技發展有限公司）等實驗設備。

無壓燒結工藝參數為：先升溫至800℃，保溫30s；而后升溫至940℃～965℃，保溫時間設定為3.0～4.0min；保溫后隨爐冷卻至650℃～700℃，無壓燒結程序完成。無壓燒結完成后即轉化入強熱壓程序，保溫保壓后隨爐冷卻至720℃～780℃出爐，繼續冷卻至室溫，完成金剛石鉆頭坯體試制[13-15]；強化熱壓坯體試件見圖1中下面三張圖超1、超2、超3所示；并對試件進行了硬度與耐磨性的測試，測試結果取平均值列入圖2中，對比分析后，獲得了胎體材料的性能以及合理配合的強化熱壓工藝參數，用以指導強化熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研制。

無壓燒結達到設計目標后，可以按照表1的胎體材料和表3的強化熱壓工藝參數，制造強化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。

表3 強化熱壓燒結工藝與參數Table 3 Sintering parameters of intensive hot-pressing method

通過對普通熱壓和強化熱壓試件性能的對比，由圖2資料可知，強化熱壓的硬度比普通熱壓的硬度提高了HRC1.8，磨損量下降了約2.1mg。胎體的實際密度能夠很好地反映胎體的耐磨性和包鑲金剛石的強度，它比硬度更具有實用性；同時，比耐磨性更具有可操作性。

圖2 普通熱壓與超強熱壓鉆頭的性能對比Fig.2 Performance comparison of conventional and intensive hot-pressed drilling bits

通過DA-300PM密度測試儀對三個配方試件的檢測，強化熱壓試件的密度平均分別為7.82g/cm3、7.91 g/cm3、8.39 g/cm3，而普通熱壓試件的密度平均分別為7.74g/cm3、7.81 g/cm3、8.27 g/cm3，兩者相比，強化熱壓提高的幅度分別為1.1%、1.2%及1.4%，平均提高約1.23%。

由于胎體的硬度、耐磨性及密度的性能提高，胎體包鑲金剛石的強度必然得到提高，強化熱壓金剛石鉆頭的鉆進效果隨之提高。由此可知，強化熱壓方法具有明顯的優勢，而且強化熱壓參數的溫度與壓力還有一定的提升空間；因此，本試驗孕鑲金剛石鉆頭的性能具有很好的開發應用前景。

3.2 強化熱壓金剛石鉆頭

采用表1所列胎體材料和表3所列試驗工藝參數，試制了三個強化熱壓孕鑲金剛石鉆頭。鉆頭的金剛石參數為：粒度全部為40/45目，金剛石濃度為92%，鉆頭的工作層高12mm。對孕鑲金剛石鉆頭進行了野外鉆進試驗，在可鉆性8級石英閃長巖中鉆進，平均時效達到1.82m/h，鉆頭平均鉆進了79.8m；與同礦區使用的普通熱壓金剛石鉆頭相比較，時效基本相當，但試驗鉆頭的平均使用壽命提高約14.4m/個，提高幅度約22%，見表4所列。本次試驗鉆頭的鉆進速度平穩，磨損正常，見圖3所示。

圖3 鉆頭磨損與金剛石出刃情況Fig.3 Drilling bit wear and diamond edge situation

表4 普通熱壓鉆頭與超強熱壓鉆頭的野外鉆進效果對比Table 4 Field drilling result comparison of conventional and intensive hot-pressed bits

對從野外取回鉆頭的磨損、金剛石出刃與包鑲狀態進行了檢測分析，鉆頭磨損后的孕鑲金剛石鉆頭見圖3所示。經過基恩士VK-100三維激光共聚焦顯微鏡檢測分析，金剛石出刃值達到粒徑的1/3～3/5，金剛石的尾部支撐明顯，說明金剛石的包鑲牢固；金剛石的搭接高度合理，能夠實現穩定的鉆進；金剛石晶型完整，未見明顯破損和熱腐蝕現象，表明了金剛石沒有明顯受到強化熱壓工藝參數的影響，見圖4所示。

圖4 PF-3鉆頭中的金剛石包鑲與出刃情況檢測Fig.4 Diamond encapsulation and protrusion measurement of drilling bit PF-3

在強化熱壓條件下，優選的胎體超細預合金粉材料可以實現固相燒結，金屬粉末之間以及金屬粉末與金剛石之間可以實現高度交互作用和融合，鉆頭胎體的組織結構均勻，致密度高。經張力環儀器測試，鉆頭胎體包鑲金剛石的強度比普通熱壓金剛石鉆頭包鑲金剛石的強度提高約31%。

本文研究試驗的強化熱壓的孕鑲金剛石鉆頭，屬于高硬度、高耐磨性的孕鑲金剛石鉆頭，由于胎體材料中不含Cu-Sn、Cu-Sn-Zn合金等軟質粘結材料，不僅鉆頭胎體包鑲金剛石的機理發生了變化，而且胎體與巖石之間的摩擦系數也有了提高，胎體與巖石間的摩擦磨損機理發生了質的變化，金剛石破碎巖石的機制和方式發生了改變；胎體的硬度雖然得到提高，卻可以實現金剛石鉆頭胎體略超前金剛石磨損，確保金剛石的適時、有效和較高的出刃；因而，鉆進速度高且穩定。同時金剛石沒有出現掉粒和破損的現象，鉆頭的使用壽命長。鉆頭胎體的磨損與出刃見圖3與圖4所示，鉆頭磨損正常且磨損均勻。所試驗金剛石鉆頭的這些性能是普通熱壓方法和無壓浸漬方法制造的孕鑲金剛石鉆頭所不能達到的。

4 結論

(1)強化熱壓方法是基于普通熱壓方法存在的不足發展而來，強化熱壓工藝改變了制造孕鑲金剛石鉆頭的基本認知；先無壓燒結，有利于形成鉆頭胎體的組織結構均勻；后強化熱壓有利于大幅度提高鉆頭胎體的致密化和力學性能，鉆頭胎體的密實度平均提高1.23%，HRC硬度提高1.8，磨損量下降2.1mg。

(2)實踐表明，強化熱壓能夠實現胎體材料與金剛石的有效融合，不僅包鑲金剛石的強度高，而且金剛石出刃高、出刃好，金剛石搭接合理，能夠兼顧高時效和長壽命的鉆進效果。

(3)強化熱壓方法必須設計專用的無銅-錫-鋅合金粉的胎體材料體系，所形成的胎體性能獨特，鉆進過程中展現了不同于一般鉆頭的摩擦磨損機理和金剛石破碎巖石的方式，金剛石能夠充分發揮作用，鉆頭的平均使用壽命提高22%。

(4)強化熱壓方法試驗研究僅二年多時間，強化熱壓參數還需要進一步優化，與之相配合的胎體材料體系，還有待進一步深入試驗研究，以趨完善。