粒度配比对WC基金刚石钻头的性能影响研究①

2014-03-24王帅谢德龙宁春旭吕智林峰潘晓毅

超硬材料工程 2014年5期

王帅,谢德龙,宁春旭,吕智,林峰,潘晓毅

(1.桂林理工大学材料科学与工程学院,广西桂林 541004;2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林 541004; 3.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林 541004;4.广西超硬材料重点实验室,广西桂林 541004)

王帅1,谢德龙2,3,4,宁春旭2,3,4,吕智2,3,4,林峰2,3,4,潘晓毅2,3,4

文章以Fe-Co-Cu基预合金粉为主要粘结剂,WC为骨架相,在相同的金刚石浓度条件下,通过调配6种不同粒度金刚石的配比,来研究金刚石粒度配比对钻头性能的影响。共设计了9种不同参数的孕镶金刚石钻头,通过微钻实验来验证其钻进性能。实验结果表明:在以WC-预合金粉配方体系为胎体材料时,40/45,60/70,80/100目的金刚石粒度组合具有最高的效率;45/50,70/80,100/120目的金刚石粒度组合具有最长的寿命;在调整金刚石粒度时,粗中细三种金刚石的粒度差别不宜太大,否则钻头的效率和寿命将明显降低。

金刚石粒度;金刚石钻头;钻进效率;理论寿命

引言

孕镶金刚石钻头的发展一直围绕着胎体和金刚石的匹配性或金刚石的代谢能力而展开。针对不同岩层的可钻性差别,在设计金刚石钻头时,必须考虑胎体的耐磨损性、金刚石的出刃高度、出刃率等,以使钻头具有最佳的代谢能力[1-4]。就金刚石粒度而言,相同体积分数的金刚石,粒度越大,则单位面积上分布的颗粒数越少;相反,如果粒度越小,则单位面积上分布的颗粒数就越多。粒度较粗的金刚石,单位面积单颗金刚石受到的压强大,因此刻入岩层深度大,又由于其颗粒间间距大,岩屑对胎体磨损较大,所以在钻进过程中表现出高效率、低寿命的特性。粒度细的金刚石,单位面积受到的压强小,刻入深度小,颗粒与颗粒间间距小,岩屑对胎体磨损较小,所以细粒度的金刚石在钻进过程中表现出低效率,长寿命的特性。中粒度则介于两者之间,起着一个过渡替换的作用。本实验在WC-预合金粉配方体系基础上,通过调整6种不同的金刚石粒度配比,来确定适合本配方体系的最佳的粒度参数。

1 实验

1.1 金刚石粒度配比设计

本实验以WC为骨架相,以某公司生产的Fe-CoCu预合金粉为中间相,并加入一些微量的Ni、Sn、Mn等改性元素形成胎体的配方体系(表1)。采用6种不同粒度的金刚石,共设计了9组不同金刚石粒度配比的组合,并且每种参数组合都是以粗中细三种粒度进行配比,粗∶中∶细体积分数之比为25%∶35%∶40%,具体配比组合见表2。

1.2 钻头热压烧结

按照表1的胎体配方、表2中的金刚石参数配比进行混料、冷压成型,然后置于国产真空热压烧结炉内烧结,真空度为0.1Pa,压力为25MPa,烧结温度为840℃,烧结保温保压时间为5min。

表1 胎体配方组成Table 1 Ingredient proportion of matrix

表2 金刚石粒度配比Table 2 Diamond particle size ratio

1.3 微钻实验

本实验采用微钻实验来测试钻头的效率和寿命。制做直径为8mm、高10mm的微钻头,用夹子夹紧固定在钻机上,对厚度为30mm、岩石可钻性为7～8级的花岗岩进行钻进。其中钻机转速为3000转/min,水的添加量约为1L/min,见图1。

图1 微钻实验模型Fig.1 The model of micro-drilling experiment

1.4 数据处理

在微钻实验中,每个孔用秒表记录钻头从开始到钻穿花岗岩块所消耗的时间。每个钻头钻进40个孔后,用千分尺测量钻头的高度消耗,计算公式为:Δh =h1-h2,其中h 1为钻前钻头高度;h 2为钻后钻头高度。然后通过计算得出钻头的理论寿命。钻头的效率用钻头钻进每个孔所消耗的时间表示,计算公式为:T/40,其中T为钻进40个孔消耗的总时间。

2 实验结果与分析

本次实验钻进结果见表3,将通过不同组别间的对比,来分别探讨和研究不同粗、中、细粒度的金刚石将对钻进性能产生怎样的影响。

表3 微钻实验结果Table 3 The result of micro-drilling experiment

2.1 调整粗粒度对钻进性能的影响

粗粒度的调整是在保证中、细粒度配比不变的情况下,通过40/45和45/50目之间的调换来实现的。SY1和SY4都是以60/70、80/100目这些稍大粒度的金刚石颗粒作为中粒度和细粒度的配比,不同的是SY4使用了更小的45/50目为粗粒度配比。通过对比SY1和SY4的钻进结果可知,胎体的磨损高度从0.98mm下降到了0.91mm,增加了0.09mm;寿命从7.346m增加到7.912m,增加了大约0.6m;效率从2.83 m.h-1下降到2.61 m.h-1,减小了0.2 m. h-1左右。SY2和SY5是进一步增加配比中的小颗粒金刚石数目,以60/70、100/120目的金刚石颗粒作为中粒度和细粒度的配比,SY2使用40/45目为粗粒度配比,SY5用较小的45/50目。对比SY2和SY5可知,SY5比SY2的胎体的磨损高度减小了大约0.06mm,寿命增加了0.5m,效率减小了0.1 m.h-1左右。SY3和SY7更进一步增加配比中的小颗粒金刚石数目,使用了70/80、100/120目这些更细粒度的金刚石颗粒作为中粒度和细粒度的配比。对比SY3和SY7,磨损高度增加了1.2mm左右,寿命增加了大约1.7m左右,效率下降了0.6 m.h-1左右。

由上面的数据对比可以发现,在一定的粒度参数范围内,保证中、细粒度不变,第一次粗粒度金刚石尺寸的减小,都会使以WC-预合金粉为胎体配方的钻头寿命增加,效率降低。

2.2 调整中粒度对钻进性能的影响

中粒度的调整和粗粒度一样,也是保证粗粒度和细粒度配比不变的情况下,通过调整60/70、70/80和 80/100目来实现。SY2和SY3的粗粒度和细粒度配比分别为40/45和100/120目,SY2的中粒度使用的是60/70目,而SY3是70/80。对比SY2和SY3可知,SY2的磨损高度比SY3低了大约0.5mm,寿命比SY3高了大约3m,仅效率略低于SY3,低了0.1 m.h-1左右。SY4和SY6是进一步减小粗粒度,增大细粒度金刚石,使用45/50和80/100目的组合作为粗粒度和细粒度金刚石参数的配比,而中粒度继续对比60/70和70/80目之间的差异。由结果可知, SY6的磨损高度为1.16mm,SY4为0.91mm,磨损高度增加了0.25mm;SY6的寿命也比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的基础上,进一步减小细粒度金刚石尺寸的配比,粗粒度和细粒度组合选用45/50和100/120目,中粒度分别为60/70、70/80和80/100目。由结果可知,SY5和SY9在磨损高度上都比SY7大了大约0.6mm左右,寿命减少了大约15m,SY5效率比SY7高了大约0. 4 m.h-1左右,SY9比SY7高了大约0.9 m.h-1左右。

由上面的数据对比可以发现,在一定的粒度参数范围内,保证粗、细粒度配比不变,中粒度金刚石尺寸的持续减小,并没有直接的规律可寻,但对比SY5、SY7和SY9的寿命时发现:在以45/50目和100/120目分别为粗、细粒度金刚石的配比,70/80目作为中粒度配比时,以WC-预合金粉为胎体配方的钻头具有极高的寿命。

2.3 调整细粒度对钻进性能的影响

如前面的对比方式,细粒度的调整也是保证粗粒度和中粒度配比不变的情况下,通过调整80/100目和100/120目来实现。SY1和SY2都是以40/45和60/70目作为粗、中粒度的配比,细粒度则分别使用80/100和100/120目来做比较。SY2较SY1来说,磨损高度降低了0.04mm,寿命增加了0.3m左右,效率降低了大约0.6 m.h-1左右。SY4和SY5是进一步减小粗粒度金刚石的尺寸后的对比实验,SY4和SY5使用的粗粒度金刚石都是45/50目,中粒度60/70目,区别是SY4的细粒度配比使用80/100, SY5使用的是100/120。对比两组数据可以看出, SY5磨损高度比SY4减小了0.03mm,寿命增加了大约0.2m,效率减小了0.5 m.h-1左右。SY6和SY7是在SY4和SY5的基础上,保持粗粒度金刚石粒度45/50不变,减小中粒度金刚石尺寸为70/80目,来对比80/100和100/120目细粒度金刚石之间的区别。SY7在磨损高度上比SY6减小了0.84mm,寿命增加了1.2m,效率降低了1 m.h-1左右。

由上面的数据对比分析可知,在一定的粒度参数范围内,保证粗、中粒度不变,每一次细粒度金刚石尺寸的减小,都会使以WC-预合金粉为胎体配方的钻头寿命增加,效率降低。

2.4 综合分析

由实验结果可知,SY1和SY8分别具有最高和最低的钻进效率。SY1的粒度组合为40/45,60/70, 80/100目,整体的金刚石颗粒尺寸在所有的组合中最大,并且粗中细三种颗粒的粒度差较小,所以效率最高。SY8的粒度组合为40/45,80/100,100/120目,配比中粗粒度和中粒度之间的粒度落差较大,中、细粒度配比又很小,所以整个钻头的代谢就比较差,效率比较低。SY7和SY3分别具有最长和最短的寿命。SY3的粒度组合为40/45,70/80,100/120,粗粒度和中粒度间的粒度落差较大,替换和过渡作用很差。在钻进的过程中,颗粒较大的金刚石会最先脱落,如果没有新的金刚石来替换它继续对岩石进行钻进,则已脱落的金刚石和岩屑会反过来磨损胎体,这样胎体的高度就会在短时间内迅速下降,所以SY3寿命很差。SY7的粒度组合为45/50,70/80,100/ 120,整体组合粒度较小,粒度间落差也较小,所以比较耐磨,寿命很长。

整体上来说,小的粒度组合有利于提高以WC-预合金粉为胎体配方的钻头寿命,大的粒度组合有利于提高钻头的效率。其次金刚石粒度组合的颗粒尺寸落差要尽量的小,尤其是粗、中颗粒间的尺寸落差,否则钻头的效率和寿命都会有所降低。

3 总结

(1)在一定的粒度参数范围内,保证中、细粒度不变,粗粒度金刚石尺寸的减小,都会使以WC-预合金粉为胎体配方的钻头寿命增加,效率降低;保证粗、中粒度不变,细粒度金刚石尺寸的减小,同样会使钻头寿命增加,效率降低;在以45/50,70/80,100/120目为粒度配比时,钻头具有很高的使用寿命。

(2)在调整金刚石粒度参数时,金刚石粒度组合的颗粒尺寸落差要尽量的小,尤其是粗、中颗粒间的尺寸落差不易过大,否则钻头的效率和寿命都会降低。

[1] 吴晶晶,张绍和,等.辅磨料金刚石地质钻头试验研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2010(2):176-179.

[2] 张绍和.金刚石与金刚石工具[M].长沙:中南大学出版社, 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] 张绍和,鲁凡,等.金刚石钻头性能量化表示研究[J].探矿工程, 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

1673-1433(2014)05-0009-04

2014-11-29

王帅(1988-),男,桂林理工大学在读硕士研究生,研究方向:超硬材料及制品。

科技部科研院所技术开发研究专项(项目编号:2013EG115007);广西重点实验室建设专项(广西超硬材料重点实验室);广西自然科学基金面上项目(项目编号:2013GXNSFAA019320);广西科学研究与技术开发计划项目(项目编号:桂科攻1348008-3);中色集团科技开发项目(项目编号:2013KJJH11);桂林市科学研究与技术开发计划项目(项目编号:20140104-4);广西科学基金项目(项目编号:桂科基0342004-3)