胎体中含有铜锰阻尼合金成分的金刚石钻头研制及钻进试验*

刘宝昌， 韩 哲， 李思奇， 赵新哲， 李 闯， 曹 鑫

(1. 吉林大学 建设工程学院， 长春 130026) (2. 超硬材料国家重点实验室， 长春 130012) (3. 国土资源部复杂条件钻采技术重点实验室， 长春 130026)

孕镶金刚石钻头是地质勘探钻进最常用的钻探工具[1]。但在非均质地层、软硬夹层等地层中钻进时，会不可避免地产生有害的振动[2]，这种振动不但会降低岩心采取率、严重影响钻头的工作性能，还会使扩孔器过早磨损[3]，对钻具管材产生损坏[4-5]。为了进一步提高钻进效率，延长钻具使用寿命，需要减小钻进时产生的有害振动。常规的减振措施有：采用匹配的进给速度、转速和钻压；使用钻杆润滑脂润滑钻杆；使用乳化钻井液进行钻进循环；在岩心管的上端使用导向机构；在接头表面镶嵌或镀上硬质合金；在钻柱安装减振器等[6-7]。这些措施均是通过控制外部因素达到减少振动的目的。

阻尼合金材料也称减振合金，是一种兼有良好的减振功能和机械性能的新型功能材料[8-9]。它能够通过材料内部相应的阻尼机制，吸收外部振动能，并将振动能转化为热能而不可逆耗散，达到减振的功效[10-12]。本研究将铜锰粉末代替部分常规63#配方中的663青铜粉作为胎体材料引入孕镶金刚石钻头设计中，通过烧结使胎体材料内部形成具有阻尼机制的铜锰阻尼合金，吸收外部振动能，为钻进过程中减少有害振动、延长钻头及钻杆使用寿命提供一种新思路。

1 实验材料与方法

1.1 试样配方设计

实验采用常见的63#配方作为基础配方制备胎体试样，其配方成分如表1所示。

表1 63#胎体配方成分

铜锰阻尼合金中，Cu67Mn33的阻尼合金孔隙较小、组织均匀，力学性能良好[11 -12]。实验中选择以63#配方为基础配方，并配以质量分数分别为40%、50%、60%的Cu67Mn33粉末制备胎体试样S0、S1、S2、S3及孕镶金刚石试样(金刚石浓度80%)SD0、SD1、SD2、SD3，配方如表2所示。

表2 实验试样配方表

1.2 烧结工艺

胎体试样尺寸为38 mm×8 mm×5 mm，每种配方均烧制3个试样，测得力学性能后取平均值。采用ZPM-100E中频自控热压机进行试样的烧结，考虑到最佳性能的Cu67Mn33阻尼合金烧结温度[13]及烧结后孕镶金刚石试样性能，采用2次保温烧结工艺[14]，参数如下：压力设置为16.5 MPa，先直线升温到850 ℃，保温2 min，随后升温至980 ℃，保温 7 min后自然降温至750 ℃，置入保温箱内缓慢降温直至室温。

1.3 性能测试方法

为保证胎体材料既能满足钻进工作要求，又能提高自身阻尼能力，本研究针对胎体的密度、压入硬度、抗弯强度、耐磨性、弹性模量及断口微观形貌进行测试及分析。用DE-120高精度电子比重计测试试样密度。因为弹性模量与材料阻尼性能呈负相关关系[14]，用奥林巴斯5072脉冲发生器测量杨氏模量，再得到测试胎体试样的阻尼性能。

用HRS-150型洛氏硬度仪测试试样硬度。为保证测试的数据准确，在每块试样被测表面等间距选取6个点进行测量，将测得的数据取平均值。用Mod.DDL-100液压式万能试验机测试试样的抗弯强度值。为更准确反映试样的致密程度及金刚石包镶程度，在抗弯实验结束后，用S-4800FESEM型扫描电子显微镜对试样SD0、SD1的断口形貌进行观察和元素分布测量。

用DHM-2型磨耗比测试仪(如图1)测试胎体试样耐磨性，砂轮为直径100 mm、厚度20 mm、基本粒度尺寸180 μm的碳化硅砂轮。磨耗比值由砂轮质量损失/试样质量损失计算得出。测试参数如下：加载压力5 N，线速度15 m/s，摆动频率30 次/min。试验前后对砂轮和试样烘干并称量以计算出质量损失。

(a) 实物图(b) 工作示意图图1 DHM-2型磨耗比测试仪实物及工作示意图

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图2为试样SD0和SD1的断口微观形貌图。从图2a、2b对比看出：试样SD1与SD0微观形貌相近，且胎体结构致密、组织均匀，金属结合充分且未出现金属成分团聚现象。

图3为SD1试样断口铜锰元素分布图。从图3可以看出：试样SD1胎体中Cu、Mn元素分布均匀，表明试样混料均匀，烧结充分。

2.2 力学性能分析

图4为实验试样的力学性能。从图4a可以看出：随着阻尼合金含量的增加，试样的相对密度与洛氏硬度变化趋势大致相同。根据相对密度曲线，阻尼合金试样与S0相对密度相近，说明在实验条件下试样烧结充分。因为Cu与WC相容性较好，Cu含量增加，进一步填补因WC在胎体内产生聚集而形成的空洞[15]，且Cu在1000 ℃以下具有很大的热塑性，随着Cu含量的增加，试样烧结热压收缩越充分[16]，使得阻尼合金胎体试样的相对密度比S0的均有小幅度提高。根据硬度曲线，试样S1比S0硬度提高了14.7%，试样S2比S0提高了27.2%。理论上，随着试样中WC含量的减少硬度应逐渐降低，实际测试硬度升高原因可能是添加适量阻尼合金使试样材料更为致密，从而提升了抵抗外部压入的能力。对比3组阻尼合金试样的相对密度和硬度变化曲线，均有先增大后减小的趋势，出现这种现象的主要原因是Cu-Mn的互扩散系数随Mn含量增加先增大后减小，适量增加Mn的含量使试样烧结更加均匀化，当Mn含量过高时，试样中生成较多的MnO，由于其熔点较高，使得试样难以实现烧结致密化，结果试样S3的硬度和相对密度均明显下降[14]。

(a) SEM图

(b) Cu元素分布

(c) Mn元素分布图3 SD1试样断口铜、锰元素分布图

由图4b可以看出：相比胎体试样S0及孕镶金刚石试样SD0，阻尼合金材料试样抗弯强度均有所减小；其中相较试样S0，试样S1抗弯强度下降了11.1%，试样S2下降了7.8%；相较试样SD0，试样SD1抗弯强度下降了22.4%。Mn含量的增加导致胎体试样抗弯强度整体呈现下降的趋势[14]。这是由于Cu对金刚石的润湿性较差[17]，随着试样中Cu含量的增加，胎体对金刚石的把持力降低，孕镶金刚石试样抗弯强度逐渐下降。

(a) 胎体相对密度和洛氏硬度(b) 胎体及孕镶金刚石试样抗弯强度(c) 胎体杨氏模量(d) 孕镶金刚石试样磨耗比图4 试样力学性能

图4c 表示胎体试样弹性模量的变化。由图4c可知：相比于试样S0，含有阻尼合金成分的胎体试样弹性模量大幅降低，说明在试样中加入阻尼合金成分能够有效地增加胎体材料的阻尼性能。且随着试样中阻尼合金含量的增加，弹性模量具有明显的下降趋势，这符合实验的理论预期，即铜锰含量越高，试样弹性模量越小，试样阻尼性能越高。

图4d表示孕镶金刚石试样的磨耗比值。图4d中：试样SD1相较试样SD0磨耗比增加13.2%，其余2组试样磨耗比与试样SD0相近。说明加入铜锰合金对胎体材料的耐磨性影响不大。利用质量分数40%的Cu67Mn33粉末代替亲和力较大的663青铜粉可减轻试样中黏结剂粉末扩散受阻现象[15]，一定程度上改善了对金刚石的黏结能力，从而提高了试样的耐磨性。通过以上力学性能测试分析可知：SD1配方试样与常规63#胎体试样力学性能相近，理论上可满足正常的钻进工作需要。

3 钻进实验

3.1 钻具与设备

采用基础配方及综合性能最优的SD1阻尼合金配方制备孕镶金刚石钻头进行室内钻进实验，钻头参数如表3所示，钻头实物如图5所示。主要实验设备为XY-1岩心钻机、PMB-50泡沫泥浆泵，由于钻头在钻进过程中产生的振动为纵向、横向和扭转方向的耦合振动，试验通过安装CT1010LS型三轴加速度传感器(图6)，测试并记录钻进过程中的振动加速度来评估钻头减振的效果。钻进试验所用岩样为中粗粒花岗岩，强研磨性，可钻性等级为VII级。钻进参数如下：钻压7 kN，转速500 r/min，冲洗液流量35～40 L/min。

表3 钻头设计参数

图5 实验钻头图6 振动测试装备

3.2 钻进实验结果及振动测试

钻进测试结果如表4所示。通过表4可看出：SD1配方的钻头基本可以达到基础配方钻头的钻进速率和使用寿命。说明具有一定含量阻尼合金的配方钻头可以进行正常钻进工作。

表4 钻进测试结果

振动测试总时长0.5 s，其中每毫秒记录1组数据，其数据如表5、图7、图8所示。通过振动测试结果可知，SD1配方制成的孕镶金刚石钻头与基础配方钻头相比，其振动加速度正值减小了约1.4%，负值减小了约7.2%，平均减小约4.3%，即胎体中含有铜锰阻尼合金成分的孕镶金刚石钻头相比基础配方钻头的阻尼性能得到了提升，有效减少了钻头在钻进过程中产生的有害振动，钻进更加稳定。

表5 振动测试结果

图7 基础配方钻头钻进振动加速度

图8 SD1配方钻头钻进振动加速度

4 结论

(1)将铜锰阻尼合金加入到孕镶金刚石钻头胎体中，研制出一种在钻进过程中具有减少有害振动功能的孕镶金刚石钻头。通过对不同含量阻尼合金的胎体试样和孕镶金刚石试样进行力学测试发现，胎体中含质量分数40%的铜锰合金配方试样综合性能最佳。与试样S0相比，试样S1相对密度提高了0.5%，硬度提高了14.7%；与试样SD0相比，试样SD1磨耗比提高了13.2%，抗弯强度下降了22.4%。

(2)对基础配方及SD1配方钻头进行钻进实验发现：SD1配方钻头与基础配方钻头性能相近，可满足钻进工作要求。根据振动测试结果，用SD1配方制成的孕镶金刚石钻头振动加速度平均值相比基础配方钻头减小约4.3%，有效减小了钻进中产生的有害振动。