单一粒度金刚石对Fe-Cu基钻头钻进性能的影响*

潘晓毅， 谢德龙， 林 峰 ， 肖乐银， 陈 超

(1. 广西超硬材料重点实验室， 广西 桂林 541004) (2. 国家特种矿物材料工程技术研究中心， 广西 桂林 541004) (3. 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司， 广西 桂林 541004)

Fe-Cu基金刚石工具具有金刚石出刃高、出刃快、效率高及成本低等特点，广受超硬工具研发人员青睐。目前，国内在Fe-Cu基金刚石工具的成分配比优化、预合金化应用、烧结方式改进等方面的研究较为成熟，部分研究成果已应用于绳锯、锯片、钻头等金刚石烧结制品中[1]。

Fe-Cu基金刚石地质钻头因胎体较软，在钻进中硬地层岩石时虽具有较高效率但寿命普遍偏低[2]。金刚石是金刚石地质钻头破碎岩层的主要工作元，研究单一粒度金刚石对Fe-Cu基钻头钻进性能的影响有助于优化金刚石钻头的参数设计，为设计多粒度配比Fe-Cu基钻头提供理论依据。

1 实验

采用单因素实验，研究金刚石粒度和浓度对Fe-Cu基胎体钻头钻进性能的影响。

1.1 研究试样制作

以某中硬地层常用Fe-Cu基配方P(各成分组成见表1)为基础，配以相同浓度、不同粒度的金刚石设计出8组研究组合P1～P8，对比研究金刚石粒度对胎体性能的影响；在P1～P8实验的基础上对粒度进行择优，再以相同粒度、不同浓度的金刚石设计4组研究组合PA1～PA4，对比研究金刚石浓度对胎体性能的影响。单因素实验设计如表2所示。

表1 配方P组成Tab. 1 Ingredient proportion of P matrix

表2 单因素实验设计Tab. 2 Design of single-factor experiment

按DZ2.1—87标准制作φ36.5 mm/φ21.5 mm的双管钻头用作钻进性能研究，钻头设计：聚晶保径，5水口，工作层高度4 mm，钻前开刃。按GB/T 4741—1999标准制作30 mm×12 mm×6 mm的热压烧结标准试样块用作力学性能研究。

用国产真空热压烧结炉完成烧结工作，烧结工艺统一为：炉内真空度0.1 Pa，烧结压力25 MPa，烧结温度830 ℃，保温保压时间5 min。该工艺下P配方不含金刚石烧结块的三点抗弯强度可达1 041.21 MPa，硬度约20～25 HRC。

1.2 性能检测

用自主研发的钻进实验平台测试各钻头的钻进性能，设备钻进工艺为：钻压5 kN，钻速600 r/min。钻进对象为桂林浅红花岗岩，其压缩强度134.8 MPa，弯曲强度14.9 MPa，肖氏硬度109 HSD，花岗岩规格统一为500 mm×500 mm×500 mm。实验设计钻进单孔进尺为500 mm，单个钻头钻前及钻进5个孔后分别以千分尺测量各钻头钻齿高度，计算钻齿高度差Δh，对钻进过程设备计时。

钻头钻进效率由式(1)计算：

(1)

式中：L为5孔总进尺，即2500 mm；t为5孔钻进的总耗时，s；v为钻进效率，mm/s。

通过式(2)计算钻耗比K，用来对比研究钻头的钻进寿命：

(2)

采用CMT4304型液压万能材料试验机测试各组烧结块的三点抗弯强度。通过式(3)计算含金刚石试样相较空白胎体试样的强度损失率η，用来间接表征各试样的金刚石包镶能力：

(3)

其中：σΒ为不含金刚石试样的三点抗弯强度；σD为含金刚石试样的三点抗弯强度[4]。

2 实验结果与分析

2.1 粒度对钻进性能的影响

图1为P1～P8的钻耗比K的分布曲线，图2为其钻进效率v的分布曲线。

从图1可以看出：钻耗比K随金刚石粒度减小而增大；至P5以后，上升趋势趋于平缓，其中P7有最大K值7 575.8。由图2可看出：钻进效率v随粒度减小而降低，而P1～P3区间数值较高且相近。

图1 P1～P8钻耗比Fig. 1 Unit drilling distance results of P1～P8

图2 P1～P8钻进效率Fig. 2 Drilling efficiency results of P1～P8

若将金刚石看成球状，且均匀分布于胎体内，则钻头工作唇面单位面积上的理论金刚石数N可由式(4)计算[4]：

(4)

其中：C为金刚石钻头的金刚石体积浓度；ΔJ为胎体的膨胀变化量；E为胎体的杨氏系数；d为金刚石颗粒直径。当胎体配方确定时，C、ΔJ与E基本维持不变，则N同d成反比。

根据式(4)，以P1、P5为例，钻头工作唇面上单位面积的金刚石理论分布可近似简化如图3。

(a)P1(b) P5图3 金刚石分布简化图Fig. 3 Simplified distribution schematic of bit′s surface

由图3可见：相邻金刚石的间距随粒度的减小而减小。金刚石间距减小会减少岩石对金属胎体的消耗，表现为图1中K值随金刚石粒度降低而上升；而在钻进压力相同时，金刚石粒度小、数量多，单颗金刚石加载于岩石上的压力降低。而单颗金刚石加载于岩石上的压力越大，其碎岩效率越高，宏观表现为钻头效率越高[5]，故图2中v值随金刚石粒度减小而降低。

通过Supereyes-200×数码显微镜观察钻头胎体唇面，其显微照片如图4所示。由图4可见：金刚石粒度变小，胎体唇面上的划痕逐渐变浅，侧面反映出金刚石对金属胎体的保护作用逐渐增强。

(a)P1(b) P2(c)P3(d)P4(e)P5(f)P6(g)P7(h)P8图4 钻头唇面图Fig. 4 Drill bits′ working surface

观察图4a～图4c，发现钻头唇面上均有大量金刚石破碎与脱落的现象，说明P1～P3试样的金刚石利用率低，故图1中三者的K值相对较低；金刚石的破碎与脱落虽不利于磨粒的充分利用但却有利于促进唇面磨粒的更新。图4a～图4c中，唇面上实际残存的金刚石面积占比同样较低且相仿，表现为其v值均较高且相近。

从图4d开始，金刚石颗粒的破碎与脱落现象得到了改善，金刚石利用更充分，宏观表现为K值提升明显；同时，金刚石数量显著增加、出刃高度下降，因此钻头的破岩效率降低，v值下降。观察图4e～图4h，发现金刚石出刃高度进一步降低，胎体唇面出现了轻微烧钻现象，说明因金刚石出刃高度下降，唇面的冲刷冷却效果下降，胎体烧损导致胎体消耗增加；同时，唇面金刚石出露数目上升会保护胎体免收磨损。二者综合作用下，钻头的K值进一步上升但趋势减缓。

图5为P1～P8的抗弯强度分布。由图5可以看出：除P1试样的抗弯强度较低外，其余试样的抗弯结果均在670～695 MPa范围内无序分布，说明同浓度下各试样金刚石包镶能力相近。除P1试样的胎体包镶能力相对较弱、金刚石脱落最为明显(图4a)外，其余胎体的包镶能力接近，各试样的强度损失率η与金刚石总体积有关，与金刚石数量关联较小。

图5 P1～P8抗弯强度分布Fig. 5 Bending strength results of P1～P8

2.2 金刚石浓度对钻进性能的影响

按2.1的试验结果，选择钻进寿命与效率相对较好的40/45金刚石进行不同浓度钻进试验。图6所示为PA1～PA4的钻耗比K的分布，图7所示为PA1～PA4钻进效率v的分布。

由图6可以看出：钻耗比K分布曲线呈先升后降趋势，PA3试样有最大K值。由图7可以发现：钻进效率v分布曲线变动范围较小，在1.0～1.2 mm/s范围内无序分布。

图6 PA1～PA4钻耗比分布Fig. 6 Unit drilling distance results of PA1～PA4

图7 PA1～PA4钻进效率分布Fig. 7 Drilling efficiency results of PA1～PA4

图8所示为PA1～PA4的抗弯强度分布。由图8可知：金刚石浓度在30%～60%范围内时，胎体包镶能力随金刚石浓度上升而降低，胎体对金刚石的包镶能力下降会使金刚石更易脱落，从而影响其钻进寿命与效率。

图8 PA1～PA4抗弯强度分布Fig. 8 Bending strength results of PA1～PA4

由式(4)可知：金刚石颗粒直径d相近时，钻头工作唇面单位面积的金刚石理论数量N与金刚石浓度C成正比。而金刚石颗粒对金属胎体的保护作用随其浓度上升而增强，单颗金刚石的钻压随浓度上升而降低。综合分析可知：在PA1～PA3样品的浓度区间内，N增大对金属胎体的保护作用及工作元增加带来的耐磨性能增强作用，强于金刚石脱落带来的耐磨性能减弱作用，故而K呈上升趋势；在PA3～PA4样品的浓度区间内，N增大对金属胎体的保护作用及工作元增加带来的耐磨性能增强作用，弱于金刚石脱落带来的耐磨性降低作用，故而钻耗比K下降；固定钻进压力下，在PA1～PA4样品的浓度区间内N的增加与因胎体包镶能力减弱造成的金刚石脱落的动态平衡使钻进效率v相近，呈小范围的动态分布趋势。

3 结论

使用Fe-Cu基钻头，在钻压5 kN、钻速600 r/min的钻进条件下，钻进浅红花岗岩，得出如下结论：

(1)使用粒度代号25/30、30/35、35/40的金刚石制备的钻头，其存在金刚石破碎、脱落等问题，钻进寿命低，钻进效率高且相近；使用粒度代号40/45的金刚石制备的钻头，其金刚石颗粒的破碎、脱落问题开始得到改善，单粒金刚石钻压与出刃高度下降，钻进寿命延长、效率降低；使用粒度代号45/50的金刚石制备的钻头，其存在单颗金刚石钻压低、出刃低，钻进时烧钻等问题，钻进寿命虽有增加但增加趋势减缓，钻进效率进一步降低。

(2)使用粒度代号40/45、浓度50%的金刚石制备的钻头试样有最大的钻进寿命。金刚石浓度增大会降低胎体对金刚石的包镶能力，且唇面金刚石数目增加与因胎体包镶能力减弱造成的金刚石脱落的动态平衡使其钻进效率v相近，呈小范围的动态分布趋势。

(3)综合考虑效率与寿命，使用金刚石粒度代号40/45、浓度50%的钻头试样具有最佳钻进性能，其钻耗比约9 000，钻进效率约1.1 mm/s。