李宏利，于慶增，王紹麗，方海江

（四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州 450016）

金剛石復(fù)合齒潛孔鉆頭的研究與應(yīng)用①

李宏利，于慶增，王紹麗，方海江

（四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著采礦工業(yè)深部開采量加大，堅(jiān)硬磨蝕性礦巖增多，對潛孔鉆頭的壽命和工作效率提出了更高的要求。文章提供了一種新型聚晶金剛石潛孔鉆頭，實(shí)驗(yàn)表明，聚晶金剛石潛孔鉆頭與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金潛孔鉆頭相比，可大大提升鉆頭壽命，提高鉆頭的工作效率，降低消耗，是鉆進(jìn)中硬巖層的理想鉆頭。

聚晶金剛石復(fù)合片；金剛石復(fù)合潛孔鉆頭；硬質(zhì)合金

1 引言

潛孔鉆頭是潛孔鑿巖工程中的關(guān)鍵工具，也是主要消耗件之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鑿巖成本中，鉆頭費(fèi)用占20%以上。目前市場上主要為鑲嵌硬質(zhì)合金柱齒頭的潛孔鉆頭，這種潛孔鉆頭在面對極硬的地層時(shí)，由于硬質(zhì)合金柱齒頭耐磨性差，導(dǎo)致鉆頭使用壽命短，延長了工程周期，提高了鑿巖成本。金剛石潛孔鉆頭采用聚晶金剛石復(fù)合片代替了傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金柱齒，與硬質(zhì)合金潛孔鉆頭相比，聚晶金剛石復(fù)合齒由于其具有高耐磨性、高硬度等優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能，作為高性能潛孔鉆頭材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 高性能聚晶金剛石復(fù)合齒

本文所制備的高性能聚晶金剛石復(fù)合齒的外觀形狀如圖1所示。

高性能聚晶金剛石復(fù)合齒是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質(zhì)合金一次燒結(jié)而成的超硬材料制品，它不但具有金剛石所具備的強(qiáng)度高，耐磨等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了硬質(zhì)合金所具備的抗沖擊性強(qiáng)、出刃大等特點(diǎn)。本文介紹的高性能聚晶金剛石復(fù)合齒由河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司生產(chǎn)。

圖1 高性能金剛石復(fù)合齒Fig.1 The PDC with high performances

2.2 金剛石潛孔鉆頭

傳統(tǒng)的潛孔鉆頭由鋼制基體和硬質(zhì)合金齒組成，在偏硬的巖層鑿巖時(shí)，由于硬質(zhì)合金的耐磨性不夠而使?jié)摽足@頭的使用壽命短，進(jìn)尺速度慢，造成掘進(jìn)效率低下。為了克服現(xiàn)有硬質(zhì)合金潛孔鉆頭在耐磨性和鑿巖效率方面的不足，本文提供了一種新型聚晶金剛石復(fù)合齒潛孔鉆頭（以下簡稱金剛石潛孔鉆頭）。它采用高硬度、高耐磨性和具有良好抗沖擊性能的聚晶金剛石復(fù)合齒代替了傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金柱齒，很好地解決了在面對極硬地層時(shí)硬質(zhì)合金柱齒不耐磨的問題。

如圖2所示，金剛石潛孔鉆頭包括鋼體和多個(gè)柱齒頭，多個(gè)柱齒頭均鑲嵌在鋼體頭部，柱齒頭包括邊齒1和中齒2。多個(gè)邊齒和中齒可以根據(jù)不同的地層條件，決定聚晶金剛石復(fù)合齒代替硬質(zhì)合金齒的使用情況。例如，在f＝15～20極堅(jiān)硬的石英巖層或玄武巖層中，可以采用聚晶金剛石復(fù)合齒全部代替硬質(zhì)合金邊齒以達(dá)到破碎巖石的最佳效果；在中等堅(jiān)硬的砂礫巖層中，可以采用部分邊齒和中齒用聚晶金剛石復(fù)合齒代替硬質(zhì)合金齒，既改進(jìn)了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金潛孔鉆頭耐磨性的不足，又降低了成本。

圖2 高性能金剛石復(fù)合齒潛孔鉆頭端面Fig.2 PDC drilling down－the－h(huán)ole bit end face

圖3 Φ90金剛石復(fù)合齒潛孔鉆頭Fig.3 PDC drilling down－the－h(huán)ole bit

2.3 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)條件：礦石巖層抗壓強(qiáng)度為126～156.2MPa。圍巖除細(xì)脈帶礦體頂板的碳質(zhì)頁巖穩(wěn)固性差常有冒頂外，其余均屬穩(wěn)固性巖石，其抗壓強(qiáng)度為92.2～165.2MPa，普氏系數(shù)在12～15之間，屬Ⅱ級堅(jiān)固巖石。試驗(yàn)設(shè)備為T150鉆機(jī)和GR200空壓機(jī)。礦山現(xiàn)用潛孔鉆頭為普通硬質(zhì)合金鉆頭（以下簡稱合金鉆頭），平均壽命為22.84m，平均鉆進(jìn)效率12.98m／h，折算每米純鉆進(jìn)時(shí)間：0.07704h。

金剛石潛孔鉆頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

鉆頭規(guī)格型號：高風(fēng)壓Φ90金剛石潛孔鉆頭，數(shù)量：5只。鉆頭平均壽命172m，平均鉆進(jìn)效率為23.18m／h，折算每米純鉆進(jìn)時(shí)間：0.04314h。現(xiàn)場跟蹤鉆頭的使用情況，記錄鉆頭的進(jìn)尺量并將使用之后潛孔鉆頭照片對比如下圖所示：

（1）礦山現(xiàn)用合金鉆頭實(shí)驗(yàn)前后照片對比如下（圖4、圖5）：

圖4 試驗(yàn)前合金鉆頭Fig.4 The carbide bit before testing

圖5 試驗(yàn)后合金鉆頭Fig.5 The carbide bit after testing

（2）四方達(dá)金剛石復(fù)合齒鉆頭試驗(yàn)前后照片對比如下（圖6、圖7）：

圖6 試驗(yàn)前金剛石復(fù)合齒鉆頭Fig.6 PDC bit before testing

圖7 試驗(yàn)后金剛石復(fù)合齒鉆頭Fig.7 PDC bit after testing

（3）失效原因分析：

由圖4、圖5的對比可以看出：合金潛孔鉆頭失效的主要形式是端部硬質(zhì)合金柱齒頭磨損及斷裂，無法繼續(xù)鉆進(jìn)；

由圖6、圖7對比可以看出：金剛石潛孔鉆頭失效的主要形式是金剛石復(fù)合齒斷齒及金剛石層崩塊，無法繼續(xù)鉆進(jìn)。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.4.1 從成本上進(jìn)行分析如下（表1）：

（1）壽命長（相對合金鉆頭提高653%）；（2）效率高（相對合金鉆頭提高79%）；（3）單位米數(shù)的鑿巖成本低（僅動(dòng)力及折舊費(fèi)用每米就降低23.67元）。

表1 鉆頭成本分析Table 1 Cost analysis of the bit

2.4.2 從效益上分析比較如下：

（1）假定每米鉆頭成本及人員工資保持不變，采用金剛石復(fù)合齒鉆頭比合金鉆頭每米節(jié)約電費(fèi)及設(shè)備折舊費(fèi)共計(jì)23.67元，以該礦區(qū)2012年鑿巖量7. 5萬米計(jì)算，可節(jié)約177.53萬元。

（2）假定2012年全部采用金剛石復(fù)合齒鉆頭，效率可提高79%，同樣的鉆進(jìn)時(shí)間可多鉆進(jìn)5.89萬米，可提高產(chǎn)量為204.31萬噸；按照計(jì)劃，該試驗(yàn)礦區(qū)2013年預(yù)計(jì)工程量為10萬米，采用合金鉆頭至少需要增加鉆機(jī)1臺，增加投資180萬元；而采用金剛石鉆頭，可完成10萬米的工程量，而不用增加設(shè)備投資。

（3）壽命更長，可以減少更換鉆頭及反復(fù)裝拆裝鉆桿的次數(shù)，從而極大地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；可以以較低的風(fēng)壓工作而又不影響鉆進(jìn)效率，同時(shí)又保護(hù)沖擊器，降低空壓機(jī)負(fù)荷，節(jié)省電費(fèi)，延長空壓機(jī)的使用壽命；目前每天需要向井下運(yùn)送2次鉆頭，采用金剛石鉆頭后，可減少往井下運(yùn)送鉆頭的次數(shù)，節(jié)省運(yùn)輸成本?？傊?，由于使用壽命的延長及鉆進(jìn)效率的提高，可降低綜合管理成本及其他費(fèi)用支出。

3 結(jié)論

隨著各種先進(jìn)的潛孔鉆機(jī)及液壓鑿巖機(jī)械在工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對潛孔鉆頭的使用性能提出了更高要求。金剛石潛孔鉆頭以其壽命長、效率高、單位米數(shù)的鑿巖成本低等優(yōu)良性能在工程施工領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。本實(shí)驗(yàn)金剛石潛孔鉆頭失效形式多為金剛石復(fù)合齒斷齒或金剛石層崩塊，表明金剛石復(fù)合齒的抗沖擊性能有待進(jìn)一步提高，隨著抗沖擊性能的提升，金剛石潛孔鉆頭的使用性能還有大幅提升空間。

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燕山大學(xué)在超硬材料硬化機(jī)理研究方面獲突破

燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目以及科技部973項(xiàng)目的持續(xù)資助下，與國內(nèi)外科學(xué)家合作，在多晶超硬材料合成技術(shù)和超硬材料硬化機(jī)理研究方面取得突破性進(jìn)展。利用高溫高壓技術(shù)成功地合成出超高硬度的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼塊材，提出了材料硬化新機(jī)制。其研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。

立方氮化硼是一種重要的超硬材料，在鐵基材料加工行業(yè)中已得到了廣泛應(yīng)用。令人遺憾的是，人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶硬度的一半。根據(jù)著名的Hall－Petch關(guān)系，多晶材料的硬度隨晶粒尺寸減小而增大。因此，合成納米結(jié)構(gòu)立方氮化硼已成為提高其硬度的有效手段。利用類石墨結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高溫高壓下的馬氏體相變，科學(xué)家們已合成出納米晶立方氮化硼，所能達(dá)到的最小晶粒尺寸為14nm。田永君及其合作者采用一種具有特殊結(jié)構(gòu)的洋蔥氮化硼為前驅(qū)物，在高壓下成功地合成出透明的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼，孿晶的平均厚度僅為3.8nm。這種材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能：維氏硬度108GPa達(dá)到甚至超過人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性12.7高于商用硬質(zhì)合金，抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。

大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分子動(dòng)力學(xué)模擬均已證明：在臨界尺寸（10～15nm）以上，金屬及合金材料的硬度和強(qiáng)度隨晶粒尺寸減小而增大（Hall－Petch效應(yīng)）；在臨界尺寸以下，強(qiáng)度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減?。ǚ碒all－Petch效應(yīng)）。關(guān)于多晶極性共價(jià)材料的硬度，最近田永君小組提出了一個(gè)理論模型（Int.J.Refract.Met.Hard.Mater.33（2012），93－106）。該模型預(yù)言：在納米尺度，硬化機(jī)制除了Hall－Petch效應(yīng)的貢獻(xiàn)還應(yīng)有量子限域效應(yīng)的附加貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼隨孿晶厚度減小能夠持續(xù)硬化到3.8nm卻不發(fā)生軟化，證實(shí)了多晶共價(jià)材料硬化機(jī)制中量子限域效應(yīng)的存在。研究成果突破了人們對材料硬化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識，給出了一種合成高性能超硬材料的全新途徑。

（EDU網(wǎng)）

Research and application of PDC drilling down－the－h(huán)ole bit

LI Hong－li，YU Qing－zeng，WANG Shao－li，F(xiàn)ANG Hai－jiang
（Henan Sifang Diamond Co.，Ltd.，Zhengzhou450016，Henan）

Along with the deep mining in mining industry and hard and abrasion resistance rock increasing，the higher work efficiency and long life of the down－the－h(huán)ole bit are requested.This paper provides a new kind of PDC down－the－h(huán)ole drill.The experimental result shows that compared with the traditional carbide drilling down－the－h(huán)ole bit，the PDC drilling down－the－h(huán)ole bit can greatly enhance the bit life and improve the bit work efficiency，and also can reduce the consumption.It is ideal bit drilling in hard rocks.

PDC；PDC drilling down－the－h(huán)ole bit；carbide

TQ164

A

1673－1433（2013）01－0016－04

2013－01－29

李宏利（1980－），男，本科，主要從事超硬材料及制品的研究和開發(fā)；方海江（1968－），男，碩士，河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司

董事長兼總經(jīng)理，主要從事超硬材料及制品的研究和開發(fā)。