劉寶昌， 韓 哲， 李思奇， 趙新哲， 李 闖， 曹 鑫

(1. 吉林大學 建設工程學院， 長春 130026) (2. 超硬材料國家重點實驗室， 長春 130012) (3. 國土資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室， 長春 130026)

孕鑲金剛石鉆頭是地質勘探鉆進最常用的鉆探工具[1]。但在非均質地層、軟硬夾層等地層中鉆進時，會不可避免地產生有害的振動[2]，這種振動不但會降低巖心采取率、嚴重影響鉆頭的工作性能，還會使擴孔器過早磨損[3]，對鉆具管材產生損壞[4-5]。為了進一步提高鉆進效率，延長鉆具使用壽命，需要減小鉆進時產生的有害振動。常規(guī)的減振措施有：采用匹配的進給速度、轉速和鉆壓；使用鉆桿潤滑脂潤滑鉆桿；使用乳化鉆井液進行鉆進循環(huán)；在巖心管的上端使用導向機構；在接頭表面鑲嵌或鍍上硬質合金；在鉆柱安裝減振器等[6-7]。這些措施均是通過控制外部因素達到減少振動的目的。

阻尼合金材料也稱減振合金，是一種兼有良好的減振功能和機械性能的新型功能材料[8-9]。它能夠通過材料內部相應的阻尼機制，吸收外部振動能，并將振動能轉化為熱能而不可逆耗散，達到減振的功效[10-12]。本研究將銅錳粉末代替部分常規(guī)63#配方中的663青銅粉作為胎體材料引入孕鑲金剛石鉆頭設計中，通過燒結使胎體材料內部形成具有阻尼機制的銅錳阻尼合金，吸收外部振動能，為鉆進過程中減少有害振動、延長鉆頭及鉆桿使用壽命提供一種新思路。

1 實驗材料與方法

1.1 試樣配方設計

實驗采用常見的63#配方作為基礎配方制備胎體試樣，其配方成分如表1所示。

表1 63#胎體配方成分

銅錳阻尼合金中，Cu67Mn33的阻尼合金孔隙較小、組織均勻，力學性能良好[11 -12]。實驗中選擇以63#配方為基礎配方，并配以質量分數分別為40%、50%、60%的Cu67Mn33粉末制備胎體試樣S0、S1、S2、S3及孕鑲金剛石試樣(金剛石濃度80%)SD0、SD1、SD2、SD3，配方如表2所示。

表2 實驗試樣配方表

1.2 燒結工藝

胎體試樣尺寸為38 mm×8 mm×5 mm，每種配方均燒制3個試樣，測得力學性能后取平均值。采用ZPM-100E中頻自控熱壓機進行試樣的燒結，考慮到最佳性能的Cu67Mn33阻尼合金燒結溫度[13]及燒結后孕鑲金剛石試樣性能，采用2次保溫燒結工藝[14]，參數如下：壓力設置為16.5 MPa，先直線升溫到850 ℃，保溫2 min，隨后升溫至980 ℃，保溫 7 min后自然降溫至750 ℃，置入保溫箱內緩慢降溫直至室溫。

1.3 性能測試方法

為保證胎體材料既能滿足鉆進工作要求，又能提高自身阻尼能力，本研究針對胎體的密度、壓入硬度、抗彎強度、耐磨性、彈性模量及斷口微觀形貌進行測試及分析。用DE-120高精度電子比重計測試試樣密度。因為彈性模量與材料阻尼性能呈負相關關系[14]，用奧林巴斯5072脈沖發(fā)生器測量楊氏模量，再得到測試胎體試樣的阻尼性能。

用HRS-150型洛氏硬度儀測試試樣硬度。為保證測試的數據準確，在每塊試樣被測表面等間距選取6個點進行測量，將測得的數據取平均值。用Mod.DDL-100液壓式萬能試驗機測試試樣的抗彎強度值。為更準確反映試樣的致密程度及金剛石包鑲程度，在抗彎實驗結束后，用S-4800FESEM型掃描電子顯微鏡對試樣SD0、SD1的斷口形貌進行觀察和元素分布測量。

用DHM-2型磨耗比測試儀(如圖1)測試胎體試樣耐磨性，砂輪為直徑100 mm、厚度20 mm、基本粒度尺寸180 μm的碳化硅砂輪。磨耗比值由砂輪質量損失/試樣質量損失計算得出。測試參數如下：加載壓力5 N，線速度15 m/s，擺動頻率30 次/min。試驗前后對砂輪和試樣烘干并稱量以計算出質量損失。

(a) 實物圖(b) 工作示意圖圖1 DHM-2型磨耗比測試儀實物及工作示意圖

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2為試樣SD0和SD1的斷口微觀形貌圖。從圖2a、2b對比看出：試樣SD1與SD0微觀形貌相近，且胎體結構致密、組織均勻，金屬結合充分且未出現金屬成分團聚現象。

圖3為SD1試樣斷口銅錳元素分布圖。從圖3可以看出：試樣SD1胎體中Cu、Mn元素分布均勻，表明試樣混料均勻，燒結充分。

2.2 力學性能分析

圖4為實驗試樣的力學性能。從圖4a可以看出：隨著阻尼合金含量的增加，試樣的相對密度與洛氏硬度變化趨勢大致相同。根據相對密度曲線，阻尼合金試樣與S0相對密度相近，說明在實驗條件下試樣燒結充分。因為Cu與WC相容性較好，Cu含量增加，進一步填補因WC在胎體內產生聚集而形成的空洞[15]，且Cu在1000 ℃以下具有很大的熱塑性，隨著Cu含量的增加，試樣燒結熱壓收縮越充分[16]，使得阻尼合金胎體試樣的相對密度比S0的均有小幅度提高。根據硬度曲線，試樣S1比S0硬度提高了14.7%，試樣S2比S0提高了27.2%。理論上，隨著試樣中WC含量的減少硬度應逐漸降低，實際測試硬度升高原因可能是添加適量阻尼合金使試樣材料更為致密，從而提升了抵抗外部壓入的能力。對比3組阻尼合金試樣的相對密度和硬度變化曲線，均有先增大后減小的趨勢，出現這種現象的主要原因是Cu-Mn的互擴散系數隨Mn含量增加先增大后減小，適量增加Mn的含量使試樣燒結更加均勻化，當Mn含量過高時，試樣中生成較多的MnO，由于其熔點較高，使得試樣難以實現燒結致密化，結果試樣S3的硬度和相對密度均明顯下降[14]。

(a) SEM圖

(b) Cu元素分布

(c) Mn元素分布圖3 SD1試樣斷口銅、錳元素分布圖

由圖4b可以看出：相比胎體試樣S0及孕鑲金剛石試樣SD0，阻尼合金材料試樣抗彎強度均有所減小；其中相較試樣S0，試樣S1抗彎強度下降了11.1%，試樣S2下降了7.8%；相較試樣SD0，試樣SD1抗彎強度下降了22.4%。Mn含量的增加導致胎體試樣抗彎強度整體呈現下降的趨勢[14]。這是由于Cu對金剛石的潤濕性較差[17]，隨著試樣中Cu含量的增加，胎體對金剛石的把持力降低，孕鑲金剛石試樣抗彎強度逐漸下降。

(a) 胎體相對密度和洛氏硬度(b) 胎體及孕鑲金剛石試樣抗彎強度(c) 胎體楊氏模量(d) 孕鑲金剛石試樣磨耗比圖4 試樣力學性能

圖4c 表示胎體試樣彈性模量的變化。由圖4c可知：相比于試樣S0，含有阻尼合金成分的胎體試樣彈性模量大幅降低，說明在試樣中加入阻尼合金成分能夠有效地增加胎體材料的阻尼性能。且隨著試樣中阻尼合金含量的增加，彈性模量具有明顯的下降趨勢，這符合實驗的理論預期，即銅錳含量越高，試樣彈性模量越小，試樣阻尼性能越高。

圖4d表示孕鑲金剛石試樣的磨耗比值。圖4d中：試樣SD1相較試樣SD0磨耗比增加13.2%，其余2組試樣磨耗比與試樣SD0相近。說明加入銅錳合金對胎體材料的耐磨性影響不大。利用質量分數40%的Cu67Mn33粉末代替親和力較大的663青銅粉可減輕試樣中黏結劑粉末擴散受阻現象[15]，一定程度上改善了對金剛石的黏結能力，從而提高了試樣的耐磨性。通過以上力學性能測試分析可知：SD1配方試樣與常規(guī)63#胎體試樣力學性能相近，理論上可滿足正常的鉆進工作需要。

3 鉆進實驗

3.1 鉆具與設備

采用基礎配方及綜合性能最優(yōu)的SD1阻尼合金配方制備孕鑲金剛石鉆頭進行室內鉆進實驗，鉆頭參數如表3所示，鉆頭實物如圖5所示。主要實驗設備為XY-1巖心鉆機、PMB-50泡沫泥漿泵，由于鉆頭在鉆進過程中產生的振動為縱向、橫向和扭轉方向的耦合振動，試驗通過安裝CT1010LS型三軸加速度傳感器(圖6)，測試并記錄鉆進過程中的振動加速度來評估鉆頭減振的效果。鉆進試驗所用巖樣為中粗?；◢弾r，強研磨性，可鉆性等級為VII級。鉆進參數如下：鉆壓7 kN，轉速500 r/min，沖洗液流量35～40 L/min。

表3 鉆頭設計參數

圖5 實驗鉆頭圖6 振動測試裝備

3.2 鉆進實驗結果及振動測試

鉆進測試結果如表4所示。通過表4可看出：SD1配方的鉆頭基本可以達到基礎配方鉆頭的鉆進速率和使用壽命。說明具有一定含量阻尼合金的配方鉆頭可以進行正常鉆進工作。

表4 鉆進測試結果

振動測試總時長0.5 s，其中每毫秒記錄1組數據，其數據如表5、圖7、圖8所示。通過振動測試結果可知，SD1配方制成的孕鑲金剛石鉆頭與基礎配方鉆頭相比，其振動加速度正值減小了約1.4%，負值減小了約7.2%，平均減小約4.3%，即胎體中含有銅錳阻尼合金成分的孕鑲金剛石鉆頭相比基礎配方鉆頭的阻尼性能得到了提升，有效減少了鉆頭在鉆進過程中產生的有害振動，鉆進更加穩(wěn)定。

表5 振動測試結果

圖7 基礎配方鉆頭鉆進振動加速度

圖8 SD1配方鉆頭鉆進振動加速度

4 結論

(1)將銅錳阻尼合金加入到孕鑲金剛石鉆頭胎體中，研制出一種在鉆進過程中具有減少有害振動功能的孕鑲金剛石鉆頭。通過對不同含量阻尼合金的胎體試樣和孕鑲金剛石試樣進行力學測試發(fā)現，胎體中含質量分數40%的銅錳合金配方試樣綜合性能最佳。與試樣S0相比，試樣S1相對密度提高了0.5%，硬度提高了14.7%；與試樣SD0相比，試樣SD1磨耗比提高了13.2%，抗彎強度下降了22.4%。

(2)對基礎配方及SD1配方鉆頭進行鉆進實驗發(fā)現：SD1配方鉆頭與基礎配方鉆頭性能相近，可滿足鉆進工作要求。根據振動測試結果，用SD1配方制成的孕鑲金剛石鉆頭振動加速度平均值相比基礎配方鉆頭減小約4.3%，有效減小了鉆進中產生的有害振動。