孫吉偉， 沈立娜

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083; 2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

鉆頭胎體的研磨性是指胎體磨損巖石的能力，鉆頭胎體的研磨性應(yīng)該根據(jù)所鉆巖石的研磨性來選擇。隨著地質(zhì)鉆探深度的逐漸增加，鉆遇地層呈現(xiàn)堅硬、致密、研磨性強的特點。而孕鑲金剛石鉆頭在強研磨性地層中鉆進時，通常會出現(xiàn)胎體磨損過快，金剛石脫落過早，鉆頭壽命變短的問題。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是鉆頭胎體的耐磨性和強度不夠。為了提高鉆頭胎體的研磨性和強度，選擇在原料鐵基預(yù)合金粉末的基礎(chǔ)上添加輔料。由于WC(碳化鎢)的硬度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小，對多種金屬的潤濕性好，且有一定的塑性。因此，選擇添加WC做為骨架金屬，以提高鐵基預(yù)合金粉末的燒結(jié)性能[1-5]。

本文通過向鐵基預(yù)合金粉末[6-8]中添加WC的方式來提高胎體的綜合性能。通過測試不同WC含量、不同燒結(jié)溫度下胎體的硬度、抗彎強度和抗沖擊韌性，歸納了骨架金屬WC對胎體各個性能的影響規(guī)律，并分析了骨架金屬WC對胎體各個性能的影響機理。最終確定了所應(yīng)添加的最優(yōu)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及最優(yōu)燒結(jié)溫度。在強研磨性地層中鉆進時，對鉆頭胎體材料選擇有一定的參考依據(jù)。

1 配方設(shè)計

為了獲得燒結(jié)溫度較低的耐磨胎體配方，WC添加不宜過多，實驗設(shè)計如表1所示。

表1 實驗胎體配方Table 1 Experiemental matrix formula

注：基料為鐵基預(yù)合金粉末，添加的WC顆粒為200目。

2 熱壓燒結(jié)

將添加有不同含量WC的鐵基預(yù)合金粉末進行球磨預(yù)處理，完成轉(zhuǎn)料，通過熱壓燒結(jié)機(RYJ2000A型)燒結(jié)。在燒結(jié)溫度的選擇上，為了防止鉆頭燒制中金剛石出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)釗p傷，燒結(jié)溫度不能大于900 ℃。由于基料的最優(yōu)燒結(jié)溫度是730 ℃，所以添加有200目WC顆粒的胎體燒結(jié)溫度應(yīng)該大于730 ℃。因此，根據(jù)所添加WC的含量，燒結(jié)溫度應(yīng)該在730～900 ℃之間選擇。

3 胎體燒結(jié)溫度測試

為了測試胎體最優(yōu)燒結(jié)溫度，我們選擇把胎體硬度值作為衡量最優(yōu)燒結(jié)溫度的標(biāo)準(zhǔn)。如果胎體試樣的硬度在某一燒結(jié)溫度下達到最大，則這個溫度就認為是最優(yōu)燒結(jié)溫度。硬度是抵抗其它較硬的、有一定尺寸和形狀的材料侵入其表面的能力。反映出的是材料彈性、塑性、塑性變形強化率、強度、韌性、耐磨性和孔隙度等許多物理量的綜合指標(biāo)。通常情況下，胎體硬度越高，胎體的研磨性就越強[3]。

胎體硬度測試采用全洛氏硬度計。每種配方的標(biāo)準(zhǔn)圓柱胎體試樣(?16 mm×10 mm)經(jīng)過表面磨光達到光潔度要求后，在平行于正壓制方向的上下兩個面上各測試4個點，選擇的4個點之間的距離應(yīng)該大于2 mm，以防止點之間的相互影響。每種配方的硬度試樣塊有2塊，取這16個點的平均值作為胎體試樣的硬度測量值，最后測得不同WC含量下，胎體硬度隨燒結(jié)溫度的變化曲線如圖1所示。

圖1不同WC含量下試樣硬度-燒結(jié)溫度曲線圖
Fig.1Hardness-sinteringtemperaturecurveofsampleswithdifferentWCcontents

根據(jù)圖1中0～2號配方曲線可知，隨著燒結(jié)溫度的逐漸增加，胎體試樣的硬度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。從胎體成分角度出發(fā)，鉆頭胎體材料由骨架金屬和粘接金屬組成，骨架金屬在整個胎體中的存在形式有2種，第一種是骨架金屬之間相鄰接，形成骨架支撐結(jié)構(gòu)；第二種是骨架金屬完全被粘接金屬包裹，受壓時與粘接金屬一起產(chǎn)生位移。骨架支撐結(jié)構(gòu)對硬度的影響相對更大[3]。隨著燒結(jié)溫度逐漸增加，分子運動逐漸增強，粘接金屬對骨架金屬的包覆性逐漸變好，但是骨架支撐結(jié)構(gòu)越來越不易形成。燒結(jié)溫度過低，粘接金屬不能完全包覆骨架金屬，硬度下降；燒結(jié)溫度過高，胎體成分分布均勻，骨架支撐結(jié)構(gòu)不易形成，硬度下降。因此，只有當(dāng)骨架金屬的這兩種存在形式達到最優(yōu)比時，胎體硬度達到最高[9-12]。

根據(jù)圖1可知，隨著WC含量的增加，燒結(jié)溫度逐漸增加。實際上，胎體燒結(jié)溫度主要取決于粘接金屬的熔點[6]。但在胎體試樣中粘接金屬不變，為什么燒結(jié)溫度會隨之增加呢？在燒結(jié)時間相同的前提條件下，骨架金屬雖然在燒結(jié)過程中不熔化，但是骨架金屬可能存在某種表面燒結(jié)“活化”反應(yīng)，而隨著WC顆粒的增加，骨架金屬的總表面積增大，發(fā)生這種反應(yīng)所需的能量也就增大，燒結(jié)溫度隨之增加。因此，隨著WC含量的增加，胎體試樣的最優(yōu)燒結(jié)溫度逐漸增加，而且最優(yōu)燒結(jié)溫度增加的速度越來越快。

根據(jù)圖1中3號配方曲線圖可知，當(dāng)胎體配方中的WC含量達到15%時，胎體試樣在900 ℃以下的硬度小于2號配方的最高硬度值，并且3號配方胎體試樣的最優(yōu)燒結(jié)溫度>900 ℃，為了減少鉆頭中金剛石的熱損傷，最終確定的合格配方及其對應(yīng)的最優(yōu)燒結(jié)溫度和最優(yōu)硬度如表2所示。

表2 兩種配方下的最優(yōu)燒結(jié)溫度和最優(yōu)硬度Table 2 Optimal sintering temperature and optimalhardness for the two formulas

4 胎體的抗沖擊韌性

沖擊韌性是指材料在沖擊力的作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映材料內(nèi)部的細微缺陷。王棟材等[13]將沖擊韌性和斷裂力學(xué)聯(lián)系起來，從能量的角度出發(fā)，將沖擊功分為4個部分：(1)裂紋形成能；(2)裂紋擴展能；(3)形成剪切唇的塑性變形能；(4)過剩的彈性能。

在實際鉆進過程中，隨著鉆桿長度的增加、鉆頭轉(zhuǎn)速不斷變化、地層復(fù)雜多變，鉆桿在不同組合力的共同作用下，出現(xiàn)多種形式的振動，其中縱向上的振動會引起鉆頭反復(fù)跳離工作面，很容易引起鉆頭胎體疲勞斷裂。其次，鉆頭上的金剛石在壓入、剪切巖石的過程中，由于巖石中各組分的硬度不一樣，切削刃會出現(xiàn)軸向上的跳躍，導(dǎo)致鉆頭發(fā)生一定程度的振動，很容易引起胎體脫落。因此，保證鉆頭胎體有強的抗沖擊韌性，有利于增加鉆進效率和延長鉆頭壽命[14-16]。

利用JB-50型擺錘沖擊試驗機，測試胎體試樣的抗沖擊韌性。將含有5%和10%WC含量的兩種配方在各自的最優(yōu)燒結(jié)溫度下燒結(jié)成50 mm×10 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)抗沖擊試樣塊，每種配方的胎體試樣燒3塊，然后在沖擊試驗機上測試抗沖擊韌性，取沖擊韌性的平均值作為最終測試結(jié)果，則WC含量和抗沖擊韌性之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 胎體抗沖擊韌性和WC含量關(guān)系圖Fig.2 Relationship between the matrix impact toughnessand WC contents

根據(jù)圖2可知，添加WC顆粒的胎體的抗沖擊韌性較基料的大，而且隨著WC含量的逐漸增加，胎體的抗沖擊韌性呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。在短暫的動荷載作用下，胎體試樣不會產(chǎn)生大的變形，這時胎體的塑性系數(shù)下降，而硬度、強度都增加。從能量的角度出發(fā)，當(dāng)沖擊功作用到胎體試樣上時，胎體試樣發(fā)生一定量的彈性變形和塑性變形，塑性變形吸收一部分能量，而彈性變形將作用力向胎體內(nèi)部傳遞，并在胎體內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)這個力大于胎體材料的強度時，胎體內(nèi)部缺陷處首先開始破壞并產(chǎn)生裂紋。隨著WC含量的逐漸增加，胎體內(nèi)部的缺陷逐漸減少，胎體抗沖擊韌性逐漸增加；當(dāng)胎體內(nèi)部缺陷最少時，胎體抗沖擊韌性最強，WC含量最優(yōu)；當(dāng)WC含量再增加時，胎體內(nèi)部骨架金屬支撐結(jié)構(gòu)逐漸增加，導(dǎo)致內(nèi)部薄弱面逐漸增多，進而導(dǎo)致胎體抗沖擊韌性逐漸下降[12]。

5 胎體的抗彎性能

采用微機控制萬能試驗機(WDW-100型)測試試樣的抗彎強度(三點彎曲法)。實驗過程中，抗彎強度試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為5 mm×5 mm×30 mm，試驗機的加載速度為0.5 mm/min。三點抗彎實驗中，試樣塊的受力情況以及中截面上的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 試樣受力與中截面應(yīng)力Fig.3 Load and middle section stress of the sample

根據(jù)圖3可知，試樣在中點受力情況下，中截面上的正應(yīng)力為上面受壓，下面受拉。由于材料的拉應(yīng)力<剪應(yīng)力<壓應(yīng)力，因此試樣的最下端是危險面。隨著外力F逐漸增大，胎體試樣最下段的拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)該點的拉應(yīng)力大于胎體試樣的最大拉應(yīng)力時，試樣最下段首先出現(xiàn)破壞；隨著壓力逐漸增加，裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋迅速擴展，最終導(dǎo)致胎體試樣斷裂。因此，鉆頭胎體斷裂的過程,就是裂紋擴展的過程[17]。

通過上述實驗，取8個抗彎強度的平均值作為胎體抗彎強度。最終測得試樣的抗彎強度和WC含量之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 胎體抗彎強度和WC含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the matrix bending strengthand WC contents

根據(jù)圖4可知，當(dāng)在基料中加入WC顆粒后，胎體的抗彎強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)WC含量為5%時，胎體的抗彎強度相對最大；當(dāng)WC含量>5%時，胎體的抗彎強度逐漸減小。這是由于當(dāng)WC含量較低的時候，均勻分布在試樣中的WC顆粒被粘接金屬完全包裹，當(dāng)胎體受到外力時，WC顆粒有效阻礙了裂紋擴散或改變了裂紋擴展方向，從而增大了試樣的抗彎強度。而隨著WC 含量逐漸增大，胎體試樣中的WC顆粒相互接觸，當(dāng)裂紋擴展到相互接觸的WC顆粒時，裂紋從WC顆粒之間的裂縫穿過，使WC顆粒不能有效阻礙裂紋擴展，最終導(dǎo)致試樣的抗彎強度降低。

6 結(jié)論

隨著WC含量的逐漸增加，鉆頭胎體的硬度、抗沖擊韌性以及抗彎強度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。胎體中骨架金屬的存在形式，粘接金屬的相對含量，裂紋的擴展方向，粘結(jié)金屬對骨架金屬的包覆性均受到WC含量的影響。通過測試胎體試樣的硬度、抗沖擊韌性和抗彎強度，最終確定了當(dāng)WC含量為5%，燒結(jié)溫度為830 ℃時，胎體中粘接金屬對WC的包覆性最好，此時胎體的硬度和強度達到最優(yōu)。這種胎體配方能有效提高鉆頭的硬度，增加鉆頭的強度，降低鉆頭胎體斷裂和脫落的可能性，能一定程度上增加鉆頭的壽命。