覃懷鵬，陳桂湘

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

目前，市場上使用的潛孔鉆頭主要以硬質(zhì)合金齒潛孔鉆頭為主，潛孔鉆頭在使用過程中不僅要承受沖擊載荷，還要承受來自鉆進(jìn)對象的磨損，硬質(zhì)合金的耐磨性相對比較低，在鉆進(jìn)比較堅硬、研磨性強的巖層時，由于硬質(zhì)合金球齒不耐磨，隨著鉆頭的使用，球齒頭的磨損逐漸加大，球齒的出刃逐漸降低，導(dǎo)致了鉆進(jìn)速率也隨之降低；另一方面，由于磨損過快而使得鉆頭亦過早報廢，頻繁地起下鉆也降低了鉆頭純鉆進(jìn)的時間，影響了總體工作效率，增加了鉆進(jìn)成本。

因此，為了研制出高效率、長壽命的切削工具及鉆頭，近年來，國內(nèi)外的科研與生產(chǎn)制造者在提高硬質(zhì)合金的性能方面做了大量的研究，如先后研制出新成分硬質(zhì)合金[1-3]、增加耐磨涂層硬質(zhì)合金[4-6]、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金[7-8]以及經(jīng)過某些特殊手段或工藝而增強硬質(zhì)合金性能的合金[9-11]等，但由于硬質(zhì)合金本身的局限性，這些新型的硬質(zhì)合金終究因為性能提高幅度有限，并未能夠得到很好的推廣應(yīng)用。

與硬質(zhì)合金球齒相比，金剛石復(fù)合球齒具有高強度、高硬度和高耐磨性等優(yōu)異的機械力學(xué)性能，目前國外特別是美國的金剛石復(fù)合球齒制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，使用效果明顯。美國梅加金剛石公司先后研制了聚晶金剛石鉆頭，在磨損領(lǐng)域可以得到很好的應(yīng)用，但由于其脆性較大，沒能在沖擊鉆頭中獲得應(yīng)用，然后該公司又開發(fā)了綜合金剛石與碳化鎢兩種材料性能的復(fù)合材料，采用由工作表面從100%PCD層逐漸過渡到100%硬質(zhì)合金柱齒的過渡層結(jié)構(gòu)，提高了其沖擊韌性，使其在沖擊鉆頭領(lǐng)域也得到很好的應(yīng)用[12]。然而我國有關(guān)的研究進(jìn)展還比較慢，特別是在鉆進(jìn)硬巖過程中，PCD層與硬質(zhì)合金基體連接問題、沖擊韌性不足導(dǎo)致的PCD層易剝落與碎裂等問題突出，一直沒有得到很好的解決，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的產(chǎn)品性能不足或穩(wěn)定性差。目前國內(nèi)市場上還鮮有金剛石復(fù)合球齒的潛孔鉆頭，特別是適合于堅硬及磨蝕性強巖層鉆進(jìn)的鉆頭。因此研制出具有一定的耐磨性，抗沖擊性能又好的金剛石復(fù)合球齒，具有非常重要的意義。

1 試驗方法及過程

1.1 高壓合成的組裝方式

金剛石復(fù)合球齒的高壓合成工藝與傳統(tǒng)的復(fù)合片合成工藝類似，因此其高壓元件的設(shè)計可以參照復(fù)合片的高壓元件設(shè)計，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。針對傳統(tǒng) PDC 高壓燒結(jié)元件存在的問題，并結(jié)合金剛石復(fù)合球齒的合成特性及性能要求，在設(shè)計金剛石復(fù)合球齒的高壓燒結(jié)元件時，做了如下改進(jìn)：(1)將硬質(zhì)合金基體和金剛石層作為一個整體封裝起來，使高熔點金屬層的屏蔽作用增強對它的屏蔽保護(hù)；(2)在石墨管與葉蠟石腔體之間增設(shè)白云石襯管，以及石墨管內(nèi)襯食鹽管，以此改善超高壓合成腔內(nèi)的壓力分布，減小了壓力場梯度的影響。具體的組裝方式如圖1所示。試驗證明，經(jīng)過改進(jìn)后的組裝方式，復(fù)合齒的缺陷得以控制，提高了成品率，復(fù)合齒的性能也得到很大的改善。

圖1 金剛石復(fù)合球齒高溫高壓組裝圖Fig.1 Assembly structure diagram of diamond composite button insert at high-temperature and 1-導(dǎo)電鋼帽；2-葉蠟石環(huán)；3-白云石環(huán)；4-葉蠟石合成塊；5-導(dǎo)電片；6-碳片；7-白云石襯管；8-碳管；9-氧化鎂杯；10-食鹽管；11-金剛石復(fù)合層；12-屏蔽材料；13-硬質(zhì)合金基體

1.2 金剛石復(fù)合球齒研制

為了保證球齒生產(chǎn)的穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制好各生產(chǎn)工藝流程，關(guān)鍵工序要嚴(yán)格把控并做好相關(guān)的過程記錄。具體的工藝流程如下：原材料及組裝元件的進(jìn)化處理等—配料、混料—組裝及預(yù)壓—真空熱處理—高溫高壓合成—后續(xù)加工處理—檢查測試—成品入庫。

為了降低由于金剛石、鈷粘接劑與硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及在沖擊與疲勞應(yīng)力作用下，由于聚晶金剛石薄層與硬質(zhì)合金基體的彈性模量的差異而產(chǎn)生的聚晶層剝落與碎裂現(xiàn)象，提高金剛石復(fù)合球齒在鉆進(jìn)硬巖時的綜合性能，特別是抗沖擊性能，本文采用了梯度設(shè)計原理[12-13]，在金剛石-硬質(zhì)合金基體之間采用過渡層，過渡層可以根據(jù)需要設(shè)置2層或以上，過渡層的原料配比基本上由聚晶金剛石均勻地過渡到內(nèi)層的WC/Co，這樣處理可以減小金剛石層與硬質(zhì)合金基體之間的殘余應(yīng)力，可以由表及里使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化，大大提高了其沖擊韌性。同時，根據(jù)鉆進(jìn)不同巖層的性質(zhì)，合理地選擇金剛石粒度以及各過渡層中PCD與WC/Co的配比和粒度，經(jīng)過多次試驗，確定最佳的力度及配比，保證金剛石復(fù)合球齒的耐磨性。同時，優(yōu)化了PCD層、過渡層、硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)構(gòu)結(jié)合面，保證球齒的邊界也有均勻的過渡層，這就可以有效地克服球齒邊緣出現(xiàn)的碎裂現(xiàn)象。

金剛石復(fù)合球齒采用國產(chǎn)六面頂壓機進(jìn)行合成，合成壓力為5.2～6.0GPa，合成溫度為1450℃～1650℃，合成時間為10～25min，根據(jù)不同的球齒直徑及復(fù)合層厚度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)暮铣晒に?。為了降低?fù)合球齒內(nèi)部的有害殘余應(yīng)力，還可以將復(fù)合球齒置于650℃～750℃的氣氛條件下進(jìn)行退火處理。

1.3 相關(guān)性能檢測方法

金剛石復(fù)合球齒的抗沖擊性能采用自由落體式的重錘試驗機進(jìn)行測試，重錘質(zhì)量為4kg，試驗機自由落體高度為2米，統(tǒng)計其累積的沖擊次數(shù)，通過比較累積沖擊次數(shù)的大小來評判球齒的抗沖擊性能。同時采用了掃描電子顯微鏡來分析球齒的顯微結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 球齒的抗沖擊性能分析

采用了自由落體式的重錘試驗機進(jìn)行測試球齒的抗沖擊性能，本文選用了經(jīng)過改進(jìn)后的6顆直徑14mm的球齒與改進(jìn)前的6顆球齒進(jìn)行抗沖擊性能測試，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示，其中A為經(jīng)過改進(jìn)后的球齒，B為改進(jìn)前的球齒。通過測試結(jié)果可以得到以下結(jié)論，經(jīng)過改進(jìn)后的金剛石復(fù)合球齒的抗沖性能得到很大的提高。

圖2 金剛石復(fù)合球齒抗沖擊性能Fig.2 Impact resistance of the diamond composite button insertA.改進(jìn)后球齒；B.改進(jìn)前球齒

2.2 球齒的微觀形貌分析

為了分析金剛石復(fù)合球齒的顯微結(jié)構(gòu)和微觀形貌，采用了光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行分析。圖3為金剛石復(fù)合球齒的金剛石層、過渡層及硬質(zhì)合金基體層的光學(xué)顯微照片，最外層為Co粘接的PCD層，過渡層為均勻過渡配比的PCD與WC/Co層，從圖中可以看出，合成的球齒已經(jīng)形成了所設(shè)計的分層過渡結(jié)構(gòu)，而且不同層之間的結(jié)合比較緊密。

圖3 金剛石復(fù)合球齒均勻過渡層顯微照片F(xiàn)ig.3 The microscopic photo of uniform transition layer of the diamond composite button insert

圖4為金剛石復(fù)合球齒的PCD層顯微組織的SEM照片，圖中黑色部分為金剛石，灰白色部分為粘結(jié)金屬相。從圖中可以看出，大部分金剛石的顆粒之間都形成了D-D鍵結(jié)合，分布比較均勻，粘結(jié)金屬相主要分布在不同金剛石晶界的交叉處。

圖4 金剛石復(fù)合球齒PCD層SEM照片(2000×)Fig.4 The SEM image of the diamond composite button insert (2000×)

2.3 金剛石復(fù)合球齒潛孔鉆頭試驗

為了測試本文研制的高性能金剛石復(fù)合球齒在實際使用時的性能，采用冷壓固齒法將球齒固結(jié)到潛孔鉆庫體上。冷壓固齒是借助球齒與齒孔配合的過盈使孔壁產(chǎn)生彈性變形來實現(xiàn)球齒的固緊，采用冷壓固齒法固齒比較牢固，可以承受較大的動載，球齒不易產(chǎn)生松動和脫落。冷壓法可以避免熱焊法的焊接高溫對球齒復(fù)合層性能的影響，而且能較好地利用熱處理工藝，提高鉆頭庫體的強韌性及表面硬度。

制作的潛孔鉆頭規(guī)格為直徑110mm，在廣西某礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場鉆進(jìn)測試，試驗地層為比較堅硬的花崗巖地層，在該礦區(qū)采用的是高風(fēng)壓潛孔鉆機，目前在該礦區(qū)共測試了5個鉆頭，鉆頭的平均壽命為650米，球齒都是正常磨耗，沒有出現(xiàn)PCD層脫落和碎裂等現(xiàn)象，說明改進(jìn)后的球齒沖擊韌性得到很大的改善。之前在該礦區(qū)使用改進(jìn)前研制的球齒制作的潛孔鉆頭，壽命在300米左右，同時在該礦區(qū)使用的國內(nèi)某知名廠家的硬質(zhì)合金齒潛孔鉆頭，鉆頭壽命在100米左右。另外，由于硬質(zhì)合金球齒鉆頭的球齒耐磨性較差，其磨損較快，鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)效率會隨著球齒的磨損程度的增加而逐漸降低，而使用本文研制的高性能金剛石復(fù)合球齒，其耐磨性和抗沖擊性能均比較好，球齒在鉆進(jìn)過程中磨損比較慢，使用后期鉆進(jìn)的效率降幅也比較小。另一方面，使用金剛石復(fù)合球齒鉆頭，由于其使用壽命大幅提高，可以減少更換鉆頭及反復(fù)拆裝鉆桿的次數(shù)，提高了臺班工作的純鉆進(jìn)時間。因此，使用本文研制的高性能金剛石復(fù)合球齒制作的潛孔鉆頭，在壽命和效率上都可以有很大的提高。

3 結(jié)論

本文研制的經(jīng)過改進(jìn)后的高性能金剛石復(fù)合球齒，是在原有基礎(chǔ)上通過采用梯度設(shè)計原理、改進(jìn)胎體配方及層間結(jié)構(gòu)等方式優(yōu)化而制得的。通過室內(nèi)測試的抗沖擊性能，在原有基礎(chǔ)上提升了一倍左右，通過相關(guān)的顯微分析，其層間結(jié)構(gòu)結(jié)合比較緊密，金剛石之間也形成了D-D鍵，其組織結(jié)構(gòu)也比較理想。采用研制的金剛石復(fù)合球齒制作的潛孔鉆頭在礦山現(xiàn)場進(jìn)行測試，其使用壽命比改進(jìn)前提升了一倍，更是目前市場上使用較多的硬質(zhì)合金球齒鉆頭的6倍以上。