提高人造金剛石在鉆頭中的使用效果

金剛石鉆頭破碎巖石過程的效果取決于以下兩個方面因素的相互作用:一是金剛石與胎體，二是金剛石與巖石。近三十年來，隨著人造金剛石硬巖鉆探技術在國內外普及，廣大科研工作者和工作在生產第一線的工程師們曾對后者———單粒金剛石與巖石的相互作用，進行過大量而深入的研究。但關于前者———金剛石與胎體的相互作用及其對鉆進效果的影響，卻研究得很少。

如前所述，在所有情況下，為了破碎巖石金剛石都應首先切入巖石一定的深度。但由人造金剛石制造工藝所決定，在人造金剛石晶體內部必然存在著一定的“先天”缺陷，例如，存在著氣孔和含有催化－添加劑的金屬溶劑雜質。第一種缺陷(氣孔)將影響金剛石的初始強度，而第二種缺陷(含有雜質)將影響鉆頭燒結過程中(溫度達800℃以上)金剛石的最終強度。

可以通過以下途徑來消除或削弱這些缺陷對人造金剛石強度的影響:

(1)金剛石表面金屬噴鍍;

(2)對原始金剛石粉料進行電磁分選;

(3)用活性粘結材料制造胎體。

(一)金屬噴鍍法工藝及其提高人造金剛石強度的效果

業已確定，金屬包覆可提高金剛石的初始強度，在一定程度上防止鉆頭燒結過程中金剛石受高溫的影響，其表皮將起到導熱和減振作用。

研究表明，所用的胎體材料越堅硬，金剛石顆粒越容易發生碎裂，如果胎體為硬度50～70HRC的復合材料，則金剛石顆粒發生碎裂的可能性特別大。金剛石顆粒發生碎裂的原因之一是胎體的剛度，因為在這種胎體中金剛石顆粒承受動載的能力很差。

提高鉆頭工作能力的途徑之一是在金剛石上噴鍍一層較軟的金屬，使其顆粒能經受大的動載而不被破壞。

金屬噴鍍常用鈦、釩和鉻、鉬金屬，而最有前景的是金屬鉬。這種金屬能與金剛石中的碳形成高強度、低脆性的碳化物金相。它具有相當低的熱膨脹系數，使其比鉬包覆層的熱應力更小。

金屬噴鍍包覆與金剛石的接合強度取決于在金剛石和金屬之間形成的碳化物薄層厚度(圖5－24)。隨著碳化物薄層厚度增大，接合強度也增大。但如果厚度增大至80μm以上則效果不明顯。

圖5－25給出了工具耐磨性與金剛石同包覆層接合強度的關系。可以看出，隨著接合強度增大，工具的耐磨性增強。在實驗室和生產條件下所獲得的關系特征是一樣的，只是由于生產條件下情況更復雜，所以耐磨性的增長略緩一些。

圖5－24 碳化物薄層厚度與接合強度的關系

圖5－25 使用噴鍍金屬金剛石的鉆頭相對耐磨性

曾用已噴鍍金屬和未噴鍍金屬的人造金剛石制造36mm鉆頭，并用于在實驗室條件下鉆進花崗巖的試驗，結果如圖5－26、圖5－27所示。可以看出，隨著軸向載荷增大，已噴鍍金屬和未噴鍍金屬的人造金剛石鉆頭功耗同步增大，但在低鉆壓條件下，未噴鍍金屬的鉆頭功耗是的1.5倍，而在較高鉆壓條件下，兩者已基本沒有差距。也就是說，如果按生產條件下的鉆壓值得，則已噴鍍金屬的鉆頭功耗指標看不出有多大優越性。但是，圖5－27所示的曲線卻顯示，隨著功耗增大，兩者的磨損強度雖然都在增大，卻有較大的差距。未噴鍍金屬鉆頭的磨損程度明顯大于已噴鍍金屬的鉆頭。這一指標是影響生產實踐中鉆頭進尺(壽命)的非常重要的因素。對于深孔鉆進更是如此。

在生產條件下用59mm鉆頭鉆進Ⅸ～Ⅺ級巖石的平均鉆頭進尺為:不帶噴鍍金屬的金剛石鉆頭9.3m;帶噴鍍金屬的金剛石鉆頭12.1m。

因此，在鉆探工具中采用噴鍍金屬的人造金剛石是提高其使用效果的重要方法。

圖5－26 人造金剛石鉆頭在轉速1500r/min條件下鉆進功率與軸向載荷的關系

圖5－27 人造金剛石鉆頭磨損強度與鉆進功率的關系

(二)電磁分選法工藝及其提高人造金剛石強度的效果

人造金剛石中存在的金屬添加劑———雜質，不僅影響其強度，而且還影響其鐵磁性能。可以直接把少量人造金剛石顆粒置于磁場中，測出人造金剛石中的鐵磁雜質。雜質多的金剛石對較小的磁場強度就會有反應，反之雜質少的金剛石必須在更高的磁場強度下才能被挑選。據此，制造了138Г－СЭМ分選人造金剛石的電磁分選器，可把磁場強度調節到8.8×105A/m，從而直接分選出無磁的人造金剛石晶體。

對比在不同退火溫度下人造金剛石的鐵磁特性和強度特性指標表明，在原始人造金剛石中雖然存在著金屬雜質，但這部分物質往往處于無磁狀態。是在退火過程中使這些雜質獲得了鐵磁特征，而且這種鐵磁狀態的轉換會影響到金剛石的強度。

研究表明，分選單晶人造金剛石時分選器最合適的電流強度值為7.6×105A/m。在該條件下分選后的金剛石具有特別高的強度。

結晶學分析表明，實際上同一批金剛石中有磁和無磁部分在單晶和接合物的成分和顏色上并沒有差別(目視對比時有磁部分只是有些發暗，而且與雜質相對含量有關)，但在表面缺陷、外部雜質數量、裂紋和碎裂程度方面卻存在著明顯差別。

由AC125牌號無磁的原始人造金剛石制成的鉆探工具試驗結果見表5－16。

表5－16 БС20型鉆頭的生產試驗結果

可以看此，使用無磁人造金剛石做鉆頭，在Ⅶ～Ⅷ級巖石中可提高鉆頭進尺60%，在Ⅺ級巖石中可增加鉆頭進尺1.1倍。

實踐證明，引進人造金剛石磁性分選機可以明顯提高金剛石粉末的強度均勻性，從而極大地提高鉆頭壽命。所以，使用無磁人造金剛石來制造鉆頭是合理的。

批量生產的不同牌號和粒度的人造金剛石粉料經鐵磁分選后，具有強度均勻性好，耐熱性高的特點。可以把經鐵磁分選后的人造金剛石粉料用于制造適應不同條件下鉆進的孕鑲鉆頭。

表5－17中列舉了用上述方法獲得的粒度400/315金剛石粉料的基本特性。所有粉料在強度(P)、表面缺陷程度(Ka)、耐熱性(Kct)、顆粒形狀(KΦ)等方面都有顯著差異，而且粉料的強度均勻性(Kon)明顯增長(詳見本書第二章的表2－7)。

表5－17中的數據還顯示，在不同的每轉進尺和轉速條件下，鉆進指標(功耗N、單位體積破碎功Ay和軸向載荷Pz)與金剛石強度的關系。在金剛石強度增大的情況下，所有這些關系都呈現遞減的特性。即，功率消耗、單位體積破碎功和切削力都在下降，這正是我們鉆探工作者追求的目標。在這種情況下，我們注意到這樣的事實，使用原始粉料的鉆頭工作指標與用分選出的低強度金剛石所做鉆頭在一個水平上，而用高強度人造金剛石做的鉆頭在所有指標上都超過了用原始粉料的鉆頭。生產試驗的結果列于表5－18。

從試驗結果可以看出，用強度更大的均質金剛石做的鉆頭壽命提高了14%～50%，而機械鉆速增長并不明顯(甚至降低了10%)。

表5－17 用不同強度的原始金剛石和分選后的均質金剛石所做鉆頭的實驗試驗結果

表5－18 用不同強度的原始金剛石和分選后的均質金剛石所做鉆頭在Ⅶ～Ⅷ級巖石中生產試驗的結果

在相同的規程參數下鉆進速度有所提高，因而金剛石均質性和強度的升高不僅保證鉆頭壽命比用原始粉料的高，而且改善了孔底巖石破碎過程。

另外科研工作者還注意到，由于人造金剛石單晶具有不同的導電性能，所以制造破巖工具時應選擇最適宜具體使用條件和具體制造工藝的金剛石標號。為了使有磁性的人造金剛石粉料能保持較高的原始強度，最好把它們用于不必加熱的鉆頭制造工藝。電鍍法就適宜此特點，是很有前景的鉆頭制造方法之一。這時人造金剛石的導電性能將起重要作用。

胎體的金屬離子將同時堆積在金剛石上和鋼體端面上，以固定導電金剛石。這時在金剛石上發生的沉淀作用比鋼體上更強烈，從而形成了參差不齊的表面，有的地方深淺不同，并含有小孔眼和凸臺。

有磁金剛石中的鐵磁雜質基本上(50%～70%)分布在晶體內部，因此它們是不導電的。當胎體金屬離子在含有導電金剛石的鋼體上沉淀時，首先是增厚鋼體上的金屬，然后才是金剛石。在這種情況下，就可以得到平整的胎體表面，不會有深淺不同和小孔眼。

(三)用粘附活性材料提高人造金剛石在胎體中的固定強度

理論與實踐研究表明，使用機械性能好，對金剛石具有粘附活性的專用材料，不僅可增大鉆頭切削部分的金剛石飽和度，而且可同時調整金剛石顆粒的固定強度和胎體硬度，完全不必使用昂貴的鎢、碳化鎢、鈷等材料。

烏克蘭超硬材料研究所曾制成不含鎢的金剛石復合材料KIAM，其熔化溫度為900℃。為了保證金剛石顆粒與合金能很好地接觸，熔化在真空中進行。熔合的表面相互接觸可促使形成堅固的結合。KIAM是一種多用途的功能材料，其不同牌號的性能相互差別明顯。胎體的硬度可以在HRB75～HRC35之間變化。

為了獲得金剛石特性與胎體性能相互適應的體系，需要滿足兩個相反的要求:一是為了有效地傳遞載荷應保證兩者分界面上有可靠的連接;二是為了防止鉆頭胎體在孔底工作過程中遭受破壞，兩者分界面上所形成的反應區厚度又要盡量薄。制作胎體時，采用對金剛石具有活性粘附作用的專用材料，便可以滿足上述要求。這時兩者中間的碳化物層厚度不超出40～50nm(圖5－28)。

圖5－28 溫度對反應區厚度和金剛石－胎體連接強度的影響

在用銅浸漬法制造БА型鉆頭的過程中，采用粒徑250/200μm的細粒人造金剛石和以無鎢活性粘附材料KIAM為基礎的胎體粘結材料，可以使金剛石的出刃平均值達66μm。為了對比，我們引用參考文獻中給出的人造金剛石凸出于БС01型批量鉆頭(胎體用銅浸漬法制造，其主要成分為YG6硬質合金)的平均值。關于金剛石數量分布與出刃大小的關系見圖5－29。

圖5－29 АС50金剛石在БС01和БА鉆頭胎體出刃的分布情況

圖5－30、圖5－31給出了由KIAM和YG6硬質合金胎體材料制成的鉆頭破碎花崗巖的功耗和胎體磨損強度的結果。用兩種材料制成的鉆頭胎體具有類似的變化曲線，破巖功耗都隨機械鉆深增大而減小，磨損強度則呈相反的趨勢。但用新型復合材料KIAM胎體的這兩項性能均優于傳統的YG6硬質合金胎體。

圖5－30 在每轉進深恒定為60μm，機械鉆速各異的條件下，БА和БС01鉆頭破碎花崗巖的功耗

圖5－31 在每轉進深恒定為60μm的條件下，БА和БС01鉆頭金剛石層的磨損強度與機械鉆速的關系

對比直徑59mm的БА10鉆頭(用KIAM材料)和БС01鉆頭(用YG6材料)生產試驗結果(表5－19)，可以看出，用KIAM材料制造胎體的鉆頭使用效果優于含鎢胎體的鉆頭性能。在鉆進同一級別巖石的生產實踐中，前者比后者的平均鉆頭進尺提高了45%，而平均機械鉆速提高了30%，對于堅硬的Ⅸ～Ⅹ級巖石而言，其鉆探指標是令人滿意的。

表5－19 生產條件下的鉆頭試驗結果

分析上述數據可以得出結論，通過對人造金剛石進行補充加工的辦法(金屬噴鍍，電磁分選等)可提高鉆探工具的使用效果;同時利用粘附活性合金材料作為胎體，可保持胎體中的金剛石用到完全磨損為止。所有這些措施，包括用電鍍方法制造鉆探工具，都可最大限度地使人造金剛石粉料得到充分利用。