提高人造金刚石在钻头中的使用效果

金刚石钻头破碎岩石过程的效果取决于以下两个方面因素的相互作用:一是金刚石与胎体，二是金刚石与岩石。近三十年来，随着人造金刚石硬岩钻探技术在国内外普及，广大科研工作者和工作在生产第一线的工程师们曾对后者———单粒金刚石与岩石的相互作用，进行过大量而深入的研究。但关于前者———金刚石与胎体的相互作用及其对钻进效果的影响，却研究得很少。

如前所述，在所有情况下，为了破碎岩石金刚石都应首先切入岩石一定的深度。但由人造金刚石制造工艺所决定，在人造金刚石晶体内部必然存在着一定的“先天”缺陷，例如，存在着气孔和含有催化－添加剂的金属溶剂杂质。第一种缺陷(气孔)将影响金刚石的初始强度，而第二种缺陷(含有杂质)将影响钻头烧结过程中(温度达800℃以上)金刚石的最终强度。

可以通过以下途径来消除或削弱这些缺陷对人造金刚石强度的影响:

(1)金刚石表面金属喷镀;

(2)对原始金刚石粉料进行电磁分选;

(3)用活性粘结材料制造胎体。

(一)金属喷镀法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

业已确定，金属包覆可提高金刚石的初始强度，在一定程度上防止钻头烧结过程中金刚石受高温的影响，其表皮将起到导热和减振作用。

研究表明，所用的胎体材料越坚硬，金刚石颗粒越容易发生碎裂，如果胎体为硬度50～70HRC的复合材料，则金刚石颗粒发生碎裂的可能性特别大。金刚石颗粒发生碎裂的原因之一是胎体的刚度，因为在这种胎体中金刚石颗粒承受动载的能力很差。

提高钻头工作能力的途径之一是在金刚石上喷镀一层较软的金属，使其颗粒能经受大的动载而不被破坏。

金属喷镀常用钛、钒和铬、钼金属，而最有前景的是金属钼。这种金属能与金刚石中的碳形成高强度、低脆性的碳化物金相。它具有相当低的热膨胀系数，使其比钼包覆层的热应力更小。

金属喷镀包覆与金刚石的接合强度取决于在金刚石和金属之间形成的碳化物薄层厚度(图5－24)。随着碳化物薄层厚度增大，接合强度也增大。但如果厚度增大至80μm以上则效果不明显。

图5－25给出了工具耐磨性与金刚石同包覆层接合强度的关系。可以看出，随着接合强度增大，工具的耐磨性增强。在实验室和生产条件下所获得的关系特征是一样的，只是由于生产条件下情况更复杂，所以耐磨性的增长略缓一些。

图5－24 碳化物薄层厚度与接合强度的关系

图5－25 使用喷镀金属金刚石的钻头相对耐磨性

曾用已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石制造36mm钻头，并用于在实验室条件下钻进花岗岩的试验，结果如图5－26、图5－27所示。可以看出，随着轴向载荷增大，已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石钻头功耗同步增大，但在低钻压条件下，未喷镀金属的钻头功耗是的1.5倍，而在较高钻压条件下，两者已基本没有差距。也就是说，如果按生产条件下的钻压值得，则已喷镀金属的钻头功耗指标看不出有多大优越性。但是，图5－27所示的曲线却显示，随着功耗增大，两者的磨损强度虽然都在增大，却有较大的差距。未喷镀金属钻头的磨损程度明显大于已喷镀金属的钻头。这一指标是影响生产实践中钻头进尺(寿命)的非常重要的因素。对于深孔钻进更是如此。

在生产条件下用59mm钻头钻进Ⅸ～Ⅺ级岩石的平均钻头进尺为:不带喷镀金属的金刚石钻头9.3m;带喷镀金属的金刚石钻头12.1m。

因此，在钻探工具中采用喷镀金属的人造金刚石是提高其使用效果的重要方法。

图5－26 人造金刚石钻头在转速1500r/min条件下钻进功率与轴向载荷的关系

图5－27 人造金刚石钻头磨损强度与钻进功率的关系

(二)电磁分选法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

人造金刚石中存在的金属添加剂———杂质，不仅影响其强度，而且还影响其铁磁性能。可以直接把少量人造金刚石颗粒置于磁场中，测出人造金刚石中的铁磁杂质。杂质多的金刚石对较小的磁场强度就会有反应，反之杂质少的金刚石必须在更高的磁场强度下才能被挑选。据此，制造了138Г－СЭМ分选人造金刚石的电磁分选器，可把磁场强度调节到8.8×105A/m，从而直接分选出无磁的人造金刚石晶体。

对比在不同退火温度下人造金刚石的铁磁特性和强度特性指标表明，在原始人造金刚石中虽然存在着金属杂质，但这部分物质往往处于无磁状态。是在退火过程中使这些杂质获得了铁磁特征，而且这种铁磁状态的转换会影响到金刚石的强度。

研究表明，分选单晶人造金刚石时分选器最合适的电流强度值为7.6×105A/m。在该条件下分选后的金刚石具有特别高的强度。

结晶学分析表明，实际上同一批金刚石中有磁和无磁部分在单晶和接合物的成分和颜色上并没有差别(目视对比时有磁部分只是有些发暗，而且与杂质相对含量有关)，但在表面缺陷、外部杂质数量、裂纹和碎裂程度方面却存在着明显差别。

由AC125牌号无磁的原始人造金刚石制成的钻探工具试验结果见表5－16。

表5－16 БС20型钻头的生产试验结果

可以看此，使用无磁人造金刚石做钻头，在Ⅶ～Ⅷ级岩石中可提高钻头进尺60%，在Ⅺ级岩石中可增加钻头进尺1.1倍。

实践证明，引进人造金刚石磁性分选机可以明显提高金刚石粉末的强度均匀性，从而极大地提高钻头寿命。所以，使用无磁人造金刚石来制造钻头是合理的。

批量生产的不同牌号和粒度的人造金刚石粉料经铁磁分选后，具有强度均匀性好，耐热性高的特点。可以把经铁磁分选后的人造金刚石粉料用于制造适应不同条件下钻进的孕镶钻头。

表5－17中列举了用上述方法获得的粒度400/315金刚石粉料的基本特性。所有粉料在强度(P)、表面缺陷程度(Ka)、耐热性(Kct)、颗粒形状(KΦ)等方面都有显著差异，而且粉料的强度均匀性(Kon)明显增长(详见本书第二章的表2－7)。

表5－17中的数据还显示，在不同的每转进尺和转速条件下，钻进指标(功耗N、单位体积破碎功Ay和轴向载荷Pz)与金刚石强度的关系。在金刚石强度增大的情况下，所有这些关系都呈现递减的特性。即，功率消耗、单位体积破碎功和切削力都在下降，这正是我们钻探工作者追求的目标。在这种情况下，我们注意到这样的事实，使用原始粉料的钻头工作指标与用分选出的低强度金刚石所做钻头在一个水平上，而用高强度人造金刚石做的钻头在所有指标上都超过了用原始粉料的钻头。生产试验的结果列于表5－18。

从试验结果可以看出，用强度更大的均质金刚石做的钻头寿命提高了14%～50%，而机械钻速增长并不明显(甚至降低了10%)。

表5－17 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头的实验试验结果

表5－18 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头在Ⅶ～Ⅷ级岩石中生产试验的结果

在相同的规程参数下钻进速度有所提高，因而金刚石均质性和强度的升高不仅保证钻头寿命比用原始粉料的高，而且改善了孔底岩石破碎过程。

另外科研工作者还注意到，由于人造金刚石单晶具有不同的导电性能，所以制造破岩工具时应选择最适宜具体使用条件和具体制造工艺的金刚石标号。为了使有磁性的人造金刚石粉料能保持较高的原始强度，最好把它们用于不必加热的钻头制造工艺。电镀法就适宜此特点，是很有前景的钻头制造方法之一。这时人造金刚石的导电性能将起重要作用。

胎体的金属离子将同时堆积在金刚石上和钢体端面上，以固定导电金刚石。这时在金刚石上发生的沉淀作用比钢体上更强烈，从而形成了参差不齐的表面，有的地方深浅不同，并含有小孔眼和凸台。

有磁金刚石中的铁磁杂质基本上(50%～70%)分布在晶体内部，因此它们是不导电的。当胎体金属离子在含有导电金刚石的钢体上沉淀时，首先是增厚钢体上的金属，然后才是金刚石。在这种情况下，就可以得到平整的胎体表面，不会有深浅不同和小孔眼。

(三)用粘附活性材料提高人造金刚石在胎体中的固定强度

理论与实践研究表明，使用机械性能好，对金刚石具有粘附活性的专用材料，不仅可增大钻头切削部分的金刚石饱和度，而且可同时调整金刚石颗粒的固定强度和胎体硬度，完全不必使用昂贵的钨、碳化钨、钴等材料。

乌克兰超硬材料研究所曾制成不含钨的金刚石复合材料KIAM，其熔化温度为900℃。为了保证金刚石颗粒与合金能很好地接触，熔化在真空中进行。熔合的表面相互接触可促使形成坚固的结合。KIAM是一种多用途的功能材料，其不同牌号的性能相互差别明显。胎体的硬度可以在HRB75～HRC35之间变化。

为了获得金刚石特性与胎体性能相互适应的体系，需要满足两个相反的要求:一是为了有效地传递载荷应保证两者分界面上有可靠的连接;二是为了防止钻头胎体在孔底工作过程中遭受破坏，两者分界面上所形成的反应区厚度又要尽量薄。制作胎体时，采用对金刚石具有活性粘附作用的专用材料，便可以满足上述要求。这时两者中间的碳化物层厚度不超出40～50nm(图5－28)。

图5－28 温度对反应区厚度和金刚石－胎体连接强度的影响

在用铜浸渍法制造БА型钻头的过程中，采用粒径250/200μm的细粒人造金刚石和以无钨活性粘附材料KIAM为基础的胎体粘结材料，可以使金刚石的出刃平均值达66μm。为了对比，我们引用参考文献中给出的人造金刚石凸出于БС01型批量钻头(胎体用铜浸渍法制造，其主要成分为YG6硬质合金)的平均值。关于金刚石数量分布与出刃大小的关系见图5－29。

图5－29 АС50金刚石在БС01和БА钻头胎体出刃的分布情况

图5－30、图5－31给出了由KIAM和YG6硬质合金胎体材料制成的钻头破碎花岗岩的功耗和胎体磨损强度的结果。用两种材料制成的钻头胎体具有类似的变化曲线，破岩功耗都随机械钻深增大而减小，磨损强度则呈相反的趋势。但用新型复合材料KIAM胎体的这两项性能均优于传统的YG6硬质合金胎体。

图5－30 在每转进深恒定为60μm，机械钻速各异的条件下，БА和БС01钻头破碎花岗岩的功耗

图5－31 在每转进深恒定为60μm的条件下，БА和БС01钻头金刚石层的磨损强度与机械钻速的关系

对比直径59mm的БА10钻头(用KIAM材料)和БС01钻头(用YG6材料)生产试验结果(表5－19)，可以看出，用KIAM材料制造胎体的钻头使用效果优于含钨胎体的钻头性能。在钻进同一级别岩石的生产实践中，前者比后者的平均钻头进尺提高了45%，而平均机械钻速提高了30%，对于坚硬的Ⅸ～Ⅹ级岩石而言，其钻探指标是令人满意的。

表5－19 生产条件下的钻头试验结果

分析上述数据可以得出结论，通过对人造金刚石进行补充加工的办法(金属喷镀，电磁分选等)可提高钻探工具的使用效果;同时利用粘附活性合金材料作为胎体，可保持胎体中的金刚石用到完全磨损为止。所有这些措施，包括用电镀方法制造钻探工具，都可最大限度地使人造金刚石粉料得到充分利用。