关于胎体材料的合理选择
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发布时间：2022-04-29 19:43
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时间：2022-06-22 00:36
对于孕镶金刚石钻头而言，决定其使用效果的主要因素是钻头胎体。钻头胎体是由胎体材料和包镶在其中的金刚石组成的。国内外的金刚石钻探经验表明，孕镶钻头的使用效果在很大程度上取决于胎体的耐磨性是否与所钻岩石的研磨性相适应。
为具体地质条件选择岩石破碎工具时，人们往往只看重其单一的胎体材料特性———硬度指标，实际上经常用到的这个硬度指标仅仅反映了钻头工作唇面被测点上的硬度信息。如果仅根据这个指标，通常不可能正确选择适于特定钻进条件的胎体。因为根据胎体唇面的硬度值，只能判断钻头的制造质量。在研磨磨损条件下，纯金属材料的硬度和其耐磨性之间有很好的相关关系。但钻头胎体不是纯金属材料，它是含金刚石的复合材料。经验证明，对于复合材料来说，这种相关关系只能间接得到证实，而且还取决于胎体的若干其他结构参数。
业已确定，被钻岩石对金刚石工具的磨损作用应从两个方面来研究:
(1)在金刚石与岩石的连续接触过程中，岩石对金刚石的磨损作用;
(2)在金刚石破碎岩石的过程中，破碎下来的岩屑对胎体材料的磨损作用。
孕镶钻头的工作原理在于自磨出刃。在钻进过程中，第一层的金刚石磨完了之后，下一层的金刚石又投入工作。
为了研究钻头胎体，首先要明确胎体成分和结构最优的标准。我们认为，胎体成分和结构最优的标准是，胎体金刚石在孔底发挥切削作用的效果最好。具体表现为由孔底破碎下来的岩屑颗粒最大，没有发生重复破碎。从这个观点出发，在孔底表面与钻头胎体之间应有间隙和通道，以利于岩屑无障碍地被排出。但在钻进过程中随着金刚石被磨损，胎体材料和岩石之间的初始间隙逐渐减少。
随着金刚石之间的空间被充填，岩屑颗粒将同时与胎体材料和孔底接触。聚集在孔底的岩屑层只有当钻头水口旋转到其上方时，才能被冲洗液带至地表。
当金刚石出刃很小时，岩屑将被挤压在胎体端面与岩石之间，而在金刚石前面的岩屑将严重被压实。在这种情况下，钻头将悬浮在岩屑上，岩屑对胎体材料的研磨强度增大，因此孔底与钻头胎体之间很快又恢复到初始的间隙大小。当钻进条件稳定下来后，这个过程便会进入岩屑颗粒连续作用于胎体材料的动平衡。
选择胎体材料时应考虑两点:一是正确估计其耐磨性，二是确定岩屑颗粒的磨蚀性。此外，还应正确认识示意图中各方框之间的相互关系(图5－7)。
图5－7 根据钻头使用条件选择适用胎体材料的原则
为了保证孕镶金刚石钻头能正常破碎岩石，必须保障金刚石在整个钻进过程中有均匀出刃，并使其在胎体上的出刃量最优。即必须使金刚石的磨损强度与其胎体材料能承受的磨损强度一致。如果胎体材料的磨损强度低于金刚石的磨损强度，则导致工作唇面被“抛光”;如果胎体材料的磨损强度大于金刚石的磨损强度，则造成金刚石出刃过大并导致其从胎体上崩裂。上述两种情况，都违背了孕镶钻头的基本工作原理，从而降低钻头的经济指标。
为了消除这类现象，应选用具有不同耐磨性的胎体材料。在大多数情况下，单晶人造金刚石孕镶钻头的胎体都是在惰性气体保护下用粉末冶金(热压法或浸渍法)方法制造的，胎体中含有难熔金属粉末(或它们的共生体)和粘结金属(或粘结合金)。通过调节胎体中加入的颗粒成分和粒度，可在一定范围内改变胎体的耐磨性。
工业化批量生产的钻头胎体几乎100%都是用碳化钨粉末制成(表5－2，表5－3)。
表5－2 独联体国家用浸渍法制造钻头的胎体组成(单位:%)
注:骨架材料与浸渍合金的体积比为1∶1。
尽管目前钻头的胎体成分品种繁多，应用领域也很广泛，但最迫切的任务仍是寻找新的胎体配方，以保证高的耐磨性和钻进效率。
大部分金刚石钻探工具制造公司为了预防钻进坚硬、弱研磨性岩石时钻头被抛光，通常采用软胎体或低硬度的胎体。用这类胎体可较好地保证金刚石颗粒的出露和出刃，从而有利于金刚石吃入岩石。
表5－3 国外用浸渍法制造钻头的胎体组成(单位:%)
可通过以下途径来改变胎体的硬度:
(1)胎体材料的主要成分。用含15%和20%钴的YG15或YG20硬质合金粉料代替含94%碳化钨和6%钴的硬质合金粉料YG6。
(2)改变铜在胎体中的含量。因为浸渍时铜会填满金刚石－硬质合金粉料中的孔隙，使压制过程中胎体的孔隙率发生变化，从而改变胎体性能。
(3)改变胎体中其他硬填料的成分。例如使用列立特硬质合金颗粒。
通过实验室研究业已确定，由于使用YG15和较低的压制力(不大于2.5kN/cm2)可使胎体硬度适当降低。虽然胎体硬度并非总能反映它的耐磨性，但是在其他条件相等的情况下，硬度较小的胎体磨损得更快。在这种情况下金刚石出露更好，且出刃最大。钻进坚硬的研磨性岩石时，这种钻头可能导致金刚石崩断和破坏;但在钻进低研磨性岩石时，可减少钻头端部被抛光的可能性并更好地保持钻头的工作状态。
用具有不同硬度(18HRC，25HRC和30HRC)胎体的钻头进行的生产试验表明，较低硬度的胎体在可钻性Ⅸ～Ⅺ级的坚硬、弱研磨性岩石中具有很好的应用前景。随着胎体硬度增大，在钻头进尺相等的情况下，金刚石钻头的机械钻速由18HRC的2.7m/h降到30HRC的1.5m/h。但这时在胎体硬度较低的钻头扇形块上出现了胎体材料被剥落的现象。
