高磷_硼铁基胎体性能研究及应用

2011年4月 第2期第31卷 总第182期
金刚石与磨料磨具工程
D ia m ond&A brasives Eng i nee ri ng
A pr.2011
N o.2 V o.l31 Seria.l182
文章编号:1006-852X(2011)02-0031-04
高磷-硼铁基胎体性能研究及应用
王 恒1,3 杨 展2 杨 洋1
(1.中国地质大学研究生院,武汉430074)
(2.中国地质大学机械与电子信息工程学院,武汉430074)
(3.河南省亚龙金刚石制品有限公司,郑州450001)
摘要 本文试验研究了高磷-硼铁基胎体材料的性能,采用混料回归试验设计方法,对试验结果进行了回归分析和非线性规划求解,得到了胎体硬度及耐磨性与胎体成分及其含量之间的回归模型,并得出优化配方。

试验结果表明:随着磷-硼铁合金粉含量的增加,胎体的硬脆性相应有了提高,镍与钴金属对胎体硬度与耐磨性有明显影响,而增加663铜合金粉含量时硬度有降低趋势。

这些规律为依据不同岩石设计钻头配方奠定了良好的基础。

同时,针对可钻性9级岩石,采用试验研究的4号配方试制了钻头,并进行了生产性钻进试验,获得了钻进时效1.80m/h、钻头寿命60.65m/个的良好效果。

关键词 配方均匀设计;高磷高硼铁合金;硬脆性胎体
中图分类号 TG74 文献标识码 A DO I编码 10.3969/.j issn.1006-852X.2011.02.007
Study on the perform ance of high phosphor boron iron
based m atrix and their app licati on
W ang Heng1,3 Yang Zhan2 Yang Yang1
(1.Graduate School,China Un i v ersit y of G eosciences,Wuhan430074,China)
(2.F acult y of M echanical&E lectron ic Infor m ation,China University o f Geosciences,
Wuhan430074,China)
(3.H enan Yalong D iam ond Tools Co.,L t d.,Zhengzhou450001,Ch i n a)
Abstract The property o f h i g h phosphor boron ir on based m atrix for dia m ond b it w as tested i n th i s paper.
Regressi o n m ethod w as adopted for m i x turi n g,the resu lts w as ana lyzed via regressi o n analysis and non li n ear pr ogra mm ing,so that t w o regression m odels o f m atri x hardness and m atri x wear resistance w ith m atri x co m positi o ns w ere obta i n ed,an opti m ized m atrix for mu la w as estab lished.The resu lts de m onstrated that the m atrix beca m e har der and m ore brittle than before w ith t h e i n crease of the a m ount of phosphor bo r on iron alloy.
The values o f the m atrix hardness and w ear resistance w ere i n creased w it h i n creasing n icke l and cobalt conten.t W hile in case of using663 bronze po w der as additi v e,the hardness of the b it tended to decrease.D ia m ond b it of t h e sa m p le No.4w as spec iall y m ade for the rock for m ati o n o f drillab ility rank9to perfor m t h e field tests.The resu lts indicated that the drilli n g speed w as1.80m/h and the average serv ice life reached60.65m.
Keywords m ixture regressi o n desi g n;phosphor boron ir on a lloy;har d and brittle m atrix
金刚石与磨料磨具工具总第182期
0 前言
随着地质勘探逐步向地层深部发展,岩石的硬度将越来越高,岩石的研磨性将越来越强,岩层也将越来越复杂,对金刚石钻头的性能与品种提出了越来越高的要求。

本论文从钻头的胎体材料入手,重点研究了含较高磷-硼的铁基胎体材料,并利用该材料研制热压金刚石钻头,期望提高钻头对岩层的适应性,特别是对于坚硬致密岩石有好的钻进效果,同时能够有效降低钻头的成本,提高钻头的性价比。

普通的热压金刚石钻头的胎体主要成分是碳化钨和663 Cu合金,高磷-硼铁基胎体则以含磷-硼的铁合金,替代全部或大部分碳化钨作为金刚石钻头的主要胎体材料,通过加入和调整镍、钴、钛、锰以及稀土元素等材料的含量,使得所形成的高磷-硼铁基胎体合金性能满足深孔硬岩岩心钻探的要求[1,5]。

1 胎体性能研究方法
热压金刚石钻头胎体的性能是决定钻头适应岩层能力和钻进效果的关键。

胎体的性能包括硬度、耐磨性、抗弯强度以及抗冲击韧性等,其中以硬度和耐磨性对钻进效果的影响最为显著和重要[1],本文主要试验研究胎体的硬度与耐磨性。

影响胎体性能的主要因素是胎体合金的成分与热压工艺,设计与研究胎体性能的常规方法是凭借经验,利用增减胎体成分及其含量,达到改变胎体的硬度与耐磨性的目的。

常规设计方法没有把岩石性质、胎体性能以及钻进参数综合起来试验研究,因此,胎体性能总是难以满足钻进的要求,胎体配方的调整试验的周期较长;而且随着岩性变化,需要频频调整胎体性能,试验研究的工作量很大。

胎体性能的研究方法中多采用混料回归试验设计方法和配方均匀设计方法,对于混料回归设计中的极端顶点法设计金刚石钻头胎体配方试验,其试验点在试验范围内的分布均匀程度稍差,即在试验边界上的试验点较多,而且诸多因素中的某些水平常出现重复试验,经回归分析和非线性规划求解,得到的胎体硬度及耐磨性与胎体配方各组分之间的变化规律明显性稍差[1,2]。

有约束的配方均匀设计方法可以使试验点在试验范围内尽可能的均匀分散,每个因素的每个水平仅有一次试验,有效克服了极端顶点设计方法的不足[1,2]。

但是,对于多因素试验研究胎体配方,混料回归试验设计方法比均匀配方设计方法要简单、实用。

因此,本论文采用混料回归试验设计方法研究胎体成分及其配比,从宏观上掌握胎体配方与胎体性能之间的变化规律。

1.1 胎体配方设计
热压金刚石钻头胎体的试验研究包括两部分,即胎体的成分与配比以及热压工艺参数。

经过多次试验研究,初步认识到影响胎体性能的主要因素是磷铁合金、碳化钨、铜合金以及金属镍、钴等金属材料及其含量,在试验中它们可以作为单独因素考虑;而钛、锰等材料的含量低且在较小的范围内变化,试验与实践中可以与硅、铬、稀土元素等作为一个因素考虑,选择混料回归设计后,既可以简化试验次数,又能够达到试验研究目的[4、6]。

这样,本试验就是一个5因素的混料回归试验设计,胎体成分的取值范围,见表1。

表1 胎体配方成分取值范围
成分取值范围质量分数
Fe P(Fe B)(x1)0.38 x1 0.54Fe P6%,Fe B5%,Fe89%
W C(x2)0.12 x2 0.25
Cu Sn Re合金(x3)0.22 x3 0.32Cu89%,Sn10%,Re1%
N i C o(x4)0.09 x4 0.16N i67%,Co33%
M n T i S i等(x5)0.05 x5 0.12M n40%,T i50%,S i10%
热压工艺对于胎体性能会产生影响,其中影响明显的是烧结温度、压力和保温时间。

因此,在钻头胎体性能的研究中,烧结温度、压力与保温时间必须纳入设计因素中[1]。

在高温下,铁对金刚石有一定的热损伤,所以应采用快速烧结并适当缩短保温时间的工艺。

在该试验中,烧结工艺设计为:烧结温度960 、压力16 M Pa、保温时间3m i n。

这种热压工艺组合是经过多次试验与分析后确定下来的,因而是合理的,完全能够保证胎体性能满足钻进中的复杂受力条件的要求。

按照混料回归试验设计方法,采用极端顶点法可以得出不同的试验组合,最后可以得到如表2所示的混料回归试验设计表。

32
第2期王 恒等:高磷-硼铁基胎体性能研究及应用表2 混料回归试验设计试验组合与试验指标值
实验号
x1
(Fe)
x2
(WC)
x3
(Cu合金)
x4
(N i Co)
x5
(M n T i)
y
1
冲击韧性
(J/c m2)
y2磨损量
(m g)
y3硬度
(H RC)
10.520.120.220.090.055.138037
20.450.120.220.090.125.540036.5
30.450.120.220.160.055.937038
40.420.120.320.090.055.245035.5
50.390.250.220.090.056.039036.5
60.380.250.230.090.056.140036
70.380.250.220.100.054.839037
80.380.250.220.090.064.940036.5
90.380.190.220.090.125.743036 100.380.190.220.160.055.643036.5 110.380.160.320.090.055.946032 120.380.120.290.090.125.444031 130.380.120.290.160.055.942033 140.380.120.220.160.125.343034 150.380.120.320.130.054.945032 160.380.120.320.090.095.446030
试验设计完成后,还应该检验极端顶点数是否满足回归设计的要求,本试验研究有5个因素,需要定出C15+C25=15个未知回归系数,试验设计表中有16种不同组合,能够满足回归要求,不需要补充由极端顶点构成的面和体的中心作为的试验点。

1.2 试验过程
1.2.1 试样制备
依据测试设备要求,试样规格尺寸为15mm 8.5 mm 8.5mm。

按照表2中的16个试验组合配比分别称取金属粉末,在球磨机上混合24h,然后,按计算的粉末重量称量后装入石墨模具,在M-100A自动烧结机上烧结试样。

烧结规程为:温度为960 ,压强16 M Pa,保温3m in。

1.2.2 胎体性能测试结果
胎体试样经砂纸打磨、抛光处理后,在HR-150A 型洛氏硬度计上测定洛氏硬度,载荷为980N,在试样的上、下受压面各测3个点,每种配方有两个试样,一共测12个点求平均值。

胎体耐磨性在M PX-2000型摩擦磨损试验机上
测试,以试样磨损前后的质量差,即失重来衡量。

测试条件为:试块与80目的白刚玉砂轮对磨10m i n;载荷800N;试块回转线速度为2.2m/s。

取出清洗与烘干后,在读数精度为1/100的电子天平上称量试样的失重。

按照上述试验方法,得到的胎体硬度、耐磨性和抗冲击韧性的测试结果,见表2。

2 试验结果分析
2.1 回归分析
由金刚石工具胎体配方的约束条件可知,混料回归试验设计的回归模型不同于一般回归设计中所采用的数学模型,它没有常数项与平方项,只有一次项和交互项[1]。

用MATLAB软件中的nlinfit函数对表2中数据进行非线性回归分析,建立起硬度、耐磨性和冲击韧性同配方各组分的回归模型如公式(1)、公式(2)和公式(3)所列。

y y=-22.4221x1+124.2504x2-191.608x3 +3330.3168x4+182.1052x5-82.0111x1x2+712.83x1x3-621.544x1x4+68.7818x1x5-131.91x2x3+49.653x2x4 +9.9701x2x5-86.2448x3x4-542.594x3x5-332.958x4x5
(1)
y m=-143.905x1-823.602x2+2256.507x3 +8138.781x4-2414.51x5+1390.686x1x2-930.203x1x3 -4604.23x1x4+3603.111x1x5+939.6351x2x3-7841.34x2x4+8825.329x2x5-19513.5x3x4+ 1234.832x3x5-7419.63x4x5(2) y c=-17.7526x1-46.958x2-8.8976x3+101.71x4 -15.3095x5+149.0195x1x2+61.1062x1x3-198.039x1x4 +96.4782x1x5+3.2576x2x3-21.3671x2x4-7.0809x2x5 -47.8959x3x4-26.8243x3x5-52.6066x4x5(3)通过对以上回归方程进行的显著性检验,从胎体硬度、耐磨性和抗冲击韧性的F统计值,均表现为高度显著,表明了试验结果具有较好的可靠性。

2.2 配方优化
为了找出对应于特定胎体性能的最优胎体配方,在满足各组分的含量范围以及百分比总量为1的条件下,需要求出条件极值m ax y y以及m i n y m。

这里用MATLAB中的约束非线性规划函数f m incon进行配方的优化,分别得到最优的硬度和耐磨性预测值及相应的配方含量组合,见表3所列[2,3]。

试验胎体的抗冲击韧性很高,完全能够满足钻探的要求,这里不做过多的分析。

33
金刚石与磨料磨具工具总第182期
表3 优化配方及预测值
预测值x
1
x2x3x4x5硬度/H RC38.11110.48050.12000.25950.09000.0500耐磨性/m g379.99960.52000.12000.220000.09000.0500 从优化值和对应的胎体配方分析,胎体硬度和耐磨性所对应的胎体成分含量很接近,WC含量、N i Co 含量以及M n T i等含量完全一致,而Fe P含量与Cu Sn含量均相差4%。

这说明优化值所对应的配方具有较好的规律性和可调节性。

当需要较多考虑胎体的硬度时,可以选择硬度优化值所对应的配方,而当需要较多考虑胎体的耐磨性时,可以选择耐磨性优化值所对应的配方。

因此,在生产实际中,可根据表2中各因素的含量,针对不同岩层情况选择和调整胎体相应的硬度与耐磨性的配方,适应和满足不同岩层钻进的需要。

3 钻头试验与分析
3.1 钻头试验
钻头试验在江西某矿区进行,岩石为可钻性9级、中-细粒含黑云母二长花岗岩,具有较强研磨性,钻头的性能应该选择硬胎体、中等耐磨性的钻头;依据研究得出的胎体成分对胎体性能的影响规律,选择表2中的第4号配方作为胎体基本配方,热压工艺为:压力16M Pa,烧结温度960 ,保温时间4m i n;金刚石参数为:品级S MD25;粒度45/50占60%,50/60占40%,浓度85%。

设计并试制了 75mm金刚石钻头两个,进行野外生产试验,以检验高磷-硼铁基胎体金刚石钻头的实际钻进性能。

试验钻头的条件:钻机为XY-4型,钻进压力10~11 k N,钻头转速574r/m in,洗井液量45~50L/m i n。

3.2 试验结果分析
钻头试验结果,见表4。

表4 钻头野外钻进数据
钻头编号回次数总进尺/m钻时/h机械钻速/(m/h) 11962.8535.711.76
21858.4531.771.84
平均-60.6533.741.80
由表4可知,该试制的金刚石钻头的平均钻进时效达1.80m/h,平均工作寿命达60.65m/个,而该工地使用的湖南某钻头厂的W C基胎体金刚石钻头的钻进时效平均只有1.53m/h,工作寿命只有56.47m。

相比较,磷-硼铁基胎体金刚石钻头的钻进时效提高了约25%,钻头使用寿命提高了约15%。

由此可知,磷-硼铁基胎体是热压金刚石钻头的一种新型胎体材料,完全能满足地质钻探的要求。

4 结论
通过对高磷-硼铁基胎体金刚石钻头的试验研究,可以得出以下几点结论:
(1)采用混料回归试验设计方法试验研究胎体的性能,是一种先进的方法,得出的随胎体成分与配比改变对胎体性能变化的影响规律,可以作为研制热压金刚石钻头的设计依据。

(2)在试验范围内,胎体合金的硬度可达HRC30 ~HRC38,其耐磨性能可达到380~460mg,能够满足钻进大多数岩石的要求;钻探实践表明,胎体的抗冲击韧性、抗弯强度、抗压强度均能够满足地质钻探的要求。

(3)磷-硼铁基合金的含量对胎体性能的影响明显,随着磷-硼铁合金含量增加,胎体的硬度呈上升趋势,其脆性也有一定程度的上升;钻进实践表明,胎体的硬脆性提高有利于金刚石出刃,即有利于提高钻进速度,特别有利于钻进硬而致密的岩石。

镍、钴与锰含量增加,胎体的硬度也相应有所增加,耐磨性得到提高。

(4)试验结果还表明,高磷-硼铁基合金是一种性能良好的金刚石钻头胎体材料,且铁基热压金刚石钻头是一种成本较低,具有一定广谱性能的金刚石钻头。

参考文献
[1] 杨凯华,段隆臣,汤凤林等.新型金刚石工具研究[M].中国地质
大学出版社,2001
[2] 方开泰等.均匀设计与均匀设计表[M].北京:科学出版社,1994
[3] 方开泰等.实用回归分析[M].北京:科学出版社,1988
[4] 方小红,潘秉锁,杨凯华.极端顶点设计在热压金刚石工具胎体配
方试验中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2008(2):33-36 [5] 杨洋,潘秉锁,杨凯华.热压铁基金刚石钻头胎体性能及钻进试验
研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2009(2):41-43
[6] 杨展,汤凤林.钢结硬质合金型胎体性能及其热压金刚石钻头研
究[J].金刚石与磨料磨具工程,2008(6):37-40
作者简介
王恒,男,中国地质大学博士研究生,研究方向为金刚石应用技术。

E-m a i:l wheng@v
(修回日期:2011-02-22)
(编辑:张 慧)
34。