摘要
为提高金刚石钻头钻进钢筋混凝土、强磨性岩层的钻进效率，选择了一种耐磨性高、冷压成型好的铁预合金粉。本文设计了铁基胎体配方，研究了铁基预合金粉、Cu、Ni、Co各成分对铁基金刚石钻头胎体及钻进性能的影响。测试了不同配方下烧结试样的抗拉强度、三点抗弯强度和硬度，使用扫描电镜对断口进行微观分析，通过现场钻进实验测试钻头的钻进效率与寿命。同时分析了保温时间对铁基胎体力学性能的影响。结果表明：Cu、Ni、Co对铁基胎体的抗弯强度和硬度影响较大，且保温时间为5 min时，铁基胎体可以获得较好的力学性能。
传统的热压金刚石钻头胎体是WC基胎体，胎体材料主要包含WC、Co、Ni等金属材料。但是目前这几种材料价格上涨，导致金刚石钻头成本显著增加。并且传统金刚石钻头胎体成分基本上采用单质金属粉末，预合金粉与单质金属粉相比有很多的优点，例如热压温度较低，烧结压力较低等，所以得到广大从事金刚石工具研究人员的重
选用铁预合金粉末作为金刚石钻头胎体材料，铁基胎体配方包括4种材料，分别是铁预合金粉和适量纯铜粉，同时添加了适量纯镍和纯钴。Ni主要用来提高胎体强度和耐磨性。Co在钻头胎体中是不可缺少的粘结相，易烧结，使颗粒相互靠拢，可促进胎体的收缩致密化过
金刚石浓度的选择与所钻岩层关系密切，谢德
其中将传统的WC基金刚石钻头胎体通用配方作为第10种配方：WC45%、Mn5%、Co10%、Ni10%、CuSn10 30%，金刚石浓度设计为20%（100%制，粒度为40/45）。
试样分为2类：不加金刚石的空白试样和加金刚石的试样。分别测定试样的抗拉强度、抗弯强度、硬度，并进行断口SEM形貌分析。
烧结工艺在参考热压烧结WC基金刚石钻头烧结工
用液压万能材料试验机测试试样抗拉强度和三点抗弯强度。分别测定不含金刚石试样与含20%质量分数（下同）金刚石试样的抗拉强度和三点抗弯强度。用洛氏硬度计测试试样的硬度。按照标准《烧结金属摩擦材料抗拉强度的测定
图1 拉伸试样的尺寸
Fig.1 Size of the samples for tension test
按照标准《金属材料弯曲试验方法
在胎体配方相同的条件下，胎体硬度越高，耐磨性及抗冲蚀性也越
用扫描电镜观测烧结试样断口形貌。断口分析的样品选用拉伸试验中拉断的样品，在扫描前需要对样品进行预处理，把样品泡在酒精杯里，然后用超声波震荡清洗。
不同配方体系下烧结试样的抗拉强度结果如
由
图2 不同配方的抗拉强度变化（空白试样）
Fig.2 Tensile strength changes of different formulas (blank samples)
图3 不同配方的抗拉强度变化（加金刚石试样）
Fig.3 Tensile strength changes of different formulas (samples with diamonds)
不同配方体系下烧结试样的抗弯强度结果如
由
图4 不同配方的抗弯强度变化（空白试样）
Fig.4 Bending strength changes of different formulas (blank samples)
图5 不同配方的抗弯强度变化（加金刚石试样）
Fig.5 Bending strength changes of different formulas (samples with diamonds)
A1~A10分别对应1~10号配方不含金刚石的空白试样，每种配方每组试样测试6个点的洛氏硬度值，按照检测数据处理准则进行取舍，并计算平均值作为测试结果。不同配方体系下烧结试样的硬度测试结果如
图6 不同配方的硬度变化（空白试样）
Fig.6 Hardness changes of different formulas (blank samples)
试验主要利用扫描电镜观察试样的断口，
图7 断口截面SEM图像
Fig.7 SEM images of the rupture section
由SEM形貌图像可看到有韧窝存在，在断裂的过程中，存在塑性变形，断口大部分为韧性断裂。由配方1~3的SEM形貌照片可知，微观空隙相对较多，且分布不均匀，说明胎体材料没有充分熔合，有较多的孔洞、块状结构以及裂纹，但也存在一部分韧窝。在宏观上表现为此3种配方的烧结体的相对密度和力学性能较低，胎体致密性和稳定性差。从配方4~6的图上可看到有韧窝状断裂十分清楚，韧窝多但较浅，胎体中存在一定的空隙、孔洞、块状结构以及裂纹，但较之前3种配方较少，胎体粘结相对较好，胎体致密性和稳定性较差。从配方7~9的图上可看到韧窝状断裂很清晰，韧窝多、大且深，胎体中存在不明显的空隙、孔洞、块状结构以及裂纹，胎体材料的均匀性得到了明显的改善，胎体粘结较好，胎体材料已经充分的熔合，胎体的烧结致密性很好，因而抗弯强度都比较较高。
在此基础上可知：（1）配方1~3未添加Ni和Co，仅仅是铁基预合金粉和单质铜粉组成，故而各项力学性能都较差；（2）配方4~6中添加了少量的Ni、Co，抗弯强度有明显提升，但抗拉强度值还较低；（3）配方7~9的各项力学性能较好，且硬度值较低。综上所述，铁基胎体能够获得良好的力学性能，Cu、Co和Ni对铁基胎体的抗弯强度影响较大。
综合力学性能分析，采用胎体成分配方9设计加工成金刚石钻头，进行钻进实验论证分析。采用XY-100型立式岩心钻机双管钻进，转速600~900 r/min，钻进地层为长沙望城县某高楼1和5号混凝土地基基础，钻头使用数为2个，钻进效果参数如
从现场试验可看出，钻头未钻进之前是平底唇面（
图8 现场使用的金刚石钻头
Fig.8 Field test diamond bit
在钻进混凝土标号C35的长沙望城县某地基基础时，钻头钻进速度较快，平均寿命达到42 m。说明铁基金刚石钻头胎体配方设计合理，钢体与胎体连接牢固，具有良好的使用性能，钻进效率较高。
本文以铁基预合金粉替代碳化钨粉作为金刚石钻头的胎体材料，研究铁预合金粉、Cu、Ni、Co各成分对铁基胎体的力学性能的影响，结论如下：
（1）添加适量Ni和Co的铁基胎体能够获得较好的烧结性能，铁预合金粉替代碳化钨粉是完全可行的，所烧结的钻头具有良好的使用性能，钻进效率较高。
（2）相较于不含金刚石的试样，含20%金刚石试样的抗拉强度和抗弯强度值均降低较多。
（3）当保温时间为5 min时，铁基胎体有较好的力学性能。
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