人造孕镶金刚石钻头的制作工艺

人造孕镶金刚石钻头的制作工艺
作者：郑宏俊刘守进杨深然汪美娜杜啸
来源：《中国科技纵横》2012年第02期
摘要：主要对煤矿和煤田勘探中常用的金刚石钻头的模具制作进行了分析，并简要介绍了金刚石钻头的热压工艺，以及在制作过程中应注意的问题。

关键词：金刚石钻头热压模具
人造孕镶金刚石钻头是经过特种工艺把金刚石微粉与特殊配方的粉末焊接在刚体上而制成的。

它具有钻进效率高，使用寿命长等特点，它还具有很好的胎体耐磨性、抗冲蚀性及冲击性，胎体的线膨胀系数较高，胎体与缸体结合强度高，孕镶胎体金刚石分布均匀等优点。

它的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。

在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下，使岩石处于极高的应力状态下（约4200～5700MPa，有资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由脆性变为塑性。

单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。

目前，金刚石钻头已被广泛应用在地质勘探中，也被应用在国内外的众多矿区中。

岩芯钻机主要有机械式钻机（低转速）和液压式钻机（高转速），其中金刚石钻头被广泛应用在液压式钻机中，其取芯的形式主要是绳索取芯，它也是今后地质勘探中的主要取样形式，深受探矿和基础建设工作者的欢迎，展现出了更广阔的前景。

1、钻头的种类及规格
按胎体唇面的形状分为圆弧、平底、梯齿、尖齿、锯齿、阶梯、齿轮、底喷、侧喷、特制平底等种类钻头。

每种钻头在不同的地质条件下都具有不同的作用，选用相应种类的钻头才会以最快的速度成孔。

按钻进的用途分为取芯钻头和不取芯钻头。

其中取芯钻头的取芯形式又可分为单管、双管及绳索取芯三种。

2、钻头模具及刚体设计
2.1 钻头模具设计
金刚石钻头在高温烧结的过程中，模具的外形和尺寸直接决定了钻头胎体的外形和尺寸，因此，模具的材料必须具有耐高温、变形小、传热效果好并且是非金属材料。

而高强石墨是最佳的材料，它还具有硬度高、容易被加工等特点。

金刚石钻头的模具是一个组合体，它是由外模、模芯、上模、水口条及装料块构成的。

每一个部分都具有它所特定的功能，我们以外径φ80、内径φ46钻头为例，来分别说明模具各个部分的作用：
2.1.1 外模与模芯
金刚石钻头的外径与内径的尺寸是用外模与模芯的内孔与外径来保证的，如图1所示，φ1与φ2的尺寸为钻头的外径和内径
图1 外模（左）与模芯（右）
，括号内数值为金刚石粉末在热压后的收缩量（主要用于小孔径金刚石钻头）；h尺寸一般取在30～40mm之间，如果取的太小，会在热压过程中被压掉底，造成经济损失，还很有可能影响钻头性能；D、d、H、H1全部为工艺及关联尺寸，其中外径D不可以过小（强度不好，保溫效果不好），最好是保证与感应圈之间有5～7mm间距，在这里我们取φ170（感应圈最小直径φ180）；孔d为透气工艺孔，一般取φ20；H和H1与金刚石粉末量与上模高度有关，应当使粉末在装完后不会溢出。

2.1.2 上模、水口条和装料块
金刚石钻头的唇面形状与粉末的分布是由上模、水口条和装料块共同完成的，其形状如图2所示。

如果需要改变唇面的形状及水口的多少及大小，只要改变上模的端面形状和b的宽度。

在实际应用中水口的宽(b)和高（h2）直接影响到泥浆的流速和压力，一般取b=（6～8）mm，h2=（10～15）mm。

图中d1和d2尺寸是与模芯和外模相互配合而使用的，其配合间隙不要过大（可能使粉末渗入，造成取模困难及原材料的浪费）。

其余的尺寸为工艺尺寸。

图2 上模（左）、水口条（中）、装料块（右）
2.2 钻头刚体设计
金刚石钻头的刚体是胎体的支撑体，其材料可选用45号钢，其外形如图3所示，
图3 钻头刚体
D1尺寸是与模芯配合用，其配合间隙在10～12mm之间；D2尺寸是与外模配合用，其配合间隙在2～3mm之间；宽是5mm槽可以使钻头在热压过程中，环槽内粉末液体自由流动，从而使胎体内粉末分布均匀，还可以增加联接的扭转力，使胎体与刚体焊接的更加牢固。

3、金刚石钻头粉末要求
金刚石钻头胎体粉末主要有以下几种：工作粉末、非工作粉末、粘结粉末、水口粉末四种，除工作粉末含有金刚石微粉以外，其余都不含有金刚石微粉，其主要成分为铁、铜、锡、碳化钨、钴等。

对于不同浓度的金刚石工作粉末，可以制造出不同硬度的钻头，适用的地层也有所不同，其实际情况如表1所示。

表1
4、热压钻头的装料及热压过程
4.1 装料过程
(1)将模具按图4所示组装在一起；
图4 模具组装后示意图
(2)取出定量水口粉末装入由装料块形成的小扇形区域，并用力将其压实，然后将装料块小心地拔出，将脱落的水口粉末清理干净；
(3)用天平称出定量的工作粉末，小心地装入由水口粉末形成的扇形区域，注意不要将工作粉末洒在水口粉末上面，如果不小心洒上了一点，必须将其小心地清理干净；
(4)再用天平称出定量的非工作粉末，小心地装在工作粉末的上面；
(5)用镊子将金刚石聚晶粒小心地插入非工作粉末中，并且要紧贴在模具的内外表面上，注意不要插入太深，其数量是根据钻头内外径的大小来适量地选取；
(6)将非工作粉末以上的水口粉末清除，再称出定量的粘结粉末均匀地装入环形槽内，稍微用力震一震，将内部粉末震匀；
(7)最后将经喷砂处理完、并用99%的甘油清洗完表面的刚体倒放在其上，注意不要用手压，完成装料，其示意图如图5所示。

4.2 热压过程
热压烧结的步骤为：将组装好的模具放人中频炉热压机的工作台上，然后送电升温，当加热功率为20～30kW时，烧结5～6min后先施加一定的初压(约20MPa)，在烧结8～9min后升到烧结温度，此时应立即施以全压，并在该压力下保温3～5min。

保温保压结束后，即可停电降温，但压力不卸，当温度降到70℃时，卸除压力，并将钻头的烧结模具移至保温箱中或放在空气中冷却到室温。

5、结语
根据以上设计及工艺生产的简易金刚石钻头，其质量已基本上达到地质勘探钻头标准，投入绳索取芯的岩心钻机中可以节省大量资金，并减轻了工人的劳动强度。

经现场试验，在葫芦岛市南票区红砬沟钻进中使用φ80/46金刚石取芯阶梯钻头，岩性为生成岩（长石斑岩），进尺141.08m，平均实效1.47m/h。

参考文献
[1]中国建筑材料工业地质勘查中心批准.材地质常用钻具图册,1989．
[2]张绍和.金刚石钻头设计与制造新理论新技术.北京:中国地质大学出版社,2001．
[3]罗爱云,段隆臣,王伟雄,田永常.打滑地层新型孕镶金刚石钻头.地质科技情
报,2007,1(26):109-112．。