淺談采用熱壓浸漬法進(jìn)行聚晶鉆頭的研制

葉蘭肅，王建興，陳風(fēng)河，劉建福，孫秀梅，杜 緒

（河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 燕郊065201）

1 聚晶特性及聚晶鉆頭制造方法的選擇

1．1 聚晶的特性

聚晶是由許多十分微小的金剛石微粒微粉經(jīng)過再次人工聚合形成大顆粒的多晶金剛石，具有硬度高、靜抗壓強(qiáng)度大、耐磨性和研磨能力強(qiáng)熱穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)致密均勻等特點(diǎn)。

1．2 聚晶鉆頭制造方法的選擇

我們采用熱壓浸漬法研制金剛石聚晶鉆頭。該方法的特點(diǎn)是燒結(jié)和壓制同時(shí)進(jìn)行（一般在結(jié)合劑粉末的燒結(jié)溫度下進(jìn)行壓制）。不僅廣泛用于制造孕鑲金剛石鉆頭，也可用于制造表鑲金剛石鉆頭、復(fù)合片鉆頭等。

由于聚晶燒結(jié)體體積小，熱穩(wěn)定性好，比較適宜直接鑲嵌到胎體中，因此比較適用熱壓浸漬法。我們具有熱壓浸漬法制造孕鑲金剛石鉆頭的豐富經(jīng)驗(yàn)，該方法具有工序簡(jiǎn)單、燒結(jié)壓制周期短的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)其制作工藝較鑲焊方法更經(jīng)濟(jì)和易操作，因此我們選用熱壓浸漬法研制聚晶鉆頭。

2 聚晶鉆頭胎體配方與聚晶規(guī)格的設(shè)計(jì)與選擇

2．1 聚晶鉆頭胎體硬度的確定

巖石的抗壓入硬度與研磨性是指導(dǎo)金剛石鉆頭胎體硬度設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。實(shí)驗(yàn)室條件下檢測(cè)的硬度與研磨性，只能作為定性設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。鉆進(jìn)較軟、中硬，研磨性中等地層，我們擬設(shè)計(jì)鉆頭胎體以中硬度為主。首先確定HRC30、HRC35、HRC40三種胎體配方進(jìn)行試制與篩選。通過試制胎塊，觀察、測(cè)試胎體合金的強(qiáng)度、韌性、硬度及對(duì)聚晶包鑲的強(qiáng)弱程度，最后優(yōu)選HRC30胎體配方，以其作為研制聚晶鉆頭的主要胎體配方。

2．2 聚晶規(guī)格的選擇

我們擬采用優(yōu)質(zhì)聚晶（磨耗比在30萬以上），規(guī)格為φ2×4mm。選用較小規(guī)格聚晶，燒結(jié)過程中聚晶容易被胎體金屬粉料浸潤(rùn)包鑲，并且容易分布均勻，能夠增加每粒聚晶的比壓，平頭圓柱體聚晶有利于粘結(jié)和裝配。

3 聚晶鉆頭結(jié)構(gòu)的研制

3．1 聚晶鉆頭底唇面形狀及工作層高度

聚晶鉆頭底唇面形狀、水口數(shù)量、寬度等，可根據(jù)地層性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。為便于聚晶的粘結(jié)和鉆頭的裝配，初期試制我們采用平底型底唇面。根據(jù)聚晶規(guī)格等初步設(shè)計(jì)聚晶鉆頭工作層高度為4～5mm為宜。

3．2 聚晶置入方式及分布規(guī)律

我們采用聚晶平齊鉆頭底唇面的鑲嵌方式，也就是預(yù)先把聚晶粘結(jié)在鉆頭底環(huán)上。

根據(jù)聚晶規(guī)格、底唇環(huán)狀面積以及水口的大小等，考慮到聚晶鉆頭在回轉(zhuǎn)切削過程中，使每個(gè)圓周上都能覆蓋有聚晶，我們采取交錯(cuò)均勻分布的辦法進(jìn)行粘結(jié)聚晶。以PSφ94×68鉆頭為例，我們?cè)O(shè)計(jì)聚晶在底唇面均勻交錯(cuò)分布5～7周。進(jìn)行粘結(jié)時(shí)，首先在靠近底環(huán)外徑位置（距外徑0．2mm處）粘結(jié)4粒聚晶；靠近底環(huán)內(nèi)徑（距內(nèi)徑0．2mm處）位置均勻粘結(jié)3粒聚晶，然后在設(shè)計(jì)的每個(gè)圓周上進(jìn)行交錯(cuò)均勻分布粘結(jié)。

3．3 聚晶鉆頭水路系統(tǒng)

水路系統(tǒng)主要包括水口和水槽。水口規(guī)格的設(shè)計(jì)主要依據(jù)施工礦區(qū)的地層特點(diǎn)及鉆進(jìn)工藝參數(shù)而定，水口如果過小，將會(huì)導(dǎo)致沖洗液過流不暢，易憋泵；如果水口過大，將影響聚晶漫流區(qū)的冷卻效果。我們?cè)O(shè)計(jì)的水口規(guī)格比同規(guī)格孕鑲金剛石鉆頭的水口規(guī)格適當(dāng)寬些，水口規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高（13×6×6．5，單位：mm）；水口數(shù)量為8個(gè)；水槽寬4～4．5 mm，深2mm。

3．4 聚晶鉆頭保徑

我們用同種規(guī)格聚晶進(jìn)行常規(guī)保徑，每胎塊內(nèi)徑均勻分布2粒聚晶，外徑均勻分布3粒聚晶，粘結(jié)高度距底唇面約5～6mm。

4 聚晶鉆頭的組裝與燒結(jié)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，我們進(jìn)行了室內(nèi)聚晶鉆頭的試制，前后共計(jì)6個(gè)PSφ94×68鉆頭。

4．1 聚晶鉆頭的組裝

（1）檢測(cè)鋼體、底模、心模，底環(huán)等，完整記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)模具、芯模、鋼體進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)；

（2）組裝模具底環(huán)，加工并粘結(jié)石墨水口塊；

（3）按設(shè)計(jì)方案粘結(jié)聚晶并進(jìn)行烘干；

（4）用天平稱量胎體粉料，均勻倒入并壓實(shí)粉料，按編號(hào)插入鋼體待燒結(jié)。

4．2 聚晶鉆頭的燒結(jié)工藝

聚晶鉆頭燒結(jié)采用中頻感應(yīng)加熱，單柱油缸給壓燒結(jié)制作，燒結(jié)工藝如下：

（1）將裝配好的鉆頭模具放置在感應(yīng)圈正中；（2）開機(jī)加熱同時(shí)加初壓；

（3）初溫升至735±5℃時(shí)，緩慢升至中壓；

（4）溫度升至830±5℃時(shí)，降低中頻功率保溫3分鐘；

（5）繼續(xù)升溫至860±5℃時(shí)加至全壓；

（6）終溫升至950±5℃時(shí)，保溫10分鐘；

（7）保溫結(jié)束，關(guān)中頻電源，待溫度降到750±5℃時(shí)，減壓并取出鉆頭模具，放入保溫箱冷卻至室溫。

熱壓浸漬法燒結(jié)設(shè)備：KGPS－100／1可控硅中頻電源；PR－500VA／2．5－8KHZ中頻變壓器；Y41－10T單柱壓機(jī)；金屬熱電偶與XMT數(shù)示調(diào)節(jié)儀。

4．3 聚晶鉆頭硬度及規(guī)格的檢測(cè)

燒結(jié)壓制待冷卻后，機(jī)械加工之前，分別對(duì)研制的金剛石聚晶鉆頭胎體硬度及規(guī)格進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明胎體硬度及規(guī)格均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。具體數(shù)值見表1。

表1 聚晶鉆頭規(guī)格－硬度檢測(cè)表

5 野外試驗(yàn)應(yīng)用

我們?cè)趦?nèi)蒙古自治區(qū)爾登螢石礦區(qū)進(jìn)行了野外試驗(yàn)，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

5．1 施工礦區(qū)地層及礦體特點(diǎn)

巖石硬度3～5級(jí)，研磨性中等，巖層較完整，試驗(yàn)鉆進(jìn)巖層主要為砂巖等。礦石礦物比較簡(jiǎn)單，主要為螢石，其次有少量粘土、鐵質(zhì)物或碳酸鹽。礦石結(jié)構(gòu)有交代結(jié)構(gòu)、自形粒狀結(jié)構(gòu)、不等粒它形結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造為沉積層紋構(gòu)造，條紋狀構(gòu)造、角礫狀、塊狀構(gòu)造等，見灰?guī)r終孔。

5．2 設(shè)備配置

（1）鉆探設(shè)備

鉆機(jī)：XY—44型鉆機(jī)，配用4105型柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)；

鉆塔：AY—13型鉆塔；

水泵：BW—250型泥漿泵，配用2100柴油機(jī)。

（2）鉆具級(jí)配

鉆桿：φ60mm外絲鉆桿；外巖心管：φ89×4mm；內(nèi)巖心管：φ77×3．5mm；鉆頭：PSφ94聚晶鉆頭；擴(kuò)孔器：PSφ94無壓擴(kuò)孔器。

5．3 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

（1）鉆壓

根據(jù)巖石的物理機(jī)械性質(zhì)、磨料的品種及數(shù)量，以及鉆頭底唇有效工作面積等確定。實(shí)際鉆壓8000～12000N。

（2）轉(zhuǎn)速

金剛石鉆進(jìn)中，鉆頭轉(zhuǎn)速是決定鉆進(jìn)效率的重要參數(shù)之一。我們根據(jù)施工礦區(qū)巖石的硬度及研磨性、鉆頭種類、鉆頭直徑等來確定轉(zhuǎn)速。對(duì)于聚晶鉆頭，轉(zhuǎn)速我們參照表鑲鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)來確定，在實(shí)際施工中采用中等轉(zhuǎn)速為380～450r／min。

（3）泵量

確定金剛石鉆進(jìn)沖洗液量，應(yīng)做到以下三方面①保證鉆頭充分冷卻；②保證把巖粉從鉆頭下帶走；③把巖粉排出孔外?？紤]以上因素，實(shí)際施工采用的泵量為60～80L／min。施工中隨著鉆孔的加深及地層的穩(wěn)定等情況而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

5．4 聚晶鉆頭野外應(yīng)用效果

在鉆進(jìn)頁(yè)巖層時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)鉆進(jìn)，并與河北探礦研究所生產(chǎn)的PS94孕鑲金剛石鉆頭和同規(guī)格合金鉆頭進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。金剛石鉆進(jìn)，易糊鉆，易形成微燒，泵壓偏高，影響壽命時(shí)效；合金鉆頭雖然時(shí)效不低，但壽命較短。

第一次試驗(yàn)聚晶鉆頭（編號(hào)J082）進(jìn)尺51m終孔（鉆頭仍可使用），時(shí)效到達(dá)3．6m／h，平均回次進(jìn)尺2．83 m。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)水口偏小，易糊鉆等，通過改變水口寬度和形狀，進(jìn)行第二次試驗(yàn)，聚晶鉆頭（編號(hào)J084）總進(jìn)尺92m，時(shí)效到達(dá)3．9m／h，平均回次進(jìn)尺2．94 m。綜合兩次試驗(yàn)結(jié)果，通過分析計(jì)算可得出我們研制的金剛石聚晶鉆頭比在同一礦區(qū)使用的孕鑲金剛石鉆頭壽命提高約40%，時(shí)效提高40%，比合金鉆頭壽命提高約3～4倍，節(jié)約了鉆探成本。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 聚晶鉆頭野外試驗(yàn)對(duì)比表

6 結(jié)論

通過對(duì)聚晶鉆頭的研制與野外應(yīng)用我們有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）聚晶鉆頭比較適合熱壓浸漬法制作，制作流程簡(jiǎn)單，成本較低。

（2）鉆頭時(shí)效較高。我們研制的聚晶鉆頭比較適應(yīng)中硬、研磨性中等巖層鉆進(jìn)。時(shí)效3．6～3．9m／h，回次進(jìn)尺2．83～2．96m。比同礦區(qū)使用的孕鑲金剛石鉆頭時(shí)效提高35～40%，回次進(jìn)尺提高40%，比同礦區(qū)使用的普通合金鉆頭時(shí)效提高12～20%，回次進(jìn)尺提高110%。

（3）鉆頭壽命長(zhǎng)。在上述地區(qū)試驗(yàn)2個(gè)鉆頭共進(jìn)尺143m，一個(gè)鉆頭壽命92m，另一個(gè)已進(jìn)尺51m，鉆頭未用完。以目前的數(shù)據(jù)計(jì)算，所研制的聚晶鉆頭，與同礦區(qū)使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，壽命提高了15%；與同礦區(qū)使用的合金鉆頭相比，壽命提高了3～4倍，使鉆探成本大幅降低。

（4）鉆頭結(jié)構(gòu)較合理。在試驗(yàn)中，為了避免漿液流通不暢現(xiàn)象，我們及時(shí)把水口規(guī)格適當(dāng)加大，消除了巖屑粘糊鉆頭的現(xiàn)象，同時(shí)鉆速提高了5%。

（5）聚晶鉆頭的研制應(yīng)用，拓寬了金剛石鉆頭的應(yīng)用空間，克服了孕鑲金剛石鉆頭、復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)較軟地層易糊鉆、彌補(bǔ)了合金鉆頭壽命低等不足。聚晶鉆頭底唇面形狀和水口形狀可根據(jù)地層情況任意設(shè)計(jì)。

（6）還有待進(jìn)行大量的試驗(yàn)與應(yīng)用，進(jìn)一步優(yōu)選聚晶規(guī)格，加強(qiáng)聚晶鉆頭保徑，改進(jìn)鉆頭胎體配方，使聚晶鉆頭的性能更進(jìn)一步完善。