復(fù)合型無壓擴孔器的研制與應(yīng)用

葉蘭肅，葛麗燕，陳風(fēng)河，李光宏，王金河

（1.河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 燕郊 065201；2.河北省地質(zhì)十一隊，河北 邢臺 054000；3.河北省地礦局石家莊綜合地質(zhì)大隊，河北 石家莊 050085）

0 前言

擴孔器是金剛石小口徑地質(zhì)勘探的必備工具。金剛石擴孔器是金剛石鉆探鉆具組合中必不可少的工具之一。它位于鉆頭和巖心管之間，與鉆頭相配合，在鉆進中所起的主要作用是：修磨孔壁；保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性；延長鉆頭壽命。在實際鉆探施工中擴孔器存在以下主要問題：擴孔器外徑部分易磨損，保徑性能差導(dǎo)致擴孔器壽命降低；在鉆進施工中擴孔器修磨孔壁能力低，延長了擴孔的時間，降低了鉆進效率。尤其是在采用繩索或繩沖深孔鉆進時，因擴孔器外徑的過度磨損導(dǎo)致提大鉆，從而延長了鉆進的輔助時間，降低了鉆進效率。

1 擴孔器燒結(jié)方法的選擇

采用無壓浸漬法燒結(jié)擴孔器。無壓浸漬法燒結(jié)擴孔器是粉末冶金的一種形式，它是將一定量的骨架粉末裝入粘有聚晶和金剛石的擴孔器模具中，經(jīng)過適當?shù)那谜窈笫构羌芊勰┻_到規(guī)定的裝料密度，然后在其上部裝入一定量的粘結(jié)金屬。在燒結(jié)過程中當達到燒結(jié)溫度后，粘結(jié)金屬熔融，靠毛細作用使粘結(jié)金屬浸入到骨架粉末中形成一種假合金胎體，借助粘結(jié)金屬與鋼體的熱分子交換使胎體與鋼體焊接。出爐冷卻后，胎體即可達到所需求的性能，如機械強度、硬度、以及對金剛石及聚晶包鑲能力等。

2 擴孔器胎體配方

在確定胎體配方時不能只注重擴孔器胎體的硬度，而應(yīng)注重提高其耐磨性以提高使用壽命，不應(yīng)將胎體硬度提高的很高，這樣胎體的脆性必然很大，脆性大的材料和鋼體的連接強度就會受到影響，因此我們選擇中高硬度的胎體配方，進行制作擴孔器。

為使擴孔器的胎體具有一定強度和硬度，我們采用的骨架成分為 WC、W2C等，粘結(jié)金屬為Cu、Zn等。按一定比例確定擴孔器胎體配方，經(jīng)過多次的研制、生產(chǎn)與應(yīng)用，我們研制的的擴孔器具有較高強度和硬度以及良好的耐磨性，胎體硬度：HRC 50～55。

為避免裝模過程中容易和別的低密度的粉末產(chǎn)生偏析，加之密度大的粉末其流動性會較差，將影響裝料的均勻性，同樣會影響胎體的性能，在確定骨架成分Wc含量時，一定不能含量太高。

3 擴孔器的切磨材料及其鑲嵌方式

為使復(fù)合型擴孔器的擴刃胎體部分具有一定的磨削能力，提高擴孔器修磨孔壁的能力。在擴孔器的擴刃胎體部分置入雙重的切磨材料，即人造聚晶及優(yōu)質(zhì)的大顆粒金剛石。聚晶保徑部分和金剛石保徑部分面積比設(shè)計2∶3。聚晶保徑部分能承擔很大一部分震擊載荷，對金剛石具有保護作用，使金剛石保徑部分對孔壁具有穩(wěn)定的磨削作用。兩部分作用各有主次，相輔相成，最終達到較好的擴孔效果和穩(wěn)定粗徑鉆具的作用。

我們采用表鑲的鑲嵌方式，采用一定規(guī)格的長方體聚晶，以增大聚晶與孔壁的接觸面積（最初用用圓柱形聚晶）；采用大粒度、高品級優(yōu)質(zhì)金剛石，并使兩者均勻交錯表鑲在擴刃部胎體處。金剛石分布密度要適中，聚晶一般每胎塊聚晶6～8粒，聚晶采用豎直方向均勻布置胎體處；金剛石與聚晶交錯均勻孕鑲在胎體的表層。

4 擴孔器胎體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

研制的復(fù)合型無壓擴孔器由以下部分組成：鋼體、水槽、聚晶、金剛石、擴刃部胎體等。結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 復(fù)合長效無壓擴孔器結(jié)構(gòu)圖

胎體與水槽形狀設(shè)計為螺旋形，螺旋角擬設(shè)計為40°～45°，有利于沖洗液流通和減小回轉(zhuǎn)阻力。

如果模具設(shè)計不合理，胎體粉料的收縮系數(shù)與模具的內(nèi)徑公差配合不當易造成脹壞模具和導(dǎo)致胎體裂紋。

擴孔器的外徑要得到保證，不能完全依靠理論計算設(shè)計模具，而應(yīng)通過多次試驗、修改與完善，最后確定模具尺寸與公差值。我們在多年的研制過程中已經(jīng)形成了比較成熟的經(jīng)驗數(shù)值：模具內(nèi)徑與成品外徑的公差為0.3～0.6mm擴孔器的外徑應(yīng)嚴格控制公差范圍：0.2～0.03mm，外徑比鉆頭大0.3～0.5mm。

為防止包鑲聚晶的胎體同擴孔器的鋼體結(jié)合不牢。在擴孔器剛體與胎體料相配合部位，在剛體上加工一定深度的細螺紋，增加胎體金屬粉料與鋼體的接觸面積牢固度，從而提高了擴孔器胎體與鋼體的連接強度。

5 組裝工藝

每份等量裝入骨架粉料，裝入粉料的高度適宜后，進行一定幅度的敲振，邊敲擊邊轉(zhuǎn)模具方向，以使骨架料振實振勻，在多次的制作過程中，總結(jié)經(jīng)驗，掌握好合適的振動幅度和次數(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。骨架粉料裝入完畢后，均勻倒入粘接金屬粉，等待燒結(jié)。

燒結(jié)工藝對于無壓浸漬法制作的擴孔器是一個非常重要的環(huán)節(jié)，若燒結(jié)工藝掌握不好則最終會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。我們主要控制好燒結(jié)溫度，即溫度高出粘結(jié)金屬熔點的30℃左右即可，保溫時讓粘結(jié)金屬始終處于熔融流動狀態(tài)，掌握好保溫時間，一般是15～18min左右，根據(jù)擴孔器規(guī)格而進行適當?shù)恼{(diào)整，既要讓粘結(jié)金屬滲透到擴孔器底部又要防止溫度過高粘結(jié)金屬流失過多，因此控制好溫度及掌握好保溫時間是至關(guān)重要的兩個因素。

燒結(jié)工藝參數(shù)的調(diào)整：主要是燒結(jié)溫度的調(diào)整，燒結(jié)溫度保證在890～910℃范圍；出爐溫度由750℃降低到700℃，防止胎體收縮過快，出爐后放到保溫箱中逐漸降到室溫

6 野外試驗效果

我們在河北省張家口龐家堡礦區(qū)（鐵礦）、赤城陳家窯礦區(qū)（鐵礦）進行了野外試驗，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

6.1 施工礦區(qū)地層及礦體特點

試驗礦區(qū)為龐家堡礦區(qū)和赤城陳家窯礦區(qū)，兩礦區(qū)均為鐵礦，礦區(qū)巖石主要為白云巖類，砂巖類。

6.2 試驗孔號

ZK1-3，ZK1-5（龐家堡礦區(qū)）；ZK70-2，ZK70-4，ZK64-7（赤城陳家窯礦區(qū)）

6.3 設(shè)備配置

鉆機：XY-6B，XY-44

鉆塔：18m管直塔，13m液壓塔.

水泵：BW250

發(fā)電機組：100kW，200kW

6.4 鉆進工藝參數(shù)

Φ75繩索取芯工藝參數(shù)：鉆壓6～11kN；轉(zhuǎn)速400～850r／min；泵量：40～65L／min

6.5 聚晶鉆頭野外應(yīng)用效果

通過在以上幾個鉆孔的試驗應(yīng)用，擴孔器平均壽命達到200～300m／個，節(jié)約了鉆探成本，提高了鉆進效率。

7 結(jié)論

（1）復(fù)合型無壓擴孔器具有較高的修磨孔壁能力，縮短了擴孔的時間，提高了鉆進效率。

（2）復(fù)合型擴孔器使用壽命較長，平均壽命達200～300m／個，尤其是在采用繩索鉆進，減少了提大鉆次數(shù)，延長了純鉆進時間，提高了鉆進效率，降低了鉆探成本。

（3）擴孔器同心度較好，未出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

（4）擴孔器胎體與鋼體接觸處出現(xiàn)拉槽，有待進一步改進和提高。

［1］趙爾信.金剛石鉆頭與擴孔器.北京：地質(zhì)出版社，1989.

［2］張士博.鉆頭與鉆具設(shè)計制造新工藝新技術(shù)與質(zhì)量驗收標準規(guī)范實物全書.北京：北方工業(yè)出版社，2003.

［3］萬隆，等.超超硬材料與工具.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.