新型分層復(fù)合型金剛石鉆頭的研制

鄒　鋒, 蔣文峰, 鎖銀飛

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007)

1　問題的提出

與硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)相比，金剛石鉆頭鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、成孔質(zhì)量好、鉆探成本低、易操作、事故少等優(yōu)點(diǎn)。因此金剛石鉆頭得到迅速發(fā)展，特別是近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，金剛石鉆頭被廣泛用于地質(zhì)礦藏勘探、水電工程、抽芯驗(yàn)樁等領(lǐng)域中。同時(shí)對它的性能，特別是鉆進(jìn)速度提出了更高的要求。

常規(guī)平底孕鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)中，隨著工作層的磨損，唇面會(huì)形成圓弧形狀，增大了徑向擠壓力，引起鉆進(jìn)功率增加，因而鉆進(jìn)速度大大降低，使用壽命也降低。特別是在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的巖層時(shí)，由于巖石中石英含量高，巖礦物中石英顆粒細(xì)而致密，或者硅化程度高，鉆頭切入阻力大，每顆金剛石很難實(shí)現(xiàn)有效切入，不能對巖石產(chǎn)生微體積方式破碎，一般都以磨削的方式或疲勞方式破碎巖石，因此，產(chǎn)生的巖粉量很少，巖粉粒度極細(xì)，不能對鉆頭胎體產(chǎn)生有效的磨損，金剛石必然難以出刃，造成鉆進(jìn)效率低。

解決這類金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度低的一般方法有以下幾種。

(1)鉆頭胎體的性能上，可以采用低硬度、低耐磨性胎體材料，如孫毓超、宋月清等提出在銅基胎體材料中添加非金屬添加劑(如石墨和玻璃粉等)，可以有效降低胎體材料的耐磨性能，提高金剛石的出刃高度，增加工具的自銳能力，提高時(shí)效，但這種方法追求的是鉆進(jìn)速度，而降低了鉆頭的使用壽命。

采用較好品級(jí)的金剛石，讓它能足夠承受鉆進(jìn)中的復(fù)雜載荷，同時(shí)調(diào)整金剛石濃度和粒度，能夠在鉆壓有限的條件下，保證每顆金剛石能夠傳遞足夠的壓力有效切入巖層，產(chǎn)生微體積方式破碎巖石，提高破碎效率，但此方法不僅會(huì)增大成本，而且對鉆進(jìn)速度的提高有限。

(2)鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，改變鉆頭唇面形狀，產(chǎn)生較大的鉆進(jìn)比壓，產(chǎn)生較多的自由面，有效提高鉆進(jìn)效率，具有代表性的底唇采用“同心圓齒”結(jié)構(gòu)，但該鉆頭的特殊設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)初期確實(shí)能較好地提高鉆進(jìn)速度，但當(dāng)“同心圓齒”底唇消耗完后，速度即等同于普通鉆頭。

很多科技人員在調(diào)整鉆頭胎體參數(shù)的同時(shí)，也在鉆頭唇面的幾何形狀上想了很多方法，如圓弧形、階梯形、錐形、交錯(cuò)型、同心圓齒型等，中國地質(zhì)大學(xué)楊凱華等也提出將金剛石鋸片上的“三明治”型結(jié)構(gòu)用于鉆頭上的想法(參見圖1)，并為此做了很多試驗(yàn)。但由于鉆頭結(jié)構(gòu)的特殊性，目前這種結(jié)構(gòu)的鉆頭在生產(chǎn)設(shè)計(jì)上還存在很多不足：先冷壓后熱壓，工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求高；冷壓是徑向壓制，再熱壓是軸向壓制，易造成復(fù)合層變形；由于鉆頭結(jié)構(gòu)(弧形、扇形等)的特殊性，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求；只能平行分層，不能形成V字形結(jié)構(gòu)。

圖1　傳統(tǒng)“三明治”型結(jié)構(gòu)壓制示意圖

2　設(shè)計(jì)與工作原理

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)“三明治”型結(jié)構(gòu)鉆頭的基礎(chǔ)上，基于“同心圓齒”鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)的顯著時(shí)效，將鉆頭設(shè)計(jì)成分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)的鉆齒，沿鉆頭徑向設(shè)計(jì)成耐磨性強(qiáng)弱相間的鉆齒，使鉆頭鉆進(jìn)唇面與巖石磨削時(shí)，形成“凹凸”狀的同心圓齒結(jié)構(gòu)，并且由于鉆齒耐磨性相間結(jié)構(gòu)貫穿于整個(gè)工作層，因而在鉆進(jìn)過程中唇面將始終保持“凹凸”狀的同心圓齒結(jié)構(gòu)，直到鉆頭消耗完為止。同時(shí)采用特殊的底摸設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)有的熱壓燒結(jié)工藝，就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3　實(shí)驗(yàn)方法

(1)根據(jù)使用要求，調(diào)配出弱耐磨層的金剛石品級(jí)、粒度、濃度和金屬粉料的組成，弱耐磨性根據(jù)鉆進(jìn)巖層的需要，有時(shí)甚至不添加金剛石，采用熱壓方法燒出成品，可以燒結(jié)出不同形狀，一般是V形，對于堅(jiān)硬致密巖層，還可使用通過機(jī)工加工出的鋼環(huán)、銅環(huán)、石墨環(huán)等(參見圖2)。

(2)將弱耐磨層條裝入特殊石墨底模中，再整體裝入石墨模具中(參見圖3)。

(3)按使用要求，調(diào)配出強(qiáng)耐磨層的金剛石品級(jí)、粒度、濃度及金屬粉料的組成，裝入帶有特殊底模的石墨模具中，再組裝非工作層，之后裝入鋼體(參見圖4)，在常規(guī)的中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。

圖2　環(huán)形結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　石墨底模組裝圖

圖4　燒結(jié)體組裝圖

4　生產(chǎn)試驗(yàn)

在湖南平江仁里鈮鉭礦工地和湖北宜昌三岔溪工地對分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭(圖5)和普通平底型結(jié)構(gòu)金剛石鉆頭(圖6)進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

(1)湖南平江仁里鈮鉭礦工地使用HGY-300型鉆機(jī)，鉆進(jìn)巖層為9～10級(jí)細(xì)顆?；◢弾r，鉆頭規(guī)格為?75mm/49mm繩索取心鉆頭，胎體硬度為HRC25，金剛石濃度90%，金剛石粒度40/50。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

(2)在湖北宜昌三岔溪工地，采用XY-4型鉆機(jī)，鉆進(jìn)巖層為7～8級(jí)的花崗閃長巖，鉆頭規(guī)格為?75/49mm繩索取心鉆頭，胎體硬度為HRC30，金剛石濃度90%，金剛石粒度40/50。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖5　分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭

圖6　普通平底型結(jié)構(gòu)鉆頭

鉆頭類型鉆進(jìn)速度/(m·h-1)鉆頭壽命/m鉆進(jìn)位置/m試用數(shù)量/只分層復(fù)合型1.5～1.840～50110～3405普通平底型0.5～0.820～3080～2306

表2　湖北宜昌工地分層復(fù)合型鉆頭與普通鉆頭使用情況

5　結(jié)果與討論

(1)鉆進(jìn)速度明顯提高，并且這種速度能一直保持到鉆頭消耗完。

(2)從返水情況可以看出，分層復(fù)合型鉆頭排出巖屑的顆粒比普通型鉆頭排出巖屑要粗得多。

(3)提鉆后，取出鉆頭可以看到鉆頭唇面有很明顯的帶V形的間槽(見圖7)。

圖7　鉆頭鉆進(jìn)前后唇面的對比

(4)分層復(fù)合型鉆頭的胎體中復(fù)合了弱耐磨性的金剛石層或不含金剛石的純胎體層(也可用純鐵，純銅等)，有規(guī)律地分布在工作層中，鉆頭性能有了明顯的改變，對巖石的適應(yīng)性大大提高了，具有一定的廣譜性能。

(5)鉆頭在工作時(shí)，由于各部分耐磨性不一致而導(dǎo)致磨損不一致，易磨層超前磨損產(chǎn)生V形槽，因此鉆進(jìn)唇面形成“同心圓”齒形，相應(yīng)地在被鉆進(jìn)的巖層表面形成溝槽，在孔底出現(xiàn)環(huán)形巖脊，在巖脊內(nèi)形成在大量的微裂紋，巖脊部分即形成“體積破碎”，并且這種復(fù)合層結(jié)構(gòu)始終貫穿于整個(gè)鉆頭的工作層，因此這種破碎方式產(chǎn)生在整個(gè)鉆進(jìn)過程中。由于巖脊部分是“體積破碎”的方式，破碎的巖粉顆粒較粗，對鉆頭胎體有較強(qiáng)的磨損作用，有利于金剛石出刃，從而大大提高了鉆進(jìn)速度，一定程度上延長了鉆頭的使用壽命。

(6)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，在唇面形成多條溝槽，能更好地冷卻鉆頭和排屑。使金剛石鉆頭不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^高而導(dǎo)致金剛石石墨化，也不會(huì)造成金剛石與胎體因熱應(yīng)力而導(dǎo)致金剛石過多脫落，從而提高了鉆頭的速度與壽命。

(7)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，在巖體上留下一條條巖脊，與鉆頭唇面上的鋸齒形成“吻合”，鉆頭與孔底的嚙合力有較大提高，具有預(yù)防孔斜的作用。

6　結(jié)論

(1)用常規(guī)中頻感應(yīng)爐熱壓燒結(jié)的方式制作分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭，工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)。

(2)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭對巖層適應(yīng)性大大提高，具有一定的廣譜性。

(3)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)速度大大高于普通型鉆頭，壽命也有了一定的提高。

(4)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭具有很好的防斜效果，大大提高了成孔質(zhì)量。