人造孕鑲金剛石鉆頭的制作工藝

　　人造孕鑲金剛石鉆頭是經(jīng)過特種工藝把金剛石微粉與特殊配方的粉末焊接在剛體上而制成的。它具有鉆進效率高，使用壽命長等特點，它還具有很好的胎體耐磨性、抗沖蝕性及沖擊性，胎體的線膨脹系數(shù)較高，胎體與缸體結合強度高，孕鑲胎體金剛石分布均勻等優(yōu)點。它的破巖作用是由金剛石顆粒完成的。在堅硬地層中，單粒金剛石在鉆壓作用下，使巖石處于極高的應力狀態(tài)下（約4200～5700MPa，有資料認為可達6300MPa），使巖石發(fā)生巖性轉(zhuǎn)變，由脆性變?yōu)樗苄?。單粒金剛石吃入地層，在扭矩作用下切削破巖，切削深度基本上等于金剛石顆粒的吃入深度。

　　目前，金剛石鉆頭已被廣泛應用在地質(zhì)勘探中，也被應用在國內(nèi)外的眾多礦區(qū)中。巖芯鉆機主要有機械式鉆機（低轉(zhuǎn)速）和液壓式鉆機（高轉(zhuǎn)速），其中金剛石鉆頭被廣泛應用在液壓式鉆機中，其取芯的形式主要是繩索取芯，它也是今后地質(zhì)勘探中的主要取樣形式，深受探礦和基礎建設工作者的歡迎，展現(xiàn)出了更廣闊的前景。

　　1、鉆頭的種類及規(guī)格

　　按胎體唇面的形狀分為圓弧、平底、梯齒、尖齒、鋸齒、階梯、齒輪、底噴、側噴、特制平底等種類鉆頭。每種鉆頭在不同的地質(zhì)條件下都具有不同的作用，選用相應種類的鉆頭才會以最快的速度成孔。

　　按鉆進的用途分為取芯鉆頭和不取芯鉆頭。其中取芯鉆頭的取芯形式又可分為單管、雙管及繩索取芯三種。

　　2、鉆頭模具及剛體設計

　　2.1 鉆頭模具設計

　　金剛石鉆頭在高溫燒結的過程中，模具的外形和尺寸直接決定了鉆頭胎體的外形和尺寸，因此，模具的材料必須具有耐高溫、變形小、傳熱效果好并且是非金屬材料。而高強石墨是最佳的材料，它還具有硬度高、容易被加工等特點。

　　金剛石鉆頭的模具是一個組合體，它是由外模、模芯、上模、水口條及裝料塊構成的。每一個部分都具有它所特定的功能，我們以外徑φ80、內(nèi)徑φ46鉆頭為例，來分別說明模具各個部分的作用：

　　2.1.1 外模與模芯

　　金剛石鉆頭的外徑與內(nèi)徑的尺寸是用外模與模芯的內(nèi)孔與外徑來保證的，如圖1所示，φ1與φ2的尺寸為鉆頭的外徑和內(nèi)徑

　　圖1 外模（左）與模芯（右）

　　，括號內(nèi)數(shù)值為金剛石粉末在熱壓后的收縮量（主要用于小孔徑金剛石鉆頭）；h尺寸一般取在30～40mm之間，如果取的太小，會在熱壓過程中被壓掉底，造成經(jīng)濟損失，還很有可能影響鉆頭性能；D、d、H、H1全部為工藝及關聯(lián)尺寸，其中外徑D不可以過?。◤姸炔缓茫匦Ч缓茫詈檬潜ＷC與感應圈之間有5～7mm間距，在這里我們?nèi)ˇ?70（感應圈最小直徑φ180）；孔d為透氣工藝孔，一般取φ20；H和H1與金剛石粉末量與上模高度有關，應當使粉末在裝完后不會溢出。

　　2.1.2 上模、水口條和裝料塊

　　金剛石鉆頭的唇面形狀與粉末的分布是由上模、水口條和裝料塊共同完成的，其形狀如圖2所示。如果需要改變唇面的形狀及水口的多少及大小，只要改變上模的端面形狀和b的寬度。在實際應用中水口的寬(b)和高（h2）直接影響到泥漿的流速和壓力，一般取b=（6～8）mm，h2=（10～15）mm。圖中d1和d2尺寸是與模芯和外模相互配合而使用的，其配合間隙不要過大（可能使粉末滲入，造成取模困難及原材料的浪費）。其余的尺寸為工藝尺寸。

　　圖2 上模（左）、水口條（中）、裝料塊（右）

　　2.2 鉆頭剛體設計

　　金剛石鉆頭的剛體是胎體的支撐體，其材料可選用45號鋼，其外形如圖3所示，

　　圖3 鉆頭剛體

　　D1尺寸是與模芯配合用，其配合間隙在10～12mm之間；D2尺寸是與外模配合用，其配合間隙在2～3mm之間；寬是5mm槽可以使鉆頭在熱壓過程中，環(huán)槽內(nèi)粉末液體自由流動，從而使胎體內(nèi)粉末分布均勻，還可以增加聯(lián)接的扭轉(zhuǎn)力，使胎體與剛體焊接的更加牢固。

　　3、金剛石鉆頭粉末要求

　　金剛石鉆頭胎體粉末主要有以下幾種：工作粉末、非工作粉末、粘結粉末、水口粉末四種，除工作粉末含有金剛石微粉以外，其余都不含有金剛石微粉，其主要成分為鐵、銅、錫、碳化鎢、鈷等。對于不同濃度的金剛石工作粉末，可以制造出不同硬度的鉆頭，適用的地層也有所不同，其實際情況如表1所示。

　　表1

　　4、熱壓鉆頭的裝料及熱壓過程

　　4.1 裝料過程

　　(1)將模具按圖4所示組裝在一起；

　　圖4 模具組裝后示意圖

　　(2)取出定量水口粉末裝入由裝料塊形成的小扇形區(qū)域，并用力將其壓實，然后將裝料塊小心地拔出，將脫落的水口粉末清理干凈；

　　(3)用天平稱出定量的工作粉末，小心地裝入由水口粉末形成的扇形區(qū)域，注意不要將工作粉末灑在水口粉末上面，如果不小心灑上了一點，必須將其小心地清理干凈；

　　(4)再用天平稱出定量的非工作粉末，小心地裝在工作粉末的上面；

　　(5)用鑷子將金剛石聚晶粒小心地插入非工作粉末中，并且要緊貼在模具的內(nèi)外表面上，注意不要插入太深，其數(shù)量是根據(jù)鉆頭內(nèi)外徑的大小來適量地選??；

　　(6)將非工作粉末以上的水口粉末清除，再稱出定量的粘結粉末均勻地裝入環(huán)形槽內(nèi)，稍微用力震一震，將內(nèi)部粉末震勻；

　　(7)最后將經(jīng)噴砂處理完、并用99%的甘油清洗完表面的剛體倒放在其上，注意不要用手壓，完成裝料，其示意圖如圖5所示。

　　4.2 熱壓過程

　　熱壓燒結的步驟為：將組裝好的模具放人中頻爐熱壓機的工作臺上，然后送電升溫，當加熱功率為20～30kW時，燒結5～6min后先施加一定的初壓(約20MPa)，在燒結8～9min后升到燒結溫度，此時應立即施以全壓，并在該壓力下保溫3～5min。保溫保壓結束后，即可停電降溫，但壓力不卸，當溫度降到70℃時，卸除壓力，并將鉆頭的燒結模具移至保溫箱中或放在空氣中冷卻到室溫。

　　結語

　　根據(jù)以上設計及工藝生產(chǎn)的簡易金剛石鉆頭，其質(zhì)量已基本上達到地質(zhì)勘探鉆頭標準，投入繩索取芯的巖心鉆機中可以節(jié)省大量資金，并減輕了工人的勞動強度。經(jīng)現(xiàn)場試驗，在葫蘆島市南票區(qū)紅砬溝鉆進中使用φ80/46金剛石取芯階梯鉆頭，巖性為生成巖（長石斑巖），進尺141.08m，平均實效1.47m/h。