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人造孕鑲金剛石鉆頭的制作工藝

發(fā)表時(shí)間:2019-01-30 09:45

  人造孕鑲金剛石鉆頭是經(jīng)過(guò)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(jìn)效率高,使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),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(jié)合強(qiáng)度高,孕鑲胎體金剛石分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。它的破巖作用是由金剛石顆粒完成的。在堅(jiān)硬地層中,單粒金剛石在鉆壓作用下,使巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)下(約4200~5700MPa,有資料認(rèn)為可達(dá)6300MPa),使巖石發(fā)生巖性轉(zhuǎn)變,由脆性變?yōu)樗苄浴瘟=饎偸匀氲貙?,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(yīng)用在地質(zhì)勘探中,也被應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的眾多礦區(qū)中。巖芯鉆機(jī)主要有機(jī)械式鉆機(jī)(低轉(zhuǎn)速)和液壓式鉆機(jī)(高轉(zhuǎn)速),其中金剛石鉆頭被廣泛應(yīng)用在液壓式鉆機(jī)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(chǔ)建設(shè)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(cè)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(yīng)種類的鉆頭才會(huì)以最快的速度成孔。

  按鉆進(jìn)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(shè)計(jì)

  2.1 鉆頭模具設(shè)計(jì)

  金剛石鉆頭在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)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(qiáng)石墨是最佳的材料,它還具有硬度高、容易被加工等特點(diǎn)。

  金剛石鉆頭的模具是一個(gè)組合體,它是由外模、模芯、上模、水口條及裝料塊構(gòu)成的。每一個(gè)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(lái)分別說(shuō)明模具各個(gè)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(lái)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(hào)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(huì)在熱壓過(guò)程中被壓掉底,造成經(jīng)濟(jì)損失,還很有可能影響鉆頭性能;D、d、H、H1全部為工藝及關(guān)聯(lián)尺寸,其中外徑D不可以過(guò)?。◤?qiáng)度不好,保溫效果不好),最好是保證與感應(yīng)圈之間有5~7mm間距,在這里我們?nèi)ˇ?70(感應(yīng)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(guān),應(yīng)當(dāng)使粉末在裝完后不會(huì)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(shí)際應(yīng)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(guò)大(可能使粉末滲入,造成取模困難及原材料的浪費(fèi))。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(shè)計(jì)

  金剛石鉆頭的剛體是胎體的支撐體,其材料可選用45號(hào)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(guò)程中,環(huán)槽內(nèi)粉末液體自由流動(dòng),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(jié)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(duì)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(shí)際情況如表1所示。

  表1

  4、熱壓鉆頭的裝料及熱壓過(guò)程

  4.1 裝料過(guò)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(shí),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(diǎn),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(lái)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(jié)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(guò)程

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

  結(jié)語(yǔ)

  根據(jù)以上設(shè)計(jì)及工藝生產(chǎn)的簡(jiǎn)易金剛石鉆頭,其質(zhì)量已基本上達(dá)到地質(zhì)勘探鉆頭標(biāo)準(zhǔn),投入繩索取芯的巖心鉆機(jī)中可以節(jié)省大量資金,并減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在葫蘆島市南票區(qū)紅砬溝鉆進(jìn)中使用φ80/46金剛石取芯階梯鉆頭,巖性為生成巖(長(zhǎng)石斑巖),進(jìn)尺141.08m,平均實(shí)效1.47m/h。

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