人造孕鑲金剛石鉆頭的制作工藝

人造孕鑲金剛石鉆頭的制作工藝摘要：主要對(duì)煤礦和煤田勘探中常用的金剛石鉆頭的模具制作進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)要介紹了金剛石鉆頭的熱壓工藝，以及在制作過程中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：金剛石鉆頭熱壓模具

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(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?。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(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，來分別說明模具各個(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不可以過小（強(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(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)外徑的大小來適量地選?。?/p>

(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。

5、結(jié)語

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。

參考文獻(xiàn)

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