淺談采用熱壓浸漬法進行聚晶鉆頭的研制

葉蘭肅，王建興，陳風河，劉建福，孫秀梅，杜 緒

（河北省地礦局探礦技術研究院，河北 燕郊065201）

1 聚晶特性及聚晶鉆頭制造方法的選擇

1．1 聚晶的特性

聚晶是由許多十分微小的金剛石微粒微粉經過再次人工聚合形成大顆粒的多晶金剛石，具有硬度高、靜抗壓強度大、耐磨性和研磨能力強熱穩定性好，結構致密均勻等特點。

1．2 聚晶鉆頭制造方法的選擇

我們采用熱壓浸漬法研制金剛石聚晶鉆頭。該方法的特點是燒結和壓制同時進行（一般在結合劑粉末的燒結溫度下進行壓制）。不僅廣泛用于制造孕鑲金剛石鉆頭，也可用于制造表鑲金剛石鉆頭、復合片鉆頭等。

由于聚晶燒結體體積小，熱穩定性好，比較適宜直接鑲嵌到胎體中，因此比較適用熱壓浸漬法。我們具有熱壓浸漬法制造孕鑲金剛石鉆頭的豐富經驗，該方法具有工序簡單、燒結壓制周期短的優點；同時其制作工藝較鑲焊方法更經濟和易操作，因此我們選用熱壓浸漬法研制聚晶鉆頭。

2 聚晶鉆頭胎體配方與聚晶規格的設計與選擇

2．1 聚晶鉆頭胎體硬度的確定

巖石的抗壓入硬度與研磨性是指導金剛石鉆頭胎體硬度設計的基本依據。實驗室條件下檢測的硬度與研磨性，只能作為定性設計的基本依據。鉆進較軟、中硬，研磨性中等地層，我們擬設計鉆頭胎體以中硬度為主。首先確定HRC30、HRC35、HRC40三種胎體配方進行試制與篩選。通過試制胎塊，觀察、測試胎體合金的強度、韌性、硬度及對聚晶包鑲的強弱程度，最后優選HRC30胎體配方，以其作為研制聚晶鉆頭的主要胎體配方。

2．2 聚晶規格的選擇

我們擬采用優質聚晶（磨耗比在30萬以上），規格為φ2×4mm。選用較小規格聚晶，燒結過程中聚晶容易被胎體金屬粉料浸潤包鑲，并且容易分布均勻，能夠增加每粒聚晶的比壓，平頭圓柱體聚晶有利于粘結和裝配。

3 聚晶鉆頭結構的研制

3．1 聚晶鉆頭底唇面形狀及工作層高度

聚晶鉆頭底唇面形狀、水口數量、寬度等，可根據地層性質進行設計制作。為便于聚晶的粘結和鉆頭的裝配，初期試制我們采用平底型底唇面。根據聚晶規格等初步設計聚晶鉆頭工作層高度為4～5mm為宜。

3．2 聚晶置入方式及分布規律

我們采用聚晶平齊鉆頭底唇面的鑲嵌方式，也就是預先把聚晶粘結在鉆頭底環上。

根據聚晶規格、底唇環狀面積以及水口的大小等，考慮到聚晶鉆頭在回轉切削過程中，使每個圓周上都能覆蓋有聚晶，我們采取交錯均勻分布的辦法進行粘結聚晶。以PSφ94×68鉆頭為例，我們設計聚晶在底唇面均勻交錯分布5～7周。進行粘結時，首先在靠近底環外徑位置（距外徑0．2mm處）粘結4粒聚晶；靠近底環內徑（距內徑0．2mm處）位置均勻粘結3粒聚晶，然后在設計的每個圓周上進行交錯均勻分布粘結。

3．3 聚晶鉆頭水路系統

水路系統主要包括水口和水槽。水口規格的設計主要依據施工礦區的地層特點及鉆進工藝參數而定，水口如果過小，將會導致沖洗液過流不暢，易憋泵；如果水口過大，將影響聚晶漫流區的冷卻效果。我們設計的水口規格比同規格孕鑲金剛石鉆頭的水口規格適當寬些，水口規格為：長×寬×高（13×6×6．5，單位：mm）；水口數量為8個；水槽寬4～4．5 mm，深2mm。

3．4 聚晶鉆頭保徑

我們用同種規格聚晶進行常規保徑，每胎塊內徑均勻分布2粒聚晶，外徑均勻分布3粒聚晶，粘結高度距底唇面約5～6mm。

4 聚晶鉆頭的組裝與燒結

根據以上設計原則，我們進行了室內聚晶鉆頭的試制，前后共計6個PSφ94×68鉆頭。

4．1 聚晶鉆頭的組裝

（1）檢測鋼體、底模、心模，底環等，完整記錄測量的數據，對模具、芯模、鋼體進行相應的編號；

（2）組裝模具底環，加工并粘結石墨水口塊；

（3）按設計方案粘結聚晶并進行烘干；

（4）用天平稱量胎體粉料，均勻倒入并壓實粉料，按編號插入鋼體待燒結。

4．2 聚晶鉆頭的燒結工藝

聚晶鉆頭燒結采用中頻感應加熱，單柱油缸給壓燒結制作，燒結工藝如下：

（1）將裝配好的鉆頭模具放置在感應圈正中；（2）開機加熱同時加初壓；

（3）初溫升至735±5℃時，緩慢升至中壓；

（4）溫度升至830±5℃時，降低中頻功率保溫3分鐘；

（5）繼續升溫至860±5℃時加至全壓；

（6）終溫升至950±5℃時，保溫10分鐘；

（7）保溫結束，關中頻電源，待溫度降到750±5℃時，減壓并取出鉆頭模具，放入保溫箱冷卻至室溫。

熱壓浸漬法燒結設備：KGPS－100／1可控硅中頻電源；PR－500VA／2．5－8KHZ中頻變壓器；Y41－10T單柱壓機；金屬熱電偶與XMT數示調節儀。

4．3 聚晶鉆頭硬度及規格的檢測

燒結壓制待冷卻后，機械加工之前，分別對研制的金剛石聚晶鉆頭胎體硬度及規格進行檢測，結果表明胎體硬度及規格均達到了設計要求。具體數值見表1。

表1 聚晶鉆頭規格－硬度檢測表

5 野外試驗應用

我們在內蒙古自治區爾登螢石礦區進行了野外試驗，取得了較好的技術經濟效果。

5．1 施工礦區地層及礦體特點

巖石硬度3～5級，研磨性中等，巖層較完整，試驗鉆進巖層主要為砂巖等。礦石礦物比較簡單，主要為螢石，其次有少量粘土、鐵質物或碳酸鹽。礦石結構有交代結構、自形粒狀結構、不等粒它形結構等。礦石構造為沉積層紋構造，條紋狀構造、角礫狀、塊狀構造等，見灰巖終孔。

5．2 設備配置

（1）鉆探設備

鉆機：XY—44型鉆機，配用4105型柴油機驅動；

鉆塔：AY—13型鉆塔；

水泵：BW—250型泥漿泵，配用2100柴油機。

（2）鉆具級配

鉆桿：φ60mm外絲鉆桿；外巖心管：φ89×4mm；內巖心管：φ77×3．5mm；鉆頭：PSφ94聚晶鉆頭；擴孔器：PSφ94無壓擴孔器。

5．3 鉆進工藝參數

（1）鉆壓

根據巖石的物理機械性質、磨料的品種及數量，以及鉆頭底唇有效工作面積等確定。實際鉆壓8000～12000N。

（2）轉速

金剛石鉆進中，鉆頭轉速是決定鉆進效率的重要參數之一。我們根據施工礦區巖石的硬度及研磨性、鉆頭種類、鉆頭直徑等來確定轉速。對于聚晶鉆頭，轉速我們參照表鑲鉆頭轉數來確定，在實際施工中采用中等轉速為380～450r／min。

（3）泵量

確定金剛石鉆進沖洗液量，應做到以下三方面①保證鉆頭充分冷卻；②保證把巖粉從鉆頭下帶走；③把巖粉排出孔外。考慮以上因素，實際施工采用的泵量為60～80L／min。施工中隨著鉆孔的加深及地層的穩定等情況而進行適當的調節。

5．4 聚晶鉆頭野外應用效果

在鉆進頁巖層時進行試驗鉆進，并與河北探礦研究所生產的PS94孕鑲金剛石鉆頭和同規格合金鉆頭進行對比試驗。金剛石鉆進，易糊鉆，易形成微燒，泵壓偏高，影響壽命時效；合金鉆頭雖然時效不低，但壽命較短。

第一次試驗聚晶鉆頭（編號J082）進尺51m終孔（鉆頭仍可使用），時效到達3．6m／h，平均回次進尺2．83 m。在試驗過程中發現水口偏小，易糊鉆等，通過改變水口寬度和形狀，進行第二次試驗，聚晶鉆頭（編號J084）總進尺92m，時效到達3．9m／h，平均回次進尺2．94 m。綜合兩次試驗結果，通過分析計算可得出我們研制的金剛石聚晶鉆頭比在同一礦區使用的孕鑲金剛石鉆頭壽命提高約40%，時效提高40%，比合金鉆頭壽命提高約3～4倍，節約了鉆探成本。試驗結果見表2。

表2 聚晶鉆頭野外試驗對比表

6 結論

通過對聚晶鉆頭的研制與野外應用我們有以下幾點認識：

（1）聚晶鉆頭比較適合熱壓浸漬法制作，制作流程簡單，成本較低。

（2）鉆頭時效較高。我們研制的聚晶鉆頭比較適應中硬、研磨性中等巖層鉆進。時效3．6～3．9m／h，回次進尺2．83～2．96m。比同礦區使用的孕鑲金剛石鉆頭時效提高35～40%，回次進尺提高40%，比同礦區使用的普通合金鉆頭時效提高12～20%，回次進尺提高110%。

（3）鉆頭壽命長。在上述地區試驗2個鉆頭共進尺143m，一個鉆頭壽命92m，另一個已進尺51m，鉆頭未用完。以目前的數據計算，所研制的聚晶鉆頭，與同礦區使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，壽命提高了15%；與同礦區使用的合金鉆頭相比，壽命提高了3～4倍，使鉆探成本大幅降低。

（4）鉆頭結構較合理。在試驗中，為了避免漿液流通不暢現象，我們及時把水口規格適當加大，消除了巖屑粘糊鉆頭的現象，同時鉆速提高了5%。

（5）聚晶鉆頭的研制應用，拓寬了金剛石鉆頭的應用空間，克服了孕鑲金剛石鉆頭、復合片鉆頭鉆進較軟地層易糊鉆、彌補了合金鉆頭壽命低等不足。聚晶鉆頭底唇面形狀和水口形狀可根據地層情況任意設計。

（6）還有待進行大量的試驗與應用，進一步優選聚晶規格，加強聚晶鉆頭保徑，改進鉆頭胎體配方，使聚晶鉆頭的性能更進一步完善。