淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進對策①

劉祖建

（桂林金剛石工業有限公司，廣西桂林541199）

淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進對策①

劉祖建

（桂林金剛石工業有限公司，廣西桂林541199）

近年來，以聚晶金剛石復合片（polycrystalline diamond compact，PDC）為切削刃的新型錨桿鉆頭發展迅速，逐步取代了傳統的錨桿鉆頭，但是作為新興的發展迅速的地質鉆探工具，PDC錨桿鉆頭也出現了良莠不齊、質量不穩定的現象，PDC錨桿鉆頭的制造和使用也缺乏針對性的系統研究和理論指導。文章對長期以來PDC錨桿鉆頭在使用過程中的各種失效現象進行了總結和系統的分析，并有針對性的提出了改進的對策。

聚晶金剛石復合片；錨桿鉆頭；失效；改進

早期錨桿鉆頭的切削齒往往采用硬質合金制成［1］，為了提高速度，錨桿鉆頭兩翼上的刃尖與旋轉中心不對稱，有一點偏心差，普通硬質合金的巖石鉆頭主要適用于頁巖、砂頁巖及部分砂巖（磨蝕性不高的砂巖），壽命為30m左右。高于常規鉆頭價格50%的國產優質合金鉆頭，可以鉆進抗壓強度60～80MPa的中等磨蝕性巖石，壽命可達25～30m。但由于合金在鉆進中會迅速鈍化，鉆進的速度也不理想。而近年來，錨桿鉆頭由于切削部分采用新型超硬材料金剛石復合片制作，壽命大大增加，鉆進效率也明顯提高。

聚晶金剛石復合片（PDC）既有金剛石耐磨性高的特點，也有硬質合金抗沖擊韌性強的優點［2］，用它制作的鉆頭在軟～中硬巖層中壽命長、效率高。我國已廣泛將PDC用于制作地質和石油鉆頭，但在錨桿鉆頭制作方面與美、英等發達國家相比，還有相當差距。與地質鉆頭相比，錨桿鉆頭直徑小，有其獨特的布齒方式；工作條件不同，對鉆頭體強度及焊接強度要求更高。

國內生產PDC錨桿鉆頭上采用的是中低端復合片，這種復合片基本上只能滿足最低磨耗比的性能要求，而對于小鉆頭方面占主要失效因素的抗沖擊性能問題沒有得到應有的重視，或是限制于成本和技術，沒有得以解決，所以在實際使用時，在軟地層（f值在6左右）上，較好的PDC錨桿鉆頭能夠達到硬質合金鉆頭壽命的10倍左右［3］，但是隨著可鉆性系數上升，鉆頭失效迅速加快，在f大于10的地層上，PDC錨桿鉆頭甚至由于崩刃而根本不能使用。

2 PDC主要失效形式

金剛石復合片鉆頭的工作條件極為苛刻，PDC在工作中不但承受巨大的壓力，同時還承受交變的沖擊力，各種力的復合作用導致切削過程中的摩擦異常激烈。在具體使用過程中，由于地質條件復雜、人工操作、工藝處理等方面存在著不規范之處，使PDC的優勢未能很好地發揮出來，造成不該有的損失。筆者長期深入錨桿鉆頭使用的現場并大量回收了鉆探中失效的鉆頭，并做了大量的系統分析工作，發現PDC主要失效形式有如下三類：

2.1 宏觀破裂

宏觀破裂一般表現為PCD層的破裂，其主要原因是錨桿鉆頭在鉆進過程中遇到硬質巖石或巖性變化較大的巖層時，受到較大的交變沖擊，又由于軸向力和水平切削力的聯合作用、鉆機振動、鉆具與孔壁的摩擦等因素的影響，使PDC在短時間內承受超負載荷而導致PCD層破裂，致整個錨桿鉆頭報廢。圖1所示為錨桿鉆頭PCD層宏觀破裂及斷裂的幾種情況。

圖1 錨桿鉆頭復合片PCD層破裂（a，b）和斷裂（c）Fig.1 Rupture（a，b）and fracture（c）of PCD layer

2.2 PCD層與硬質合金層的分離

圖2所示為PCD層與硬質合金層的分離形貌，導致的主要原因是PCD復合層的工藝技術不夠成熟和穩定，PCD層與硬質合金的附著力較差，從而造成PCD薄膜過早地從硬質合金層上剝離而失效，極大降低了PDC鉆頭的使用壽命和切削性能。

2.3 脫焊

PCD的焊接工藝性差，且各種參數控制要求高，操作中稍有不慎便可導致PCD層在使用過程中的脫焊，致使整個鉆頭報廢。

圖2 PCD層與硬質合金層的分離ig.2 The separation between PCD layer and hard alloy layer

3 分析和討論

經過系統分析，錨桿鉆頭產生如上失效的主要原因及解決存在問題的對策如下：

3.1 設計不合理

圖3所示為PCD錨桿鉆頭的布齒參數，由圖可知PDC齒在空間的方向由以下3個方向參量確定。法向角γ指PDC齒的方向基準線與鉆頭中心線的夾角；齒前角α指PDC齒的方向基準線與切削齒工作平面之間的夾角；側轉角β指過中心點和鉆頭中心線的平面與切削齒工作平面之間的夾角。以上3個參數是由鉆頭結構確定的，其中法向角取決于鉆頭冠部形狀和徑向布置，而齒前角和側轉角由切削齒工作角度設計確定。在錨桿鉆頭的參數優化設計方面，有研究表明，齒前角和側轉角對鉆頭的壽命和效率有最大的影響，必須根據鉆進地層的特點進行優化設計。在市場上，有些廠家為了提高鉆頭壽命，設計了大于35°的齒前角，極大地影響了鉆進的效率，甚至根本不進尺，反之，如果設計了較小的齒前角，鉆頭的壽命往往也不夠理想，PDC切削刃容易出現崩齒，金剛石層大塊脫落的現象。因此，鉆頭廠家應該按照參數優化設計的方案，選擇適中的齒前角和側轉角，而不是盲目的隨意進行修改。

圖3 PDC錨桿鉆頭布齒參數示意圖Fig.3 The parameters of PDC anchor bits

3.2 原材料質量低劣

錨桿鉆頭生產的主要原材料有復合片、鋼體和焊料。很多鉆頭廠家為了降低成本采用了劣質的原材料，在惡劣的工況條件下，這些鉆頭很快就會失效。

首先是復合片的質量，作為鉆頭的切削刃，復合片的質量在很大程度上決定了鉆頭的質量。例如，鉆探中PCD層與硬質合金層分離，俗稱“脫層”就是最典型的復合片質量問題；而有些劣質的復合片磨耗比極低，PCD層很快磨損，表現為鉆頭不耐用；有些復合片在使用時PCD層容易破碎，如圖1所示，這也可能是復合片的質量問題。但是需要注意的是，復合片的磨損過快和破碎也可能是由于焊接工藝不當造成的。

其次是鉆頭鋼體的選擇，錨桿鉆頭應該選擇優質的合金鋼來制造，如35Cr，40Cr等，如果采用普通的材料制作，很可能由于鋼體自身快速的磨損而導致鉆頭的失效。

最后是焊料的選擇，在復合片的焊接中，一般要求使用銀釬焊，成本較高，為了降低成本，有極少數的廠家采用了不合格的銀焊料，甚至是銅焊料，由于這些焊料本身的熔點遠遠高于標準的銀焊料，在焊接時很容易造成復合片的熱損壞，另外，不合格的焊料也會造成虛焊，或是焊接強度不夠等問題。

3.3 焊接工藝不正確

PDC與鉆頭體的焊接強度是影響較硬巖層鉆進用PDC鉆頭的質量關鍵，由于PDC的底襯是硬質合金，薄層金剛石是經特殊工藝復合在硬質合金基體上的，PDC的焊接實質上是硬質合金與鋼體或胎體的焊接。它是用釬焊的方法將PDC焊接在鉆頭體上?？赏ㄟ^以下措施提高PDC的焊接強度：

（1）采用先進的可控性強的高頻感應釬焊或真空釬焊工藝，由于錨桿鉆頭體型小，升溫快，在焊接時要注意溫度的控制，采用專用的小功率焊機，升溫速度相對較慢，工人在生產時容易控制。

（2）選用低熔點高強度的優質焊料、焊劑。要求對鉆頭體具有良好的浸潤性和可焊性，焊接溫度必須符合復合片允許的極限溫度（一般＜700℃），焊料抗氧化性能好，焊劑除氧化性強、排氣性好外，對釬縫有保護作用。

（3）采用合適的PDC片預處理技術，如鍍Ni、Ni－Co、Ni－W等方法，以增強PDC的可焊性。

（4）焊接各工序采用合理的處理工藝。焊前準備可采用特殊的噴砂工藝處理焊接面并徹底清洗干凈，焊接面平面度要好，不得有毛刺；焊接時，注意讓PDC在空位上移動，使焊料充分流動并排氣，并不停加入焊絲，使PDC周圍焊料充分，焊縫飽滿；焊接結束后，應進行熱處理以消除內應力。

3.4 使用不當

PDC是一種超硬材料，不管復合片的質量如何優良，PCD層總具有一定的脆性，所以在使用時應注意盡量避免PDC刃口的人為破壞，尤其是開鉆鑿眼要盡量避免造成劇烈的碰撞；軟巖中鉆進壓力不宜過大，以避免鉆成螺旋孔壁和糊鉆；而在較破碎的巖層中，壓力也不宜過大，以避免卡鉆造成鉆孔報廢；應經常檢查鉆桿、接頭、絲扣的磨損，發現問題及時更換；鉆進過程中聽見不正常聲響，應及時檢查；新鉆頭使用時應采用比正常鉆進規程小的參數

4 結語

總之，PDC錨桿鉆頭作為錨桿鉆頭的新秀受到了市場越來越多的青睞，并且由于進入的技術和資金門檻低，大量的作坊式工廠蜂擁而起，這些廠家打著自己或是假冒的名牌，生產了大量的劣質的產品，不僅造成了正規廠家和鉆頭使用者的損失，也大量浪費了資源，而通過對鉆頭失效原因的了解和分析，能夠更好的選擇優質的產品并最大的實現其價值，這有利于保證穩定高效的生產和資源的節約、環境的友好。

［1］ 劉禮智.Φ27、28錨桿鉆頭的研制與使用［J］.金屬礦山，1987（7）：58.

［2］ 劉向東，屈鈞利.錨桿PDC鉆頭主要幾何參數的優化研究［J］.煤礦機械，2010（1）：29－31.

［3］ 張菁.PDC抗沖擊性能及結構參數優化研究［D］，2011.

The reasons of losing efficacy of PDC anchor bit and improving countermeasure

LIU Zu－jian
（Guilin Diamond Industrial Ltd.，Guilin541199，China）

Nowadays，the new type anchor bits using polycrystalline diamond compact（PDC）as cutting edge has rapidly developed in the anchor bits markets，which has replaced the traditional anchor bits gradually.However，PDC anchor bits also showed unstable performance.In addition，there is no relative systematic research and theoretical guidance in manufacture and use of PDC anchor bits.In this paper，several kinds of losing efficacy phenomenon were summarized and analyzed systematically，and the relative improved countermeasures were proposed.

PDC；anchor bit；lose efficacy；improvement

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0028－04

1 概述

錨桿支護是有利于加快井巷掘進速度、提高頂板支護效果、降低支護勞動強度和減少支護材料消耗的先進技術，國外采煤技術先進國家的錨桿支護率往往超過80%，在我國，錨桿支護也是煤礦巷道支護的主要發展形式，譬如大同煤礦集團公司錨桿支護率超過50%，錨桿支護技術的發展需要大量錨桿孔鉆進設備作保證，這主要有鉆具和鉆頭兩個方面。

與錨桿鉆機配套的鉆具，因破巖方式不同而不同，總的來說有回轉類破巖鉆具、沖擊類破巖鉆具以及回轉沖擊類破巖鉆具。煤礦錨桿鉆機多為回轉式，所以回轉式鉆頭也比較流行。為配合推廣小直徑樹脂錨桿，多采用27～29mm的回轉鉆頭，其結構類型多為兩翼對稱、兩翼不對稱和兩翼連筋式。

2012－06－28

劉祖建（1958－），男，桂林金剛石工業有限公司技術開發部部長，工程師。E－mail:liuzujian1958＠163.com。