鄭超

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林 541004)

進(jìn)一步提升金剛石鉆頭設(shè)計(jì)制造水平的思考①

鄭超

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林 541004)

為了適應(yīng)當(dāng)前大力開展礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘探和深部找礦的需要,進(jìn)一步提升金剛石鉆頭設(shè)計(jì)制造水平,研制高效率、長壽命新型鉆頭,促進(jìn)金剛石鉆頭產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化,規(guī)?；a(chǎn),結(jié)合從事金剛石鋸片等其它工具研制的經(jīng)驗(yàn),提出一些新的鉆頭設(shè)計(jì)制造思路,供業(yè)內(nèi)同行參考,共同提高。

深部找礦;金剛石長壽命鉆頭;冷壓成形;預(yù)合金粉末;激光焊接

Abstract:In order to meet the needs of m ineral resources exploration and deep prospecting,the design and manufacture level of diamond drill bit should be improved to producing the new diamond drill bit w ith high efficiency and long working life,promoting scale and industrial production of the products.The author points out some new thought for designing and manufacturing diamond drill bit combining w ith the experiences engaged in manufacturing diamond tools,which can be referenced by relevant people.

Keywords:deep prospecting;long working life diamond drill bit;cold press form ing;prealloyed powder;laser welding

最近從媒體感知,隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施,國家十分重視礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘探工作,要求積極開展深部(500米以深)找礦。這方面將有大的投入,對地質(zhì)鉆頭的需求量也將有更大增長,而對其性能和質(zhì)量的要求則更高,更需要研制出超乎常規(guī)的長壽命地質(zhì)巖芯鉆頭。這預(yù)示著沉寂多年的巖芯地質(zhì)鉆頭又將掀起一陣大發(fā)展的浪潮。近年來,巖芯地質(zhì)鉆頭相對于其它金剛石工具,發(fā)展遲緩,除了電鍍鉆頭得到大量應(yīng)用之外,在熱壓燒結(jié)鉆頭方面沒有什么創(chuàng)新,鉆頭壽命僅有幾十米。行業(yè)之間也缺少溝通交流,就連本該統(tǒng)一的鉆頭、鉆具,國家標(biāo)準(zhǔn)也沒有出臺(tái)。審時(shí)度勢,若要適應(yīng)形勢發(fā)展,搶占先機(jī),則需要打破傳統(tǒng)觀念,采用新材料、新技術(shù)、新工藝,不斷創(chuàng)新,研制出適應(yīng)深孔鉆進(jìn)的高效率、長壽命鉆頭。為此,結(jié)合從事金剛石鋸片等其它工具研制的經(jīng)驗(yàn),提出一些新的鉆頭設(shè)計(jì)制造思路,供業(yè)內(nèi)同行參考,共同提高。

1 改變金剛石鉆頭傳統(tǒng)制造方法的新思路

1.1 鉆齒冷壓成形工藝

1.1.1 利用國產(chǎn)或進(jìn)口自動(dòng)冷壓機(jī)壓制鉆齒

我院利用韓國D IEX公司的32V PM 型容積式自動(dòng)冷壓機(jī)生產(chǎn)各種鉆齒?？梢詢纱窝b料,也就是能自動(dòng)裝工作層粉和非工作層粉。每分鐘壓鉆齒4～6個(gè),班產(chǎn)約2000個(gè),重量精度達(dá)到±0.05g,有利于批量生產(chǎn)并保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。只是在生產(chǎn)工藝流程中增加“粉末制?！焙汀袄鋲骸倍拦ば颉?/p>

(1)生產(chǎn)工藝流程:見圖1所示。

(2)冷壓模具設(shè)計(jì)典型

以Φ75鉆頭為例,外徑Φ75mm,內(nèi)徑Φ54.5mm,水口數(shù)6個(gè),水口寬6mm。其冷壓鉆齒尺寸見圖2。

圖1 鉆頭生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of the drill bit

圖2 Φ75冷壓鉆齒尺寸圖Fig.2 Cold press form ing d imension of the segment ofΦ75mm diamond drill bit

圖3 鉆齒冷壓模具圖Fig.3 Cold pressmould of drill bit segment

其冷壓模具見圖3所示。模具材料用Cr12M oV,鉆齒陰模的扇形孔經(jīng)過熱處理后用慢走絲電火花線切割加工,保證粗糙度和配合精度要求。模具工作壽命達(dá)到8000次以上。

(3)石墨模具結(jié)構(gòu)不變,整體高度降低,這是由于冷壓后鉆齒坯的密度達(dá)到65%以上,因此模具體高度可降低三分之一。

1.1.2 利用20～30噸普通壓力機(jī)壓制鉆齒

冷壓模具設(shè)計(jì)可參考鋸片刀頭的模具,根據(jù)壓力機(jī)的能力,可以在陰模上安排加工3～5個(gè)扇形孔,這樣可以提高生產(chǎn)效率。以Φ75鉆頭齒為例,其一個(gè)鉆齒截面積約為3cm2,壓力取20～25kN/cm2,則4個(gè)鉆齒的總壓力

1.2 采用預(yù)合金粉末制造地質(zhì)鉆頭

20世紀(jì)末,國外一些公司就已經(jīng)提出使用預(yù)合金粉末制造金剛石工具的新概念。目前,國內(nèi)越來越多的廠家應(yīng)用進(jìn)口的(如:法國N EXT系列粉末)或國產(chǎn)的預(yù)合金粉末制造鋸片刀頭(但是,用于制造地質(zhì)鉆頭的還不多見)。該預(yù)合金粉末應(yīng)該是除了骨架成分之外,包含有低熔點(diǎn)金屬的多種金屬,采用噴霧法或化學(xué)共沉淀法生產(chǎn)的粉末即為鉆頭用預(yù)合金粉末。使用預(yù)合金粉末作為鉆頭胎體粘結(jié)劑,易于調(diào)整鉆頭胎體的性能,使之與巖石特性更加匹配,與采用機(jī)械混合金屬粉末相比,預(yù)合金粉末具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)有利于提高地質(zhì)鉆頭的胎體性能

由于預(yù)合金粉末比機(jī)械混合粉末元素分布均勻,避免了成分偏析,使胎體組織均勻、性能一致,胎體合金化充分、致密度高,能改善胎體的耐磨損性能。

(2)提高對金剛石的包鑲能力,延長鉆頭的使用壽命。

(3)預(yù)合金粉末不易氧化,便于保存,并簡化了生產(chǎn)工藝過程,降低了成本,適合于大批量生產(chǎn)。

(4)預(yù)合金粉末的熔點(diǎn)較低,相對的燒結(jié)溫度也低,可避免對金剛石的熱損傷,提高金剛石的利用率,可適當(dāng)降低金剛石濃度。

目前國內(nèi)廣泛采用6-6-3青銅作為鉆頭胎體的粘結(jié)劑,其力學(xué)性能比較低,所粘結(jié)胎體的硬度也較低,如果把Cu與碳化物形成元素制成預(yù)合金粉末,必將大大改善胎體對金剛石的粘結(jié)性能,有效地提高金剛石地質(zhì)鉆頭的產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)一些院校和科研單位正在開展這方面的研究試驗(yàn),并取得一定效果,值得進(jìn)一步推廣使用。我院特邦新材料公司曾經(jīng)使用自己用共沉淀法制造的含30%Co的預(yù)合金粉制造工程鉆頭。試驗(yàn)結(jié)果表明,鉆進(jìn)效率和工作壽命指標(biāo)接近純鈷鉆頭。但它的制造成本低,燒結(jié)溫度只要750℃。北京有研粉末新材料有限公司推出的預(yù)合金粉末有YHJ-1、YHJ-2型兩種,據(jù)推薦適于制造地質(zhì)鉆頭。YHJ-1型超細(xì)預(yù)合金粉末呈多孔團(tuán)聚狀,平均顆粒直徑為6～9微米,比表面積高,粉末活性大,較低的燒結(jié)溫度即可獲得高的燒結(jié)硬度。熱壓燒結(jié)溫度750℃～800℃時(shí),硬度可達(dá)HRB95-108,密度可達(dá)98%。YHJ-2超細(xì)預(yù)合金粉末含稀土元素Re,不含Co、N i,平均顆粒直徑5～7微米,具有適應(yīng)性廣,成本低的特點(diǎn),有關(guān)鉆頭生產(chǎn)廠家不妨嘗試使用。

1.3 在鉆頭胎體材料中添加稀土元素或制成稀土預(yù)合金粉末

我國稀土元素資源非常豐富,占世界儲(chǔ)量的80%左右,亟待開發(fā)利用。不少人嘗試在超硬材料工具以及地質(zhì)鉆頭胎體材料中添加少量稀土元素,以求改善胎體性能,提高胎體的抗彎強(qiáng)度和耐磨性以及提高對金剛石的包鑲能力。人們采用共沉淀法,對胎體添加稀土元素,如鑭L a、鈰Ce等。近期趨于采用霧化法制備成稀土元素預(yù)合金粉末,使用效果更為明顯。不少學(xué)者研究試驗(yàn)表明,稀土元素在胎體中的添加量很少,一般在1%左右。圖4顯示,稀土L a-N i預(yù)合金粉含量對金剛石胎體硬度的影響。由圖可見,隨著L a-N i合金含量的增加,胎體的硬度增加;當(dāng)L a-N i合金含量達(dá)到1.5%時(shí),硬度達(dá)到最高值HRB92;而當(dāng)L a-N i合金含量超過1.5%時(shí),硬度反而下降。圖5顯示稀土合金加入量對胎體抗彎強(qiáng)度的影響。由圖可見,隨著稀土合金粉末含量的增加,胎體抗彎強(qiáng)度提高,當(dāng)添加量達(dá)到1%時(shí),純胎體材料抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值640 M Pa,高于未加L a-N i合金粉末胎體材料的抗彎強(qiáng)度(514 M Pa)。當(dāng)添加量超過1%時(shí),隨著稀土合金粉含量的增加,胎體的抗彎強(qiáng)度反而下降。

圖4 稀土合金含量對胎體硬度影響Fig.4 Influences of rare earth alloy content on hardness of the matrix

圖5 稀土合金含量對胎體抗彎強(qiáng)度影響Fig.5 Influences of rare earth alloy content on bending strength of the matrix

添加稀土元素對胎體材料的好處是多方面的,中國地質(zhì)大學(xué)等有關(guān)院校、科研單位做了大量的機(jī)理研究和試驗(yàn)工作,可以展望,具有中國特色的稀土預(yù)合金粉末將普遍地用于制造地質(zhì)鉆頭,使我國金剛石地質(zhì)鉆頭的制造水平達(dá)到新的高度。

1.4 鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性(打滑)巖層地質(zhì)鉆頭的研制進(jìn)展

自從20世紀(jì)70年代推廣人造金剛石鉆探技術(shù)以來,攻克堅(jiān)硬打滑地層一直是鉆探界的攻關(guān)難題。這樣的巖層雖然在一般勘探礦區(qū)所占比例不大,只有幾十米甚至幾米,但卻由于鉆頭鉆進(jìn)時(shí)打滑,鉆進(jìn)效率極低,或不進(jìn)尺,耗費(fèi)大量時(shí)間鉆頭卻難以穿越,嚴(yán)重影響礦區(qū)勘探進(jìn)度。為解決鉆頭打滑問題,科研人員在鉆頭結(jié)構(gòu)和胎體材料各方面進(jìn)行了大量的多方面的研究探索,如設(shè)計(jì)各種異形唇面結(jié)構(gòu)鉆頭、高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭等等。雖然均有一定的效果,但不解決根本問題。弱包鑲地質(zhì)鉆頭的新理念是克服鉆頭打滑的有效方法。其基本原理是利用弱包鑲方法使胎體中的一部分金剛石被包鑲的強(qiáng)度減弱,鉆進(jìn)中會(huì)提前從胎體中脫落。脫落的金剛石會(huì)磨損胎體,有利于未脫落的金剛石出刃,達(dá)到不斷自銳出刃,不斷進(jìn)尺的效果。

設(shè)計(jì)和制造弱包鑲地質(zhì)鉆頭的關(guān)鍵問題是要根據(jù)巖石對胎體的磨損能力恰到好處地確定對金剛石的弱包鑲程度。只有當(dāng)金剛石工作到一定程度,即不能有效地刻取和破碎巖石時(shí),才可以讓其脫落。否則,過早脫落,會(huì)降低金剛石的工作壽命,而太晚脫落,又會(huì)出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺的情況。這樣的尺度難以把握。

制造弱包鑲地質(zhì)鉆頭,首先將金剛石用機(jī)械方法包裹上一層粉末(如W C或CO粉),然后,將包裹有粉末的金剛石按一定比例與胎體粉末及其他金剛石混合,經(jīng)裝料、燒結(jié)等后續(xù)工序即完成弱包鑲地質(zhì)鉆頭的制造。

由于金剛石與胎體之間隔著一層強(qiáng)度較低的弱包鑲層,從而減弱胎體對金剛石的包鑲強(qiáng)度,當(dāng)胎體磨損,金剛石出露到一定程度,就會(huì)從胎體提前自行脫落。脫落下來的金剛石繼續(xù)磨損胎體,使留在胎體中的金剛石出刃,形成不斷的自銳過程。因此,鉆進(jìn)堅(jiān)硬打滑地層不會(huì)造成鉆頭打滑現(xiàn)象,鉆進(jìn)效率和回次進(jìn)尺均能取得明顯的效果。金剛石造粒包衣的設(shè)備可以選用醫(yī)藥設(shè)備中的滾動(dòng)造丸機(jī),還可以選用D IEX公司的GA 10型金剛石包衣機(jī)。包衣的厚度可以控制,1000克拉金剛石約15分鐘即可完成包衣,呈圓球狀。

1.5 金剛石有序排列在地質(zhì)鉆頭上的應(yīng)用研究

金剛石在工具胎體中的有序排列始于金剛石真空釬焊技術(shù)的推出。國內(nèi)市場已經(jīng)有不少真空釬焊的金剛石制品出售,如真空釬焊金剛石串珠繩鋸和各種異形的釬焊金剛石磨盤、磨輪等。這些工具胎體中的金剛石都可以是有序排列的。韓國新韓金剛石工業(yè)公司于2004年開始批量生產(chǎn)金剛石有序排列多層刀頭圓鋸片,申請了國際專利,并在有關(guān)媒體刊登廣告,宣稱該鋸片比普通鋸片壽命提高-倍,鋸切速度提高30%。國內(nèi)也有幾家公司投入研究試制金剛石有序排列多層刀頭圓鋸片,有的已經(jīng)小批量生產(chǎn)。而該項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)鉆頭上的應(yīng)用還未見報(bào)道。筆者認(rèn)為,在地質(zhì)鉆頭上引用該項(xiàng)技術(shù)才是最合適的,其理由:

(1)地質(zhì)鉆頭唇面比較厚,一般截面寬均在10mm以上,更適于多層分布,若鋸片刀頭分三層,則鉆頭唇面可分7～9層。

(2)地質(zhì)鉆頭的金剛石濃度一般都比較高,在60%以上,還有超過100%的。而采用有序排列之后,金剛石濃度可大幅度降低,既有利于提高鉆進(jìn)效率又能降低成本。

(3)制造工藝并不復(fù)雜,相當(dāng)于加一道鉆齒冷壓工序。將一層層壓著有序排列的金剛石薄層壓成鉆齒壓坯,裝到石墨模具上,再裝水口條和底粉,經(jīng)過熱壓燒結(jié)即可。

(4)由于有序排列金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率高,工作壽命長,適用于制造深孔鉆進(jìn)鉆頭或厚壁的繩索取芯鉆頭,也適用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬打滑地層。因?yàn)檫@種鉆頭金剛石濃度低、金剛石出刃值大,自銳性好,不會(huì)造成鉆頭打滑現(xiàn)象。

由此可見,該項(xiàng)技術(shù)值得進(jìn)一步研究推廣,首先要在如何實(shí)現(xiàn)金剛石有序排列產(chǎn)業(yè)化上下功夫,不論是“模板法”或是“點(diǎn)膠法”,都要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,自動(dòng)化,才能解決批量生產(chǎn)問題。

1.6 激光焊接地質(zhì)鉆頭的研制

目前,激光焊接鋸片用激光器的輸出功率,一般是2～2.5kW,鋸片基體的厚度3～4.5mm,再厚的基體可采取兩面焊接,以保證必要的焊接強(qiáng)度。而薄壁工程鉆頭的壁厚不超過4.5mm,鉆頭外徑Φ50～150mm,再厚就必須采取內(nèi)外焊的方法,才能解決問題。

地質(zhì)鉆頭的壁厚一般在10mm左右,可以適當(dāng)?shù)販p薄,而雙管鉆頭的鋼體不厚,如Φ75鉆頭的鋼體壁厚3.75mm,Φ91鉆頭是3.5mm,Φ110鉆頭是6mm,Φ130鉆頭是6.5mm;尤其是單管鉆頭,Φ75鉆頭是5.5mm,Φ91鉆頭是5.5mm。國外地質(zhì)鉆頭的鋼體壁厚都不超過5mm。只要激光焊機(jī)的小激光頭能伸進(jìn)鉆頭內(nèi),實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁激光焊接,就可以在大規(guī)格地質(zhì)鉆頭上實(shí)現(xiàn)鉆齒的激光焊接。激光焊接地質(zhì)鉆頭的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)大大簡化鉆頭生產(chǎn)工藝,鉆頭不用整體裝模,整體燒結(jié),節(jié)省能源消耗。

(2)不用整體石墨模具,大大降低成本。因?yàn)殂@頭越大,芯模越大,整體燒結(jié)一次,廢一個(gè),成本高。

(3)鉆齒單獨(dú)燒結(jié)有利于提高胎體性能,生產(chǎn)效率高。

(4)激光焊接易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

國內(nèi)外激光焊機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)上既應(yīng)考慮能焊鋸片又能焊鉆頭的同時(shí),也要考慮到更換不同的激光頭進(jìn)行鉆頭的內(nèi)外焊接。但至今未見有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。相信不久的將來,隨著激光焊接設(shè)備問題的解決,激光焊接地質(zhì)鉆頭將大量出現(xiàn)在市場上。

2 研制高效率長壽命新型地質(zhì)巖芯鉆頭

深部找礦需要深孔鉆探,而影響深孔鉆探效率的主要矛盾是純鉆進(jìn)時(shí)間少,起下鉆具的輔助時(shí)間多,臺(tái)月效率低,每米進(jìn)尺成本高。繩索取芯鉆進(jìn)方法是提高鉆探效率的重要手段,但是,由于鉆頭壽命短,一般也就是幾十米,到鉆進(jìn)幾十米之后仍然要起鉆。如果鉆頭壽命能達(dá)到百米以上,是常規(guī)鉆頭的4倍甚至5倍,那樣將大幅度提高純鉆時(shí)間,減少起下鉆的輔助時(shí)間,不但提高了鉆探效率,還能大大降低鉆探成本。提高鉆頭壽命,除了要用好的金剛石和相匹配的粉末胎體之外,最關(guān)鍵的是要提高鉆頭胎體高度。因此要開展創(chuàng)新型的鉆頭胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要解決鉆頭胎體的長時(shí)間等效自銳性;要解決鉆頭分層水口、水路冷卻排粉;要解決鉆頭內(nèi)外保徑等一系列問題……下面推薦一種美國長年公司最近推出的申請有專利的3層水口長壽命巖芯鉆頭,供借鑒參考。見圖6所示。

鉆頭特點(diǎn):

(1)鉆頭胎體高度25.4mm,這是市場上見到的最高鉆頭,壽命可達(dá)100米以上。

(2)三層窗戶式水口結(jié)構(gòu),既保證高鉆頭的胎體強(qiáng)度,又保證有充分的排粉冷卻能力,所以鉆進(jìn)效率高。

(3)內(nèi)外徑有很好的保徑措施,鉆進(jìn)穩(wěn)定,減少鉆孔彎曲,有利提高擴(kuò)孔器壽命,提高鉆進(jìn)效率。

(4)適于深孔繩索取芯鉆進(jìn)。圖6 長年3層水口式地質(zhì)巖芯鉆頭Fig.6 Core drill bit w ith three-layer

nozzles made by U SA

3 結(jié)束語

上述論點(diǎn)僅是筆者在思考金剛石鉆頭進(jìn)一步發(fā)展時(shí)的一些想法,并未付諸實(shí)現(xiàn)。有些想法做了一點(diǎn)工作,也遇到難題,如鉆頭的內(nèi)壁激光焊接未能成功而使工作未能有進(jìn)一步發(fā)展。但它仍不失為一種大膽而有希望的設(shè)計(jì)思路,尤其是長壽命鉆頭的研制,更希望年輕的科研人員大膽創(chuàng)新,努力予以實(shí)現(xiàn)。

[1] 呂智,鄭超,等.超硬材料工具設(shè)計(jì)與制造[M].北京,冶金工業(yè)出版社,2010.

[2] 楊凱華,潘秉鎖.金剛石地質(zhì)鉆頭的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].超硬材料工程,2009(2).

[3] 章文姣,葉宏煜,等.釬焊地質(zhì)金剛石鉆頭的試驗(yàn)與研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2009(1).

[4] Boart longyear co.exploration drilling products,2009.7.

I mprovement of design and manufacture level of diamond drill bit

ZHEN G Chao
(Guilin R esearch Institute of Geology f orM ineral R esources,Guilin541004,China;
N ational SpecialM ineralM aterials Eng ineering T echnology R esearch Center,Guilin541004,China)

TQ 164

A

1673-1433(2010)02-0040-05

鋸片生產(chǎn)中冷壓成形的先進(jìn)工藝,用于生產(chǎn)鉆齒,有利于提高胎體密度,節(jié)省石墨模具消耗,縮短燒結(jié)時(shí)間,改善鉆頭胎體性能。

2010-01-10

鄭超(1939-),男,教授級高工,長期從事超硬材料工具研發(fā)和鉆探等科研工作。