張珂銘 魏 杰

(1.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州450016;2.河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州 450016)

1 引言

潛孔鉆頭主要通過傳遞來自沖擊器產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊波不斷高頻沖擊巖石表面，巖石在沖擊作用下產(chǎn)生放射性裂紋源而破裂，在鉆桿旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生擠壓破碎作用直接將巖石切除[1]。在潛孔鉆頭的工作過程中，硬質(zhì)合金齒主要承擔(dān)來自沖擊器的高頻應(yīng)力波，直接將高頻應(yīng)力波傳遞到巖石表面，參與切削工作。

潛孔鉆頭在工作時(shí)，硬質(zhì)合金齒的受力情況極為復(fù)雜，特別是邊合金齒，在高頻沖擊力作用下，產(chǎn)生的彎矩和扭矩，極易造成硬質(zhì)合金齒的折斷和破碎，而且硬質(zhì)合金齒鉆頭普遍存在合金齒耐磨性差的問題。特別是在堅(jiān)硬磨蝕性強(qiáng)的礦巖中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭周邊齒磨損嚴(yán)重，已成為當(dāng)前鉆頭壽命短、鉆進(jìn)效率低的主要原因[2]。為此，國內(nèi)外科研與生產(chǎn)制造商都在采用多種途徑以提高硬質(zhì)合金的耐磨性及鉆頭壽命，其中最有效的是美國梅加金剛石公司采用高溫高壓技術(shù)于1987年研制成功的聚晶金剛石復(fù)合柱齒。其在中小釬頭、石油牙輪鉆頭的應(yīng)用中取得了較好的效果。目前國內(nèi)市場上的潛孔鉆頭主要還是以硬質(zhì)合金齒潛孔鉆頭為主，聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭在國內(nèi)市場上還鮮有見聞。為此，非常有必要對聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭進(jìn)行深入研究。

2 聚晶金剛石復(fù)合柱齒

聚晶金剛石復(fù)合齒是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質(zhì)合金一次燒結(jié)而成的超硬材料制品，它不但具有金剛石所具備的強(qiáng)度高，耐磨等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了硬質(zhì)合金所具備的抗沖擊性強(qiáng)、出刃大等特點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)是采用了過渡層結(jié)構(gòu)，即在1450℃高溫與6x106kPa高壓下燒結(jié)復(fù)合多層聚晶金剛石(PCD)包覆的硬質(zhì)合金柱齒[3-4]。其工作表面由100%的聚晶金剛石層逐漸過渡到100%的硬質(zhì)合金柱齒層(見圖1)。這樣由表及里是彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化，殘余應(yīng)力與剝落現(xiàn)象減少，沖擊韌性提高。

圖1 聚晶金剛石復(fù)合柱齒

隨著超硬材料技術(shù)在中國30多年的發(fā)展，目前金剛石強(qiáng)化柱齒在國內(nèi)也開始實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)。

3 聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭

傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金潛孔鉆頭在開采硬度較軟的巖層時(shí)，可以滿足使用要求，但在偏硬的地層中鑿巖時(shí)，由于硬質(zhì)合金的耐磨性不夠而使?jié)摽足@頭的使用壽命過短，進(jìn)尺速度慢，造成掘進(jìn)效率低下。聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭采用了高硬度、高耐磨性和具有良好抗沖擊性能的聚晶金剛石復(fù)合柱齒代替了傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金柱齒[5]，很好的解決了在面對極硬地層時(shí)硬質(zhì)合金柱齒不耐磨的問題。

3.1 聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭的結(jié)構(gòu)

聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭由聚晶金剛石復(fù)合柱齒、鋼基體和尾管三部分組成(見圖2)，聚晶金剛石復(fù)合柱齒通過過盈固齒的方式鑲嵌在鉆頭鋼基體上。

圖2 聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭

3.2 聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭制造工藝

3.2.1 聚晶金剛石復(fù)合柱齒的選用

聚晶金剛石復(fù)合柱齒最外層是聚晶金剛石層，其具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性[6]。天然金剛石是自然界硬度最高和耐磨性最好的物質(zhì)，因此我們在選用聚晶金剛石復(fù)合柱齒時(shí)主要考慮其抗沖擊性能。根據(jù)資料介紹，柱齒破碎巖石，最小臨界能量為15J/齒，最大不超過70J/齒[7]，因此我們選用聚晶金剛石復(fù)合柱齒至少要能夠承受15J的沖擊力。

聚晶金剛石復(fù)合柱齒的抗沖擊性能可以使用落錘法進(jìn)行檢驗(yàn)。下表是筆者選用國內(nèi)某廠家的聚晶金剛石復(fù)合柱齒進(jìn)行的落錘法抗沖擊性試驗(yàn)。表一是沖擊試驗(yàn)的工作參數(shù)，表二是聚晶金剛石復(fù)合柱齒試驗(yàn)后的損壞情況。

表一：

表二：

通過表一的工作參數(shù)，由表二可以看出，選用的國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的兩種規(guī)格的聚晶金剛石復(fù)合柱齒抗沖擊性能都高于70J，完全可以滿足破碎巖石的使用要求。

3.2.2 生產(chǎn)工藝流程

為了既保證潛孔鉆頭的質(zhì)量，又節(jié)約生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)工藝流程如下：鋸床下料—鍛造毛坯—均勻化處理及退火—車加工外形—鉆排氣孔—銑排粉槽—銑花鍵—熱處理—鉆、鉸柱孔—聚晶金剛石復(fù)合柱齒選配—冷壓固齒—噴漆—包裝入庫。

3.2.3 工藝要點(diǎn)

1)鍛造毛坯。鍛造比要求適中，變形均勻不能使縱橫向機(jī)械性能差別過大，并且在鍛造時(shí)不允許有影響機(jī)械性能的疵病。將鋼基體鍛造成型后，由于鍛造毛坯內(nèi)部存在著晶粒粗大等組織缺陷，因此還需要對鍛件進(jìn)行均勻化處理。

2)熱處理。為了使?jié)摽足@頭鋼基體得到良好的機(jī)械性能，在加工好外形后必須進(jìn)行熱處理，這樣可以提高鋼材的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性。

3)鉆、鉸柱孔。柱孔的鉆鉸工序要放在熱處理之后進(jìn)行，這樣可以避免熱處理造成柱孔的變形。鉆鉸后的柱孔粗糙度要保持在1.6微米以下，粗糙度值越小，聚晶金剛石復(fù)合柱齒在鋼基體中鑲嵌的越牢固，而且還可以適當(dāng)減小聚晶金剛石復(fù)合柱齒與鋼基體之間的過盈量，減小鉆頭的內(nèi)應(yīng)力，增加鉆頭基體強(qiáng)度，提高鉆頭的使用壽命。

4)聚晶金剛石復(fù)合柱齒的選配。鉆鉸后的柱孔應(yīng)選擇內(nèi)徑千分尺來進(jìn)行測量并標(biāo)出測孔尺寸，根據(jù)冷壓固齒的過盈量選擇合適的聚晶金剛石復(fù)合柱齒進(jìn)行配柱。

為了保證聚晶金剛石復(fù)合柱齒不脫落必須保證鑲嵌到鋼基體上的聚晶金剛石復(fù)合柱齒與柱孔之間有有一定的過盈量，使之鑲嵌牢固。我們從資料中得出：φ12-φ20的硬質(zhì)合金齒其鉚鑲過盈量在 0.079-0.143mm[7]。按照其過盈量筆者進(jìn)行了多次的試驗(yàn)，最后確定聚晶金剛石復(fù)合柱齒的最佳過盈量為0.06-0.10mm。同時(shí)為了保證過盈固齒的精度，在生產(chǎn)過程中必須對每一個(gè)孔徑和聚晶金剛石柱齒進(jìn)行嚴(yán)格測量，保證聚晶金剛石柱齒和鉆頭基體上的孔徑一一對應(yīng)。

4 試驗(yàn)情況

作者曾在廣東某地區(qū)經(jīng)緯采場進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)地層為極堅(jiān)硬的花崗巖層，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f為15-20，采用宣化金科JK590履帶式液壓鉆機(jī)和古河PCR-200-DH潛孔鉆機(jī)。此次試驗(yàn)鉆孔深度為17米，屬于中深孔，共試驗(yàn)了5個(gè)直徑為138mm的聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭。鉆頭邊齒為聚晶金剛石復(fù)合柱齒，中齒為硬質(zhì)合金齒。共鉆進(jìn)了6500m，鉆頭平均鉆孔深度為1300m，最高1500m。該礦山平時(shí)所用的普通硬質(zhì)合金潛孔鉆頭平均鉆孔深度不足350m，由此可見，聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭的使用壽命是硬質(zhì)合金齒潛孔鉆頭的數(shù)倍，在鑿巖中有非常大的優(yōu)勢，特別是在較硬巖層領(lǐng)域。

美國的生產(chǎn)試驗(yàn)表明：在水電工地致密砂巖中一個(gè)Φ76mm聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭進(jìn)尺1770米，而硬質(zhì)合金潛孔鉆頭僅進(jìn)尺91米，壽命提高約20倍，鉆巖效率提高25%[8]。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明聚晶金剛石復(fù)合柱齒在破碎巖石與鉆進(jìn)中有著非常高的優(yōu)越性。

5 結(jié)語

本文對聚晶金剛石復(fù)合柱齒的抗沖擊性能的試驗(yàn)表明，聚晶金剛石復(fù)合柱齒可以滿足破碎巖石的要求。

聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭的生產(chǎn)工藝類似于硬質(zhì)合金潛孔鉆頭，但聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭的耐磨性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金潛孔鉆頭，完全可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，并可以提高鉆進(jìn)效率，延長鉆頭的使用壽命。

聚晶金剛石復(fù)合柱齒在潛孔鉆頭上的應(yīng)用是可行的，目前存在的問題是聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭的制造成本偏高，聚晶金剛石復(fù)合柱齒性能不穩(wěn)定的問題，這是制約著聚晶金剛石復(fù)合柱齒潛孔鉆頭進(jìn)一步推廣的主要因素。

[1]趙盛春，羅立山，趙柏林.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對潛孔鉆頭使用壽命的影響.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2009(4)：29

[2]馬保松，張祖培.金剛石-立方氮化硼-硬質(zhì)合金復(fù)合柱齒的研究.材料科學(xué)與工程.2000：18

[3]Snedden M V，Hall D R.Polycrystalline Diamond;manufacture，wear mechanisms and implications for bit design[C].SPE 1706，1987.9

[4]Tracy Hall H，Jr.hall David R.Percusion drilling with polycrystalline diamond-enhanced inserts[A].1987

[5]方海江，張珂銘，于慶增.一種超硬材料潛孔鉆頭[P].中國專利：CN 202194577 U，2012-04-18

[6]李嫚，張弘弢.聚晶金剛石最佳磨削速度的試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù)，2002，36(10)：10-13.

[7]潘光永.大口徑潛孔鉆頭的試制.機(jī)械與電子，2009(15)：79

[8]李杰，姜榮超，吳治南，楊世珍.提高煤田采掘用PCD截齒性能的研究.金剛石與磨料磨具工程.2009(4)：11