進一步提升金剛石鉆頭設計制造水平的思考①

鄭超

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

進一步提升金剛石鉆頭設計制造水平的思考①

鄭超

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

為了適應當前大力開展礦產(chǎn)資源地質勘探和深部找礦的需要,進一步提升金剛石鉆頭設計制造水平,研制高效率、長壽命新型鉆頭,促進金剛石鉆頭產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化,規(guī)模化生產(chǎn),結合從事金剛石鋸片等其它工具研制的經(jīng)驗,提出一些新的鉆頭設計制造思路,供業(yè)內同行參考,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)略的實施,國家十分重視礦產(chǎn)資源地質勘探工作,要求積極開展深部(500米以深)找礦。這方面將有大的投入,對地質鉆頭的需求量也將有更大增長,而對其性能和質量的要求則更高,更需要研制出超乎常規(guī)的長壽命地質巖芯鉆頭。這預示著沉寂多年的巖芯地質鉆頭又將掀起一陣大發(fā)展的浪潮。近年來,巖芯地質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用之外,在熱壓燒結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,國家標準也沒有出臺。審時度勢,若要適應形勢發(fā)展,搶占先機,則需要打破傳統(tǒng)觀念,采用新材料、新技術、新工藝,不斷創(chuàng)新,研制出適應深孔鉆進的高效率、長壽命鉆頭。為此,結合從事金剛石鋸片等其它工具研制的經(jīng)驗,提出一些新的鉆頭設計制造思路,供業(yè)內同行參考,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)或進口自動冷壓機壓制鉆齒

我院利用韓國D IEX公司的32V PM 型容積式自動冷壓機生產(chǎn)各種鉆齒?？梢詢纱窝b料,也就是能自動裝工作層粉和非工作層粉。每分鐘壓鉆齒4～6個,班產(chǎn)約2000個,重量精度達到±0.05g,有利于批量生產(chǎn)并保證產(chǎn)品質量穩(wěn)定。只是在生產(chǎn)工藝流程中增加“粉末制粒”和“冷壓”二道工序。

(1)生產(chǎn)工藝流程:見圖1所示。

(2)冷壓模具設計典型

以Φ75鉆頭為例,外徑Φ75mm,內徑Φ54.5mm,水口數(shù)6個,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。模具工作壽命達到8000次以上。

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

1.1.2 利用20～30噸普通壓力機壓制鉆齒

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

1.2 采用預合金粉末制造地質鉆頭

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

(1)有利于提高地質鉆頭的胎體性能

由于預合金粉末比機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)預合金粉末的熔點較低,相對的燒結溫度也低,可避免對金剛石的熱損傷,提高金剛石的利用率,可適當降低金剛石濃度。

目前國內廣泛采用6-6-3青銅作為鉆頭胎體的粘結劑,其力學性能比較低,所粘結胎體的硬度也較低,如果把Cu與碳化物形成元素制成預合金粉末,必將大大改善胎體對金剛石的粘結性能,有效地提高金剛石地質鉆頭的產(chǎn)品質量。國內一些院校和科研單位正在開展這方面的研究試驗,并取得一定效果,值得進一步推廣使用。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的預合金粉制造工程鉆頭。試驗結果表明,鉆進效率和工作壽命指標接近純鈷鉆頭。但它的制造成本低,燒結溫度只要750℃。北京有研粉末新材料有限公司推出的預合金粉末有YHJ-1、YHJ-2型兩種,據(jù)推薦適于制造地質鉆頭。YHJ-1型超細預合金粉末呈多孔團聚狀,平均顆粒直徑為6～9微米,比表面積高,粉末活性大,較低的燒結溫度即可獲得高的燒結硬度。熱壓燒結溫度750℃～800℃時,硬度可達HRB95-108,密度可達98%。YHJ-2超細預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,具有適應性廣,成本低的特點,有關鉆頭生產(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合金粉末

我國稀土元素資源非常豐富,占世界儲量的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合金粉末,使用效果更為明顯。不少學者研究試驗表明,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L a-N i合金含量達到1.5%時,硬度達到最高值HRB92;而當L a-N i合金含量超過1.5%時,硬度反而下降。圖5顯示稀土合金加入量對胎體抗彎強度的影響。由圖可見,隨著稀土合金粉末含量的增加,胎體抗彎強度提高,當添加量達到1%時,純胎體材料抗彎強度達到最大值640 M Pa,高于未加L a-N i合金粉末胎體材料的抗彎強度(514 M Pa)。當添加量超過1%時,隨著稀土合金粉含量的增加,胎體的抗彎強度反而下降。

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,中國地質大學等有關院校、科研單位做了大量的機理研究和試驗工作,可以展望,具有中國特色的稀土預合金粉末將普遍地用于制造地質鉆頭,使我國金剛石地質鉆頭的制造水平達到新的高度。

1.4 鉆進堅硬弱研磨性(打滑)巖層地質鉆頭的研制進展

自從20世紀70年代推廣人造金剛石鉆探技術以來,攻克堅硬打滑地層一直是鉆探界的攻關難題。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,但卻由于鉆頭鉆進時打滑,鉆進效率極低,或不進尺,耗費大量時間鉆頭卻難以穿越,嚴重影響礦區(qū)勘探進度。為解決鉆頭打滑問題,科研人員在鉆頭結構和胎體材料各方面進行了大量的多方面的研究探索,如設計各種異形唇面結構鉆頭、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度減弱,鉆進中會提前從胎體中脫落。脫落的金剛石會磨損胎體,有利于未脫落的金剛石出刃,達到不斷自銳出刃,不斷進尺的效果。

設計和制造弱包鑲地質鉆頭的關鍵問題是要根據(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。只有當金剛石工作到一定程度,即不能有效地刻取和破碎巖石時,才可以讓其脫落。否則,過早脫落,會降低金剛石的工作壽命,而太晚脫落,又會出現(xiàn)打滑不進尺的情況。這樣的尺度難以把握。

制造弱包鑲地質鉆頭,首先將金剛石用機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、燒結等后續(xù)工序即完成弱包鑲地質鉆頭的制造。

由于金剛石與胎體之間隔著一層強度較低的弱包鑲層,從而減弱胎體對金剛石的包鑲強度,當胎體磨損,金剛石出露到一定程度,就會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,鉆進堅硬打滑地層不會造成鉆頭打滑現(xiàn)象,鉆進效率和回次進尺均能取得明顯的效果。金剛石造粒包衣的設備可以選用醫(yī)藥設備中的滾動造丸機,還可以選用D IEX公司的GA 10型金剛石包衣機。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鉆頭上的應用研究

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的推出。國內市場已經(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)。而該項技術在地質鉆頭上的應用還未見報道。筆者認為,在地質鉆頭上引用該項技術才是最合適的,其理由:

(1)地質鉆頭唇面比較厚,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,既有利于提高鉆進效率又能降低成本。

(3)制造工藝并不復雜,相當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)過熱壓燒結即可。

(4)由于有序排列金剛石鉆頭鉆進效率高,工作壽命長,適用于制造深孔鉆進鉆頭或厚壁的繩索取芯鉆頭,也適用于鉆進堅硬打滑地層。因為這種鉆頭金剛石濃度低、金剛石出刃值大,自銳性好,不會造成鉆頭打滑現(xiàn)象。

由此可見,該項技術值得進一步研究推廣,首先要在如何實現(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“點膠法”,都要實現(xiàn)機械化,自動化,才能解決批量生產(chǎn)問題。

1.6 激光焊接地質鉆頭的研制

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,再厚就必須采取內外焊的方法,才能解決問題。

地質鉆頭的壁厚一般在10mm左右,可以適當?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。國外地質鉆頭的鋼體壁厚都不超過5mm。只要激光焊機的小激光頭能伸進鉆頭內,實現(xiàn)內壁激光焊接,就可以在大規(guī)格地質鉆頭上實現(xiàn)鉆齒的激光焊接。激光焊接地質鉆頭的優(yōu)點是:

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

(2)不用整體石墨模具,大大降低成本。因為鉆頭越大,芯模越大,整體燒結一次,廢一個,成本高。

(3)鉆齒單獨燒結有利于提高胎體性能,生產(chǎn)效率高。

(4)激光焊接易于實現(xiàn)自動化,生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。

國內外激光焊機生產(chǎn)廠家在設計上既應考慮能焊鋸片又能焊鉆頭的同時,也要考慮到更換不同的激光頭進行鉆頭的內外焊接。但至今未見有實際應用的報道。相信不久的將來,隨著激光焊接設備問題的解決,激光焊接地質鉆頭將大量出現(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時間少,起下鉆具的輔助時間多,臺月效率低,每米進尺成本高。繩索取芯鉆進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,到鉆進幾十米之后仍然要起鉆。如果鉆頭壽命能達到百米以上,是常規(guī)鉆頭的4倍甚至5倍,那樣將大幅度提高純鉆時間,減少起下鉆的輔助時間,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)新型的鉆頭胎體結構設計。要解決鉆頭胎體的長時間等效自銳性;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:

(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100米以上。

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

(3)內外徑有很好的保徑措施,鉆進穩(wěn)定,減少鉆孔彎曲,有利提高擴孔器壽命,提高鉆進效率。

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

nozzles made by U SA

3 結束語

上述論點僅是筆者在思考金剛石鉆頭進一步發(fā)展時的一些想法,并未付諸實現(xiàn)。有些想法做了一點工作,也遇到難題,如鉆頭的內壁激光焊接未能成功而使工作未能有進一步發(fā)展。但它仍不失為一種大膽而有希望的設計思路,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,努力予以實現(xiàn)。

[1] 呂智,鄭超,等.超硬材料工具設計與制造[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.釬焊地質金剛石鉆頭的試驗與研究[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,縮短燒結時間,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。