浅谈控制热压孕镶金刚石钻头质量的几方面措施

2010-09-19叶兰肃南青民刘建福

地质装备 2010年6期

关键词：胎体热压研磨

叶兰肃南青民刘建福

(1.河北地矿局探矿技术研究院河北燕郊 065201)

(2.国土资源部地质实物资料中心河北燕郊 065201)

浅谈控制热压孕镶金刚石钻头质量的几方面措施

叶兰肃1南青民2刘建福1

(1.河北地矿局探矿技术研究院河北燕郊 065201)

(2.国土资源部地质实物资料中心河北燕郊 065201)

通过对热压孕镶金刚石钻头原材料、金刚石参数、胎体配方、模具尺寸、钻头组装及烧结工艺参数等采取有利的控制措施,使钻头质量具备稳定而可靠的性能。

金属粉末金刚石胎体配方模具尺寸钻头组装烧结工艺

1 影响热压金刚石钻头质量的因素

通过对热压金刚石钻头多年的研究和生产,发现影响钻头质量的因素主要有:金属粉与金刚石的质量、钻头胎体硬度与岩石性质的适应性、石墨模具尺寸的精确度、烧结工艺参数的确定等几方面。

2 控制钻头质量的几点措施

2.1 结合剂材料的选择

热压孕镶钻头所用结合剂是一种比较复杂的多元体系,在实际工作中它属于多元系固相烧结,即烧结温度低于黏结成分熔点温度,但黏结成分处于塑性或半熔融状态。结合剂主要包括两大类成分:

(1)骨架材料,常用的有 WC、YG6、YG3硬质合金混合粉,W粉等高熔点、高硬度、高耐磨性的金属粉末材料。这些材料对金刚石的腐蚀性较小,线膨胀系数较小,具有一定的耐热性;

(2)黏结金属,起填充骨架间隙,粘牢金刚石的作用。常用的黏结金属有钴、镍、锰、锌和663青铜粉等。其中Co是不可缺少的黏结相。多元系粉末烧结温度下,由于其中易熔成分(如Co)熔化后发生液相烧结,熔化了的Co湿润 WC颗粒,并使WC颗粒表面熔融,使得颗粒相互靠拢,从而促进钻头的收缩与致密化过程。

2.1.1 选择的结合剂必须满足下列的基本要求

①结合剂各组分高温下不与金刚石起任何化学作用;

②结合剂合金的线膨胀系数应与金刚石相近;

③结合剂必须有足够的耐磨性和强度;

④结合剂合金有良好的导热性。

2.1.2 防止结合剂粉末氧化、脏化

制造金刚石钻头所选用的结合剂粉末粒度一般在200目以细,有些结合剂粉末极易氧化和脏化。对于这些结合剂粉末日常储存一定要做到密封存放,即:新购买的结合剂粉一定是小袋真空包装(约1～2kg),当打开新的一袋后,要尽早用完,剩余部分密封好放入干燥器皿中,做到既防氧化又防潮、防脏的目的。金属粉被氧化后,其烧结活性大为降低,会严重影响钻头的质量性能。当出现异常情况如:氧化、受潮、脏化等,为了保证金刚石钻头的质量,应该禁止使用或及时进行还原处理后才能使用。否则,使烧结出的钻头会出现裂纹或掉块现象等。

2.1.3 钻头钢体与石墨的选择

因碳钢热性能变化不大,并且有足够的强度,作为钻头钢体的原料经常被采用(例如45号钢)。热压法制造孕镶金刚石钻头要求采用高强度石墨,选用的石墨一定具备高强度、高致密、气孔少的特点。

2.2 钻头胎体配方要做到与钻进岩层相适应

(1)金刚石钻头胎体硬度的确定

金刚石钻头胎体的硬度一般根据钻进岩石的硬度及研磨性确定。在强研磨性及硬、碎、脆地层采用高硬度胎体;在硬、弱研磨性或中研磨性地层采用中低硬度胎体。根据多年对热压孕镶金刚石钻头的研究与生产实践,确定钻头胎体硬度时一定要紧密结合钻进的矿区岩石性质而定。当某种胎体硬度配方使用效果突出,就认为这种胎体硬度配方适合所有的岩石,这是一种错误的认识。一定与所施工矿区的用户保持联系,了解钻头使用情况(比如:时效、使用寿命等)。同时也要关注钻进规程参数(钻压、转速、泵量等),在综合考虑以上因素情况下来确定钻头胎体的硬度配方并根据实际应用情况进行及时调整,见下表。

钻头胎体硬度及适用地层

去年我院生产的绳索Φ77×46金刚石钻头,在唐山司家营矿区进行钻进施工并取得了良好效益。该矿区矿石类型分为磁铁石英岩和赤铁石英岩两大类。矿石矿物主要以石英为主,次为阳起石、透闪石、普通角闪石和辉石。矿石以细粒变晶结构为主,其次为纤维粒状变晶结构。岩石硬度8～9级,有的高达10级左右;非矿层岩石的研磨性中等,矿层的研磨性为弱研磨性。根据钻进岩石情况,我们及时调整配方,经十多种配方的室内试制;硬度、强度测试、观测合金化情况;把持金刚石的能力等,再积极进行野外的跟踪试验,最后筛选出0806号配方,该配方的特点:钻头胎体有较低的耐磨性;强度较高;很好的对金刚石的把持力,较强的适应广泛性(矿层、非矿层都比较适应)。因确定的钻头胎体配方与钻进岩石性质相适应,在实际施工中取得了良好的效果,钻头平均时效达3.05m/h,使用寿命约70m。

(2)金刚石参数的优选

播种后，分别记载各品种的出苗期，并在出苗后观察统计各生长阶段的生长势、病虫害发生情况和倒伏情况；在大麦成熟后，每小区随机抽选10株进行考种，测量并记载其株高、穗长、小穗数、穗粒数等性状，同时将每个小区分开，单收、单脱、单计产，并折算产量。试验数据采用Excel2003和SPSS统计软件进行分析处理。

金刚石的参数主要包括粒度、强度、浓度,如何选择性能优良的金刚石关键是要把握好参数的选择。孕镶金刚石钻头所用金刚石的粒度一般为30/45～80/100目、品级为 MBD12、SMD 型,金刚石浓度的确定必须根据岩粉和砂粒的平均粒径大小来确定,应保证金刚石颗粒在胎体间的平均距离不大于岩粉和砂粒的平均粒径,其浓度一般为45～100%不等。金刚石参数的确定与所钻进岩石硬度及研磨性相适应,如钻进硬-坚硬、弱研磨性岩石时,宜采用细粒、高强度、低浓度金刚石。在唐山司家营矿区进行钻进施工,根据该矿区的矿区岩石性质,对金刚石参数的确定选择较高品级的金刚石——MBD12(SMD);金刚石粒度为50/60目;金刚石的浓度为15%为宜,同时设计较大的水口结构,钻头在钻进过程中达到比较高的效率(时效达到3.5m/h)。

3 控制好钻头模具尺寸的精确度

3.1 控制钻头模具尺寸的精确度的目的

一是控制钻头胎体的尺寸精度;二是控制钻头胎体性能。

3.2 钻头几个关键尺寸的确定与控制

(1)钻头石墨底模内径的确定

钻头底模是成型粉末料压制和烧结腔,直接决定钻头形状、尺寸、精度,底模尺寸是整个模具配合优先考虑的基础。其主要尺寸确定,确定底模内径最为关键,内径的确定应满足结合剂收缩后所需钻头外径的需求。热压法烧结钻头石墨底模内径可参照下式确定:

式中:D为钻头名义尺寸,mm;tn为烧结温度,℃;to为室温(取20℃);α石为烧结温度下石墨的线膨胀系数,5.4×10-8/℃;α胎为结合剂材料的收缩系数,一般可视作和线膨胀系数相等。

(2)钻头石墨芯模外径的确定

钻头芯模外径决定了钻头的内径尺寸,因此,芯模直径的确定,必须保证钻头成型收缩后满足所要求的内径尺寸。它与钢体内径的配合间隙力求尽可能小为宜,以免导致在热压过程中成型料中结合剂的液相流失。

式中:d为钻头内径名义尺寸,mm;h2为芯模的高度,要大于结合剂压实后的高度mm;α石为石墨的线膨胀系数,5.4×10-6/℃;α胎为结合剂的线膨胀系,15×10-6/℃;tn为烧结温度,℃;t0为室温(取20℃)。

(3)钢体外径与模具配合间隙的控制

式中:α3为钢体的线膨胀系,对 45﹟钢材,α3=(14～15)×10-6/℃。

4 控制好钻头的组装

4.1 组装前的检查

组装钻头前首先要检查模具的完好程度;其次要准确测量芯模直径和高度、钢体的内外径和高度,使其尺寸达到设计的要求;最后一定要把石墨模具、底环、水口块上的石墨粉清理干净,防止带入胎体粉料中。

4.2 金刚石与胎体粉料的均匀混合

用适量的酒精把金刚石浸透后,倒入胎体粉料,经过均匀搅拌,使金刚石与胎体粉料均匀地混合在一起。防止使用酒精过多或过少,避免使金刚石产生富集现象;搅拌时间不宜过长,酒精易蒸发导致金刚石出现分选。

4.3 聚晶的粘结与插放要适宜

当钻头是软胎体时,采用粘结的方式,使聚晶距含金刚石胎体料一定的高度;钻头是硬胎体时,采用把聚晶贴芯壁和模具内壁插入含金刚石胎体料中一定的深度。这样既能使聚晶很好的起到保径的作用,又能使金刚石很好的出刃,从而提高钻进效率。

4.4 钻头钢体的结构与净化

为了加强钢体和胎体连接部分烧结的结合强度,能够承受钻进中的扭力和冲击力,把钢体与胎体连接部分做多种不同的形状来增加胎体料和钢体间的接触面积或机械镶嵌力。钢体压入模具前一定仔细清洗,先用去污粉洗去油污并擦干净,再用丙酮清洗,晾干;钢体锈斑严重时,可用强酸进行去锈处理。以保证胎体和钢体具有足够的连接强度。