复合型无压扩孔器的研制与应用

叶兰肃，葛丽燕，陈风河，李光宏，王金河

（1.河北省地矿局探矿技术研究院，河北 燕郊 065201；2.河北省地质十一队，河北 邢台 054000；3.河北省地矿局石家庄综合地质大队，河北 石家庄 050085）

0 前言

扩孔器是金刚石小口径地质勘探的必备工具。金刚石扩孔器是金刚石钻探钻具组合中必不可少的工具之一。它位于钻头和岩心管之间，与钻头相配合，在钻进中所起的主要作用是：修磨孔壁；保持孔内钻具的稳定性；延长钻头寿命。在实际钻探施工中扩孔器存在以下主要问题：扩孔器外径部分易磨损，保径性能差导致扩孔器寿命降低；在钻进施工中扩孔器修磨孔壁能力低，延长了扩孔的时间，降低了钻进效率。尤其是在采用绳索或绳冲深孔钻进时，因扩孔器外径的过度磨损导致提大钻，从而延长了钻进的辅助时间，降低了钻进效率。

1 扩孔器烧结方法的选择

采用无压浸渍法烧结扩孔器。无压浸渍法烧结扩孔器是粉末冶金的一种形式，它是将一定量的骨架粉末装入粘有聚晶和金刚石的扩孔器模具中，经过适当的敲振后使骨架粉末达到规定的装料密度，然后在其上部装入一定量的粘结金属。在烧结过程中当达到烧结温度后，粘结金属熔融，靠毛细作用使粘结金属浸入到骨架粉末中形成一种假合金胎体，借助粘结金属与钢体的热分子交换使胎体与钢体焊接。出炉冷却后，胎体即可达到所需求的性能，如机械强度、硬度、以及对金刚石及聚晶包镶能力等。

2 扩孔器胎体配方

在确定胎体配方时不能只注重扩孔器胎体的硬度，而应注重提高其耐磨性以提高使用寿命，不应将胎体硬度提高的很高，这样胎体的脆性必然很大，脆性大的材料和钢体的连接强度就会受到影响，因此我们选择中高硬度的胎体配方，进行制作扩孔器。

为使扩孔器的胎体具有一定强度和硬度，我们采用的骨架成分为 WC、W2C等，粘结金属为Cu、Zn等。按一定比例确定扩孔器胎体配方，经过多次的研制、生产与应用，我们研制的的扩孔器具有较高强度和硬度以及良好的耐磨性，胎体硬度：HRC 50～55。

为避免装模过程中容易和别的低密度的粉末产生偏析，加之密度大的粉末其流动性会较差，将影响装料的均匀性，同样会影响胎体的性能，在确定骨架成分Wc含量时，一定不能含量太高。

3 扩孔器的切磨材料及其镶嵌方式

为使复合型扩孔器的扩刃胎体部分具有一定的磨削能力，提高扩孔器修磨孔壁的能力。在扩孔器的扩刃胎体部分置入双重的切磨材料，即人造聚晶及优质的大颗粒金刚石。聚晶保径部分和金刚石保径部分面积比设计2∶3。聚晶保径部分能承担很大一部分震击载荷，对金刚石具有保护作用，使金刚石保径部分对孔壁具有稳定的磨削作用。两部分作用各有主次，相辅相成，最终达到较好的扩孔效果和稳定粗径钻具的作用。

我们采用表镶的镶嵌方式，采用一定规格的长方体聚晶，以增大聚晶与孔壁的接触面积（最初用用圆柱形聚晶）；采用大粒度、高品级优质金刚石，并使两者均匀交错表镶在扩刃部胎体处。金刚石分布密度要适中，聚晶一般每胎块聚晶6～8粒，聚晶采用竖直方向均匀布置胎体处；金刚石与聚晶交错均匀孕镶在胎体的表层。

4 扩孔器胎体结构的设计

研制的复合型无压扩孔器由以下部分组成：钢体、水槽、聚晶、金刚石、扩刃部胎体等。结构示意如图1。

图1 复合长效无压扩孔器结构图

胎体与水槽形状设计为螺旋形，螺旋角拟设计为40°～45°，有利于冲洗液流通和减小回转阻力。

如果模具设计不合理，胎体粉料的收缩系数与模具的内径公差配合不当易造成胀坏模具和导致胎体裂纹。

扩孔器的外径要得到保证，不能完全依靠理论计算设计模具，而应通过多次试验、修改与完善，最后确定模具尺寸与公差值。我们在多年的研制过程中已经形成了比较成熟的经验数值：模具内径与成品外径的公差为0.3～0.6mm扩孔器的外径应严格控制公差范围：0.2～0.03mm，外径比钻头大0.3～0.5mm。

为防止包镶聚晶的胎体同扩孔器的钢体结合不牢。在扩孔器刚体与胎体料相配合部位，在刚体上加工一定深度的细螺纹，增加胎体金属粉料与钢体的接触面积牢固度，从而提高了扩孔器胎体与钢体的连接强度。

5 组装工艺

每份等量装入骨架粉料，装入粉料的高度适宜后，进行一定幅度的敲振，边敲击边转模具方向，以使骨架料振实振匀，在多次的制作过程中，总结经验，掌握好合适的振动幅度和次数，以保证产品质量的稳定。骨架粉料装入完毕后，均匀倒入粘接金属粉，等待烧结。

烧结工艺对于无压浸渍法制作的扩孔器是一个非常重要的环节，若烧结工艺掌握不好则最终会影响到产品的质量。我们主要控制好烧结温度，即温度高出粘结金属熔点的30℃左右即可，保温时让粘结金属始终处于熔融流动状态，掌握好保温时间，一般是15～18min左右，根据扩孔器规格而进行适当的调整，既要让粘结金属渗透到扩孔器底部又要防止温度过高粘结金属流失过多，因此控制好温度及掌握好保温时间是至关重要的两个因素。

烧结工艺参数的调整：主要是烧结温度的调整，烧结温度保证在890～910℃范围；出炉温度由750℃降低到700℃，防止胎体收缩过快，出炉后放到保温箱中逐渐降到室温

6 野外试验效果

我们在河北省张家口庞家堡矿区（铁矿）、赤城陈家窑矿区（铁矿）进行了野外试验，取得了较好的技术经济效果。

6.1 施工矿区地层及矿体特点

试验矿区为庞家堡矿区和赤城陈家窑矿区，两矿区均为铁矿，矿区岩石主要为白云岩类，砂岩类。

6.2 试验孔号

ZK1-3，ZK1-5（庞家堡矿区）；ZK70-2，ZK70-4，ZK64-7（赤城陈家窑矿区）

6.3 设备配置

钻机：XY-6B，XY-44

钻塔：18m管直塔，13m液压塔.

水泵：BW250

发电机组：100kW，200kW

6.4 钻进工艺参数

Φ75绳索取芯工艺参数：钻压6～11kN；转速400～850r／min；泵量：40～65L／min

6.5 聚晶钻头野外应用效果

通过在以上几个钻孔的试验应用，扩孔器平均寿命达到200～300m／个，节约了钻探成本，提高了钻进效率。

7 结论

（1）复合型无压扩孔器具有较高的修磨孔壁能力，缩短了扩孔的时间，提高了钻进效率。

（2）复合型扩孔器使用寿命较长，平均寿命达200～300m／个，尤其是在采用绳索钻进，减少了提大钻次数，延长了纯钻进时间，提高了钻进效率，降低了钻探成本。

（3）扩孔器同心度较好，未出现偏磨现象。

（4）扩孔器胎体与钢体接触处出现拉槽，有待进一步改进和提高。

［1］赵尔信.金刚石钻头与扩孔器.北京：地质出版社，1989.

［2］张士博.钻头与钻具设计制造新工艺新技术与质量验收标准规范实物全书.北京：北方工业出版社，2003.

［3］万隆，等.超超硬材料与工具.北京：化学工业出版社，2006.