聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的研制

張珂銘 魏 杰

(1.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州450016;2.河南四方達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生的應力沖擊波不斷高頻沖擊巖石表面，巖石在沖擊作用下產生放射性裂紋源而破裂，在鉆桿旋轉作用下產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，硬質合金齒主要承擔來自沖擊器的高頻應力波，直接將高頻應力波傳遞到巖石表面，參與切削工作。

潛孔鉆頭在工作時，硬質合金齒的受力情況極為復雜，特別是邊合金齒，在高頻沖擊力作用下，產生的彎矩和扭矩，極易造成硬質合金齒的折斷和破碎，而且硬質合金齒鉆頭普遍存在合金齒耐磨性差的問題。特別是在堅硬磨蝕性強的礦巖中鉆進時，鉆頭周邊齒磨損嚴重，已成為當前鉆頭壽命短、鉆進效率低的主要原因[2]。為此，國內外科研與生產制造商都在采用多種途徑以提高硬質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于1987年研制成功的聚晶金剛石復合柱齒。其在中小釬頭、石油牙輪鉆頭的應用中取得了較好的效果。目前國內市場上的潛孔鉆頭主要還是以硬質合金齒潛孔鉆頭為主，聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭在國內市場上還鮮有見聞。為此，非常有必要對聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭進行深入研究。

2 聚晶金剛石復合柱齒

聚晶金剛石復合齒是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質合金一次燒結而成的超硬材料制品，它不但具有金剛石所具備的強度高，耐磨等優點，同時還具備了硬質合金所具備的抗沖擊性強、出刃大等特點。其關鍵技術是采用了過渡層結構，即在1450℃高溫與6x106kPa高壓下燒結復合多層聚晶金剛石(PCD)包覆的硬質合金柱齒[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，殘余應力與剝落現象減少，沖擊韌性提高。

圖1 聚晶金剛石復合柱齒

隨著超硬材料技術在中國30多年的發展，目前金剛石強化柱齒在國內也開始實現了規模生產。

3 聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭

傳統的硬質合金潛孔鉆頭在開采硬度較軟的巖層時，可以滿足使用要求，但在偏硬的地層中鑿巖時，由于硬質合金的耐磨性不夠而使潛孔鉆頭的使用壽命過短，進尺速度慢，造成掘進效率低下。聚晶金剛石復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合柱齒代替了傳統的硬質合金柱齒[5]，很好的解決了在面對極硬地層時硬質合金柱齒不耐磨的問題。

3.1 聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的結構

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

圖2 聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭

3.2 聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭制造工藝

3.2.1 聚晶金剛石復合柱齒的選用

聚晶金剛石復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、耐磨性以及與硬質合金相當的抗沖擊性[6]。天然金剛石是自然界硬度最高和耐磨性最好的物質，因此我們在選用聚晶金剛石復合柱齒時主要考慮其抗沖擊性能。根據資料介紹，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合柱齒至少要能夠承受15J的沖擊力。

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

表一：

表二：

通過表一的工作參數，由表二可以看出，選用的國內某廠家生產的兩種規格的聚晶金剛石復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 生產工藝流程

為了既保證潛孔鉆頭的質量，又節約生產成本，設計工藝流程如下：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—聚晶金剛石復合柱齒選配—冷壓固齒—噴漆—包裝入庫。

3.2.3 工藝要點

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

2)熱處理。為了使潛孔鉆頭鋼基體得到良好的機械性能，在加工好外形后必須進行熱處理，這樣可以提高鋼材的屈服強度和沖擊韌性。

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，聚晶金剛石復合柱齒在鋼基體中鑲嵌的越牢固，而且還可以適當減小聚晶金剛石復合柱齒與鋼基體之間的過盈量，減小鉆頭的內應力，增加鉆頭基體強度，提高鉆頭的使用壽命。

4)聚晶金剛石復合柱齒的選配。鉆鉸后的柱孔應選擇內徑千分尺來進行測量并標出測孔尺寸，根據冷壓固齒的過盈量選擇合適的聚晶金剛石復合柱齒進行配柱。

為了保證聚晶金剛石復合柱齒不脫落必須保證鑲嵌到鋼基體上的聚晶金剛石復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的硬質合金齒其鉚鑲過盈量在 0.079-0.143mm[7]。按照其過盈量筆者進行了多次的試驗，最后確定聚晶金剛石復合柱齒的最佳過盈量為0.06-0.10mm。同時為了保證過盈固齒的精度，在生產過程中必須對每一個孔徑和聚晶金剛石柱齒進行嚴格測量，保證聚晶金剛石柱齒和鉆頭基體上的孔徑一一對應。

4 試驗情況

作者曾在廣東某地區經緯采場進行現場生產試驗。試驗地層為極堅硬的花崗巖層，巖石堅固性系數f為15-20，采用宣化金科JK590履帶式液壓鉆機和古河PCR-200-DH潛孔鉆機。此次試驗鉆孔深度為17米，屬于中深孔，共試驗了5個直徑為138mm的聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭。鉆頭邊齒為聚晶金剛石復合柱齒，中齒為硬質合金齒。共鉆進了6500m，鉆頭平均鉆孔深度為1300m，最高1500m。該礦山平時所用的普通硬質合金潛孔鉆頭平均鉆孔深度不足350m，由此可見，聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的使用壽命是硬質合金齒潛孔鉆頭的數倍，在鑿巖中有非常大的優勢，特別是在較硬巖層領域。

美國的生產試驗表明：在水電工地致密砂巖中一個Φ76mm聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭進尺1770米，而硬質合金潛孔鉆頭僅進尺91米，壽命提高約20倍，鉆巖效率提高25%[8]。這些試驗數據說明聚晶金剛石復合柱齒在破碎巖石與鉆進中有著非常高的優越性。

5 結語

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

聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的生產工藝類似于硬質合金潛孔鉆頭，但聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的耐磨性要遠遠高于傳統硬質合金潛孔鉆頭，完全可以滿足實際生產需要，并可以提高鉆進效率，延長鉆頭的使用壽命。

聚晶金剛石復合柱齒在潛孔鉆頭上的應用是可行的，目前存在的問題是聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭的制造成本偏高，聚晶金剛石復合柱齒性能不穩定的問題，這是制約著聚晶金剛石復合柱齒潛孔鉆頭進一步推廣的主要因素。

[1]趙盛春，羅立山，趙柏林.結構設計對潛孔鉆頭使用壽命的影響.鑿巖機械氣動工具，2009(4)：29

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

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[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研究[J].工具技術，2002，36(10)：10-13.

[7]潘光永.大口徑潛孔鉆頭的試制.機械與電子，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