CN101122212A - 夹石土耐磨抗冲击钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土建钻探工程中使用的夹石土耐磨抗冲击钻头，钻头母体以7Cr7Mo2V2Si钢作为基材，表面熔覆有一层耐磨的Stellite190钴基合金强化层；母体的上段设有径向外凸的硬质合金条形块，母体的中下段设有硬质合金的弹丸状小凸柱，母体的下端设有楔形YG11C型钨钴硬质合金切削刀片。本钻头耐磨和抗冲击，具有切削土壤和破碎岩石的双重功能，适合对夹有石块、岩层的夹石土地层的快速高效钻探作业。

Description

夹石土耐磨抗冲击钻头

技术领域

本发明涉及土建工程中用于土层钻孔的钻探机具的钻头，特别是对土中夹有石块、岩层的夹石土地层进行钻孔作业使用的钻头。

技术背景

目前，关于夹石土的钻探问题是世界范围内尚未解决的难题。夹石土的地质结构复杂，主要表现为土中夹有石块、岩层或者石夹软土层(土壤)。由于石质远比土质坚硬，二者阻力相差很大，且石块、土层的分布无规则，钻探机具在钻孔作业中，钻头受到的阻力作用点多变，阻力变化无规律，从而大大增加了在夹石土中成孔的难度。因为钻土和钻石的切削机理不同，前者是钻头切削土壤，而后者则是靠钻头与岩石间的挤压和摩擦使岩石产生微裂纹而致使其从地层中剥离。目前国内外尚无专门用于夹石土地质条件下的钻头，能用于切削土壤的钻头不能钻石，而能钻岩石的钻头又不能切土。例如凿岩机的钻头只能适用于纯岩石钻孔，无法在夹石土中破碎岩石；风镐、液压锤等器具则仅能破碎硬土层或较浅的岩层，但不适于夹石土施工；而土钻等切土机具钻头只适于切削土壤，这不仅是因为材质强度较低钻石容易被磨损或损坏，而且其结构也不适于对夹石土中的不规则石块的破碎，因此，急需研制适用于夹石土地质条件下的钻头。

发明内容

本发明的目的是提供一种夹石土耐磨抗冲击钻头，解决夹石土条件下钻具的钻头耐磨和抗冲击难题，使钻头具有切削土壤和破碎岩石双重功能，满足夹石土条件下钻头的耐磨损和抗冲击的性能要求。

本发明的夹石土耐磨抗冲击钻头含有以7Cr7Mo2V2Si钢作为基材的母体，母体的表面熔覆有一层耐磨的Stellite190钴基合金强化层；母体的上段设有径向外凸的硬质合金条形块，母体的中下段设有硬质合金的弹丸状小凸柱，母体的下端设有楔形硬质合金切削刀片，所说的硬质合金为YG11C型钨钴合金。

所说的硬质合金弹丸状小凸柱通过母体上的盲孔嵌接固定。

所说的硬质合金条形块通过母体上的条形槽嵌接并焊接固定。

所说的楔形硬质合金切削刀片是通过母体上的槽嵌接并焊接固定。

所说的硬质合金弹丸状小凸柱在母体表面以螺旋形排列。

所说的硬质合金条形块位于小凸柱上方，在母体表面圆周排列。

所说的母体表面的耐磨钴基合金强化层是采用Stellite190合金焊条及氧-乙炔火焰使焊条下端熔滴在经加热的母材表面，直到覆盖整个母材表面，自然冷却而得。

本钻头采用7Cr7Mo2V2Si钢为基材，并在表面熔覆了强化层Stellite190，使钻头表面强度大大提高，耐磨性分别是目前常用的经调质和表面氮化处理的42CrMo合金钢钻头母材的1.2～2.5倍和3.0～8.1倍，具有优良的耐磨和抗冲击特性；对载荷和速度的适应范围较广，下端的硬质合金钢刀片具有切削土壤和破碎岩石的双重功能；镶嵌的硬质合金YG11C小凸柱及硬质合金条形块使岩石被挤、击、磨而进一步破碎，混合于土壤中而被螺旋排渣片向地面输送排出。本钻头适合夹石土区域中对夹石土地层进行快速、强力、高效切削钻探作业，解决了夹石土地层钻探施工中的钻头耐磨及抗冲击问题。

附图说明

图1是本夹石土耐磨抗冲击钻头的结构示意图。图2是图1的A向视图。

图3是氧-乙炔火焰熔覆过程示意图。

图4是表示表面强化层与母材结合情况的材料镜相图。

图中，1-钻头母体(母材+表面强化层)；2-楔形硬质合金块(YG11C)；3-弹丸状硬质合金小凸柱(YG11C)；4-条状硬质合金块(YG11C)；5-Stellite190焊条；6-氧-乙炔焊嘴。

具体实施方式

以下实施例中钻头采用以下材料：

(1)钻头母体基材：选择7Cr7Mo2V2Si钢(上海材料研究所生产)作为钻具钻头的母材，其成分(重量百分含量％)为C：0.70～0.80，Cr：6.50～7.50，Mo：1.50～2.50，Si：0.50～1.50，P：0.01～0.03，S：0.01～0.03，Mn：0.25～0.35，V：1.50～2.50，Fe：余量。热处理工艺：850℃预热，1100～1115℃淬火，油冷后530～570℃回火2～3次，每次1～2小时，硬度HRC60～63。

(2)钻头母材表面强化层：在母材表面熔覆一层表面耐磨合金强化层。强化层合金材料为Stellite190钴基合金(市售，上海司太立有限公司)，其化学成分(重量百分含量％)为C：3.10～3.20，Cr：25.5～26.5，Ni：2.5～3.50，Mo：0.50～1.50，Si：0.50～1.50，B：0.50～1.50，Mn：0.50～1.50，Fe：4.50～5.50，Co：余量。

(3)钻头镶嵌的楔形切削刀片、弹丸状小柱和条形块：钨钴硬质合金块(YG11C，株州硬质合金厂生产)。

实施例1夹石土钻头的制备方法

一.母体表面强化处理

(1)根据钻头的几何尺寸的需要，截取相应直径和长度的7Cr7Mo2V2Si钢棒材制成钻头母体，清除其表面的氧化层，使其露出真实的金属表面。

(2)用氧-乙炔火焰(调至中性火焰)将母体预热至650℃(表面呈暗红色)，然后用Stellite190合金焊条(市售)，在母体表面倾斜30°，并使焊条端部距母材表面3～6mm，用氧-乙炔火焰使焊条端头熔化(焊嘴与母材表面的夹角约成25°～30°)，滴在经加热的母材表面；按此方法依次在母材表面熔覆，直到覆盖整个母材表面。熔覆过程中，注意每滴之间应有1/3的重叠，以保证熔覆表面均匀、致密、无气孔等缺陷。

(3)将熔覆后的钻头母体，置于空气中冷却(冬季可埋入粉煤灰中缓冷)。

本方法熔覆的表面强化层与母体材料之间可达到冶金结合的程度，即熔覆表面强化层与母材之间结合牢固，可满足钻头钻削过程中的冲击要求。钻头母材与熔覆表面强化层间的结合情况如图3所示，图中可见钻头母体基材与表面强化层材料已结合成一体，二层材料之间有一过渡区域。

二.钻头附件的安装

结合图1，将楔形硬质合金块(2)镶嵌于钻头母体的下端头部的楔形槽内，并采用铜钎焊的方法将二者焊为一体。同理，将4块条状硬质合金块(4)依次镶嵌于钻头母体的上段的4个条形槽内，并用铜钎焊焊接固定。最后，将8个硬质合金弹丸状小凸柱(3)依次嵌入钻头母体中下段呈圆周螺旋分布的8个盲孔内即可。

实施例2

在MPX-2000型试验机上进行冲击磨损试验。试验条件为：室温(25℃)干摩擦磨损，空气相对湿度为RH60％，载荷分别为10N、30N、50N和100N，滑动速度分别为2.68m/s、3.99m/s和8.00m/s，每次测试总转数为1000转；对摩偶件为120#的白刚玉试块。试验结果表明：由本发明制作的钻头基体材料的耐磨性能是现常用钻头材料42CrMo合金钢(调质处理，表面渗氮)的3～8倍。

本发明制作的钻头已在某型军用快速成孔钻机上应用，用于完成在夹石土地带(江苏徐州市郊区、河北省怀莱县官庭水库和西藏羊八角地区)的快速钻削任务。应用结果表明：由本发明制作的夹石土钻头的耐磨抗冲击寿命是原钻头(42CrMo合金钢)的2～3倍，取得了良好的应用效果。

Claims (7)

1.夹石土耐磨抗冲击钻头，含有母体，其特征是母体以7Cr7Mo2V2S i钢作为基材，表面熔覆有一层耐磨的Stellite190钴基合金强化层；母体的上段设有径向外凸的硬质合金条形块，母体的中下段设有硬质合金的弹丸状小凸柱，母体的下端设有楔形硬质合金切削刀片，所说的硬质合金为YG11C型钨钴合金。

2.根据权利要求1所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的硬质合金弹丸状小凸柱通过母体上的盲孔嵌接固定。

3.根据权利要求1所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的硬质合金条形块通过母体上的条形槽嵌接并焊接固定。

4.根据权利要求1所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的楔形硬质合金切削刀片是通过母体上的槽嵌接并焊接固定。

5.根据权利要求2所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的硬质合金弹丸状小凸柱在母体表面以螺旋形排列。

6.根据权利要求3所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的硬质合金条形块位于是小凸柱上方，在母体表面圆周排列。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的夹石土耐磨抗冲击钻头，其特征是所说的母体表面的耐磨钴基合金强化层是采用Stellite190合金焊条及氧-乙炔火焰使焊条下端熔滴在经加热的母材表面，直到覆盖整个母材表面，自然冷却而得。

Images