CN103696697B - 一种岩石深孔高速水钻头及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的一种岩石深孔高速水钻头及其制备工艺，该钻头包括合金钻头体和骨架钢管，所述钻头体通过内T型螺纹与空心钎杆联接与所述骨架钢管固接；其中，所述钻头体上设有用于承担喷水冷却和排岩石粉任务的内喷水孔，承担排液、排粉、冷却作用的外侧排液槽，承担提供动力和供水任务的中心排水槽。采用了以人造金刚石和WC颗粒为“微小刃口”的自刃口合金为钻头主体材料，用粉末冶金的热压烧结工艺，制成了结构简单，刚性很好，强度极高的整体钻头。使本发明的岩石深孔钻头获得了远比冲击式凿岩钻头更快的钻进速度和使用寿命。大大降低了噪音污染、粉尘污染，明显地改变了劳动环境和劳动条件，是一种适于广泛推广的新型产品。

Description

一种岩石深孔高速水钻头及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属材料中粉末冶金制备技术领域，特别是提供了一种岩石深孔高速水钻头及其制备工艺，是在总结了近百年内岩石冲击式凿岩钻头的钻孔原理，钻头结构，钻头合金成分的演变历史，引入了近年来高速“旋转切削”钻孔原理及专业对比试验的最新成果，从钻头结构设计上，合金成分和制备工艺上，全面改造了原有钻头的生产方法。采用了以人造金刚石和WC颗粒为“微小刃口”的自刃口合金为钻头主体材料，用粉末冶金的热压烧结工艺，制成了结构简单，刚性很好，强度极高的整体钻头。

技术背景

随着石油，地矿普查，开采，交通线路及隧道贯通，海底钻探等事业的发展，对岩石深孔钻头的要求愈来愈高。近60年的文献检索可知，国内外用在岩石深孔（1-3米）钻的钻头，主要是冲击式的凿岩钻头。这种钻头依靠钻机提供的冲击振动能量，通过钎杆传给钻头，使钻头不断向岩石表面冲击，从而使岩石表面碎裂，与此同时，钻头也不断旋转，碾压，使大块颗粒的岩石进一步粉碎，最后由钻杆中心提供的压缩空气将岩石粉吹出孔穴。如此不断的“撞击—碾压—吹出”三者交互作用，才能完成钻孔任务。显然这种钻孔工艺，完全是延续了古代石匠的凿孔方法（锤击破裂—旋转碾碎—吹粉）。但不同点是现代的凿岩机冲击动能大，频率高，钻杆中心连续通压缩气，特别是在钻头的结构和材料上有了较大的改进：如最初由“一”字形高碳钢齿的凿岩钻头改变成“一”字形、“十”字形或“Y”字形硬质合金锥形齿的凿岩钻头。近20年来，又将锥形齿改为“Y”形分布的球形齿。在合金成分上，逐渐选用了抗冲击性能最好的YG11C牌号硬质合金。在球齿分布半径上也有不同的变化。在硬质合金球齿与钻头钢基体之间的装配方法上，由普通的气焊（铜焊）逐渐用热装或冷压装取代。近年来我国又有专利采用人造金刚石夹心式的球齿来制造冲击式凿岩钻头。但上述所有情况表明，岩石深孔钻从钻机到钻头，始终没有摆脱古老的靠钻头撞击岩石表面来实现钻孔的特点。这种方法在长年的生产实践中显现出很多致命的缺点。其一是噪音大（>250分贝），劳动环境恶劣。其二是粉尘污染十分严重，工人易患矽肺病。三是设备振动大，操控不安全，设备使用寿命短。四是钻进速度太低（仅靠撞击粉碎无切削作用），钻头寿命短。当岩石硬度超过8级时，这种钻头效率极低。

显然造成上述缺点的根本原因是，采用了仅靠撞击破碎来实现钻孔的原理，实际上这是一种简单过时的岩石钻孔工艺。近年来，在大理石钻孔，切割等工艺的专业对比试验中，发现采用“自刃口”型合金钻头，在高速（3500-15000周/分）旋转钻进（轴向压强0.25MPa）时的钻进速度，远比冲击式硬质合金（球齿）凿岩钻头快2倍，而且随钻进转速和压力提高，钻进速度会进一步提高。

发明内容

为了解决上述问题,本发明的目的是提出一种结构简单，刚性很好，强度极高的整体式岩石深孔高速钻头的新型结构及其制备工艺。

本发明的技术方案是：一种岩石深孔高速钻头，该钻头包括合金钻头体和骨架钢管，所述钻头体通过骨架钢管中的内T型螺纹与空心钎杆联接；

其中，所述钻头体上设有用于承担喷水冷却和排岩石粉任务的内喷水孔，承担排液、排粉、冷却作用的外侧排液槽。

本发明的另一目的是提供上述岩石深孔高速钻头的制备工艺，具体包括以下步骤：

1、设计钻头体尺寸：设计和确认合金钻头体的钻头外圆直径φ₁、中心排水孔直径φ₂，自刃合金高度a，上部端面排水槽的宽度、深度，外侧排液槽的宽度、深度和骨架钢管尺寸（见附图1）；

2、设计石墨模具：按照上述钻头体尺寸及附图2，设计和加工好石墨模具备用，附图2所述石墨磨具由上压头、外侧水槽隔片、上水槽隔片、中心水道芯杆、中心石墨垫 、石墨外套、下石墨支柱和下石墨支撑环组成；

3、混合粉制备：

3-1)混合粉成分配制；

a：粒度为40-80目的粗颗粒碳化钨粉的质量分数10-20%；

b：粒度为20-80目的人造金刚石颗粒质量分数10-15%，粒度为120-150目的人造金刚石颗粒质量分数10-15%；

c：粒度为-200目铜粉的质量分数10-53%；

d：粒度为-200目铬铁粉（含8-12%Cr ）（质量分数3-5%）；

e：-200目663黄铜粉的质量分数10-67%=50%；

3-2)混合；

按步骤3-1的质量分数称取各个原料，放入15升“V”形混料器中，先加入浓度为0.5%的PVA水溶液45ml，再加入30ml三氯甲烷溶液，混合45分钟后出料装入密封容器备用；其中，所述粉体与（PVA）聚乙烯醇水溶液质量比为1:0.004，所述粉体与三氯甲烷溶液质量比为1:0.0024；

3-3)配模；先将骨架钢管中心石墨垫装入步骤1中选定的骨架钢管内，再将下石墨支柱装入骨架钢管内，再套装下石墨支撑环，再将四支中心水道芯杆插入中心石墨垫的四个圆孔内，再将石墨外套套在骨架钢管的外部，然后将外侧水槽隔片插到石墨外套的侧壁槽内，此完成配模工作，即可进行装粉；

4、装粉；

将制成的混合粉先称出每个钻头体所需的单重粉量，然后分几次少量的装入石墨模内。每加一次粉后，需用小木棒将粉层捣实，直至装满后，再将上压头对准侧壁槽孔隔片，压入上压头即完成装粉工作。

5、热压；

将装粉后的石墨压模放入气体保护热压炉中，进行热压烧结，其工艺参数如下：

热压烧结气氛：N₂：流量1-3L/min；

热压烧结温度：850-890℃±5℃；

热压烧结时间：30-50min

热压烧结压力：1.5-2MPa（产品正压面所受压强）。

6、降温出炉；

当炉温降至50℃以下时即可将石墨模取出，再将钻头成品从石墨模中脱出，即可获得钻头成品。

本发明的有益效果是：

1.采用完全崭新的高速旋转自刃口合金端面切削的钻孔原理，代替古老的撞击破碎的低效原理，可使钻孔速度成倍提高；

2.钻机和钻头不使用振动或撞击动力，仅使用静压式（<50kg）旋转动力，故噪音小，设备安全系数高，操控性好，人身安全容易保证；

3.使用水进行钻头的冷却和排粉，没有粉尘污染，工人劳动条件好，环境温度大大降低；

4.钻头可在高转速高压力下工作，也可在低转速（60-500周/分），低压力（0.1-1MPa）下工作，应用范围广；

5.钻头适用于各种软硬不同的岩石钻孔，特别是硬度超过11级的超硬岩石，钻孔效率更高，应用范围广；

6.钻头寿命高，“定向”、“保径”性能远优于冲击式凿岩钻头。可钻深度大大超过冲击式凿岩钻头；

7.生产工艺简单、工序短、成本低，适合于大批量自动化生产。便于推广使用。

附图说明

图1为本发明的岩石深孔高速水钻头的结构图。

图2为本发明的岩石深孔高速水钻头的石墨热压模具结构及装模示意图。

图中：

1-1.合金钻头体，1-2.内喷水孔，1-3外侧排液槽，1-4骨架钢管，1-5.中心排水槽，2-1.上压头，2-2.外侧水槽隔片，2-3. 中心排水槽隔片，2-4.中心水道芯杆，2-5.混合粉，2-6.骨架上焊接端， 2-7.中心石墨垫，2-8.石墨外套，2-9.下石墨支柱，2-10.下石墨支撑环。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：制备一种φ40—H30型岩石深孔钻头的步骤如下：

1-1 设计和确认钻头各部位尺寸

1-1-1自刃口合金的尺寸（见附图1中）

φ₁=40mm（钻头外圆直径）

φ₂=9mm（中心排水孔直径）

a=30mm（自刃合金高度）

上部中心排水槽宽度为5mm，深7mm，侧面排水槽宽度5mm，深度2mm。

1-1-2钻头骨架钢管尺寸（见附图2中）

L=h₁+H₁=80mm(钢管总高)

h₁=15mm（与自刃口合金焊接处高度）

d₁=35mm（焊接处钢管外径）

d₂=21mm（焊接处钢管内径）

H₁=(80-15)=65mm（接头处钢管高度）

D₁=36mm（接头处钢管外径）

D₂=29.5mm（接头处钢管内“T”形螺纹内径）

1-2 设计石墨热压模具

按附图2所示模具结构及关键部件尺寸，设计和加工好石墨模具备用。

1-3 混合粉制备

1-3-1混合粉成分配制

a、人造金刚石颗粒（20-80目），12%（质量百分数）

（100-120目），15%（质量百分数）

b、663黄铜粉（-200目）50%（质量百分数）

c、纯铜粉（-200目）10%（质量百分数）

d、粗粒WC（50-80目）13%（质量百数）

1-3-2混合粉制备工艺

将上述各种粉末按总量10kg称量各自加入量，放入15升“V”形混料器中，先加入浓度为0.5%（质量分数）的PVA水溶液45ml，再加入30ml三氯甲烷溶液，混合45分钟后出料装入密封容器备用。

1-4 装模

1-4-1 装骨架钢管（见附图2）

在石墨模内事先将骨架钢管2-6装好，然后才能装粉，其步骤如下：先将中心石墨垫2-7装入骨架钢管2-6内，再将下石墨支柱2-9装入骨架钢管2-6内，再套装下石墨支撑环2-10，再将四支中心水道芯杆2-4插入中心石墨垫2-7的四个圆孔内，再将石墨外套套在骨架钢管2-6的外部，然后将外侧水槽隔片2-2插到石墨外套2-8的侧壁槽内，即可进行装粉工作。

1-4-2 装粉

将制成的混合粉先称出每个钻头所需的单重粉量，然后分几次少量的装入石墨模内。每加一次粉后，需用小木棒将粉层捣实，直至装满后，再将上压头2-1对准侧壁槽孔隔片，压入上压头2-1即完成装粉工作。

1-5 热压

将装粉后的石墨压模放入气体保护热压炉中，进行热压烧结，其工艺参数如下：

烧结气氛 N₂气流量1L/min；

热压烧结温度 870℃±5℃

热压烧结时间 40min

热压烧结压力 1.5MPa（产品正压面积）

1-6 降温出炉

当炉温降至50℃以下时即可将石墨模取出。再将钻头成品从石墨模中脱出，即可获得钻头成品

1-7 产品质量检查

1-7-1 外检

外检的主要内容为a、骨架钢管与自刃口合金的焊接情况 b、自刃口合金表面有无空洞，缺陷，未压好情况 c、外形尺寸

1-7-2 硬度

自刃口合金的硬度应HRC>26kg/mm²

1-7-3 内水道孔及端水槽，侧水槽孔是否通畅，光滑。

实施例2：制备一种φ40—H40型岩石深孔钻头的步骤如下：

2-1 设计和确认钻头各部位尺寸

2-1-1自刃口合金的尺寸（见附图1中）

φ₁=40mm（钻头外圆直径）

φ₂=9mm（中心排水孔直径）

40mm（自刃合金高度）

上部中心排水槽宽度为5mm，深7mm，侧面排水槽宽度5mm，深度2mm。

2-1-2钻头骨架钢管尺寸（见附图2中）

L=h₁+H₁=80mm(钢管总高)

h₁=15mm（与自刃口合金焊接处高度）

d₁=35mm（焊接处钢管外径）

d₂=21mm（焊接处钢管内径）

H₁=(80-15)=65mm（接头处钢管高度）

D₁=36mm（接头处钢管外径）

D₂=29.5mm（接头处钢管内“T”形螺纹内径）

2-2 设计石墨热压模具

按附图2所示模具结构及关键部件尺寸，设计和加工好石墨模具备用。

2-3 混合粉制备

2-3-1混合粉成分配制

a、人造金刚石颗粒（20-80目），15%（质量百分数）

（100-120目），10%（质量百分数）

b、663黄铜粉（-200目）50%（质量百分数）

c、纯铜粉（-200目）10%（质量百分数）

d、粗粒WC（50-80目）15%（质量百数）

2-3-2混合粉制备工艺

将上述各种粉末按总量10kg称量各自加入量，放入15升“V”形混料器中，先加入浓度为0.5%（质量分数）的PVA水溶液45ml，再加入30ml三氯甲烷溶液，混合45分钟后出料装入密封容器备用。

2-4 装模

2-4-1 装骨架钢管（见附图2）

在石墨模内事先将骨架钢管2-6装好，然后才能装粉，其步骤如下：先将中心石墨垫（2-7）装入骨架钢管2-6内，再将下石墨支柱2-9装入骨架钢管2-6内，再套装下石墨支撑环2-10，再将四支中心水道芯杆2-4插入中心石墨垫2-7的四个圆孔内，再将石墨外套套在骨架钢管2-6的外圆，然后将外侧水槽隔片2-2插到石墨外套2-8的侧壁槽内，即可进行装粉工作。

2-4-2 装粉

将制成的混合粉先称出每个钻头所需的单重粉量，然后分几次少量的装入石墨模内。每加一次粉后，需用小木棒将粉层捣实，直至装满后，再将上压头（2-1）对准侧壁槽孔隔片，压入上压头（2-1）即完成装粉工作。

2-5 热压

将装粉后的石墨压模放入气体保护热压炉中，进行热压烧结，其工艺参数如下：

烧结气氛 N₂气流量2L/min；

热压烧结温度 890℃±5℃

热压烧结时间 50min

热压烧结压力 2MPa（产品正压面）

2-6 降温出炉

当炉温降至50℃以下时即可将石墨模取出。再将钻头成品从石墨模中脱出，即可获得钻头成品

2-7 产品质量检查

2-7-1 外检

外检的主要内容为a、骨架钢管与自刃口合金的焊接情况 b、自刃口合金表面有无空洞，缺陷，未压好情况 c、外形尺寸

2-7-2 硬度

自刃口合金的硬度应HRC>26kg/mm²

2-7-3 内水道孔及端水槽，侧水槽孔是否通畅，光滑。

Claims (2)

1.一种岩石深孔高速水钻头的制备工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设计和确认合金钻头体的钻头外圆直径φ₁、中心排水孔直径φ₂，自刃合金高度a，端面中心排水槽的宽度、深度，外侧排液槽的宽度、深度和骨架钢管尺寸；

步骤2：按照步骤1的设计的合金钻头和骨架钢管尺寸，设计和加工好石墨模具和骨架钢管备用，其中，所述石墨磨具包括上压头、外侧水槽隔片、端面水槽隔片、中心石墨垫 、石墨外套 、下石墨支柱和下石墨支撑环；

步骤3.混合粉制备:

3-1)混合粉成分配制：

a、人造金刚石颗粒20-80目，12%质量百分数；100-120目，15%质量百分数

b、663黄铜粉-200目50%质量百分数

c、纯铜粉-200目10%质量百分数

d、粗粒WC50-80目13%质量百分数

3-2)按步骤3-1的质量分数称取各个原料依次加入到 “V”形混料器中，再加入浓度为0.5%的PVA水溶液和三氯甲烷溶液，混合45分钟后出料装入密封容器备用；所述原料与PVA水溶液的质量比为1:0.004，所述原料与三氯甲烷溶液的质量比为1:0.0024；

3-3)装模：先将中心石墨垫（2-7）装入骨架钢管（2-6）内，再将下石墨支柱（2-9）装入骨架钢管（2-6）内，再套装下石墨支撑环（2-10），再将四支中心水道芯杆（2-4）插入中心石墨垫（2-7）的四个圆孔内，再将石墨外套（2-8）套在骨架钢管（2-6）的外部，然后将外侧水槽隔片（2-2）插到石墨外套（2-8）的侧壁槽内，即可进行装粉工作；

步骤4.装粉:

将制成的混合粉先称出每个钻头所需的单重粉量，然后分几次少量的装入石墨模内，每加一次粉后，需用小木棒将粉层捣实，直至装满后，再将上压头（2-1）对准侧壁槽孔隔片，压入上压头（2-1）即完成装粉工作；

步骤5.热压：

将装粉后的石墨压模放入气体保护热压炉中，进行热压烧结，其工艺参数如下：

烧结气氛：N₂：流量1-3L/min；

温度：850-890℃±5℃；

时间：30-50min；

产品正压面积所受压强为：1.5-2MPa；

步骤6.降温出炉：

当炉温降至50℃以下时即可将石墨模取出，再将钻头成品从石墨模中脱出，即可获得钻头成品。

2.一种岩石深孔高速水钻头的制备工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设计和确认合金钻头体的钻头外圆直径φ₁、中心排水孔直径φ₂，自刃合金高度a，端面中心排水槽的宽度、深度，外侧排液槽的宽度、深度和骨架钢管尺寸；

步骤2：按照步骤1的设计的合金钻头和骨架钢管尺寸，设计和加工好石墨模具和骨架钢管备用，其中，所述石墨磨具包括上压头、外侧水槽隔片、端面水槽隔片、中心石墨垫 、石墨外套 、下石墨支柱和下石墨支撑环；

步骤3.混合粉制备:

3-1)混合粉成分配制：

a、人造金刚石颗粒20-80目，15%质量百分数；100-120目，10%质量百分数

b、663黄铜粉-200目50%质量百分数

c、纯铜粉-200目10%质量百分数

d、粗粒WC50-80目15%质量百分数

3-2)按步骤3-1的质量分数称取各个原料依次加入到 “V”形混料器中，再加入浓度为0.5%的PVA水溶液和三氯甲烷溶液，混合45分钟后出料装入密封容器备用；所述原料与PVA水溶液的质量比为1:0.004，所述原料与三氯甲烷溶液的质量比为1:0.0024；

3-3)装模：先将中心石墨垫（2-7）装入骨架钢管（2-6）内，再将下石墨支柱（2-9）装入骨架钢管（2-6）内，再套装下石墨支撑环（2-10），再将四支中心水道芯杆（2-4）插入中心石墨垫（2-7）的四个圆孔内，再将石墨外套（2-8）套在骨架钢管（2-6）的外部，然后将外侧水槽隔片（2-2）插到石墨外套（2-8）的侧壁槽内，即可进行装粉工作；

步骤4.装粉:

将制成的混合粉先称出每个钻头所需的单重粉量，然后分几次少量的装入石墨模内，每加一次粉后，需用小木棒将粉层捣实，直至装满后，再将上压头（2-1）对准侧壁槽孔隔片，压入上压头（2-1）即完成装粉工作；

步骤5.热压：

将装粉后的石墨压模放入气体保护热压炉中，进行热压烧结，其工艺参数如下：

烧结气氛：N₂：流量1-3L/min；

温度：850-890℃±5℃；

时间：30-50min；

产品正压面积所受压强为：1.5-2MPa；

步骤6.降温出炉：

当炉温降至50℃以下时即可将石墨模取出，再将钻头成品从石墨模中脱出，即可获得钻头成品。