CN1052774C - 冲击钻机的切割镶件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冲击钻机钻头的切割镶件。其目的是增大硬质合金切割镶件的耐磨性。该镶件由大致圆柱状部分和凸出的外露部分构成。在本发明的一个实施例中，镶件的硬质合金包括多个区域并且两个相邻的区域间的界线在剖面侧视图和剖面顶视图上看去为非对称曲线。在另一实施例中，在镶件最承受磨损的区域增大了其体积。

Description

冲击钻机的切割镶件

发明背景

本发明涉及硬质合金体镶件和适用于冲击岩石钻的钻头。

US-A4598779展示了设置有多个錾子形切割镶件的凿岩机钻头。每一镶件具有与切割刃比较锐利地相连接的导面。当采用极硬的硬质合金时比较锐利的连接是有缺点的。即，在剧烈的岩石钻孔过程中由于连接处的张力会发生表层片状剥落现象，结果不能获得直孔。已知镶件的形状对于最大磨损体也不是最优的。US-A-4607712揭示了一种具有多个切割镶件的钻头。每一镶件的工作部分具有半球状基本形状，在该基本形状基础上增加了硬质合金的体积。但是以前文献中的镶件没有充分支承于钻孔壁所以不能得到直孔。另外，工作部分的各个组成部分之间的连接比较陡所以会产生上述对硬质合金有害的张力。除此之外，球形基本形状只具有较小的硬质合金体积。

用于岩石钻孔的硬质合金一般含有WC，通常称为α相，和固溶相(Binder phase)，该固溶相，称为β相，其由钴和以固溶体存在的W和C组成的。具有通用分子式M₆C(Co₃W₃C)、M₁₂C(Co₆W₆C)或K相M₄C的无碳或η相、低碳相一般不存在。但在EP-B2-0182759中揭示的硬质合金核心为在正常的α+β相结构中掺入细的和均匀分布的η相，并且环绕表面层只含有α+β相。另一个条件是，在表面层中能靠近核心的地方，固溶相含量高于固溶相的公称含量。另外，表面层的最外部的固溶相含量低于公称值并朝核心方向增大至无η相区域的最大值。公称固溶相含量在此处及此后意指固溶相的重量含量。

US-A-5286549中揭示的硬质合金体具有WC(α相)和基于Co、Fe和Ni中至少一种的固溶相，并具有含η相硬质合金的核心外面包围一表面层，表面层的外部中固溶相的含量低于公称值，表面层外部中的固溶相含量基本恒定。根据本发明生产的硬质合金体由于外层平均硬度较高所以具有较高的耐磨性。其它有关的资料是US-A-5279901和EP-A-92850260.8。类似于EP-B2-0182759中结构的硬质合金体也可用作US-A-5235879中揭示的冲床或冲型剪切机材料，或用作EP-A-93850023.8中揭示的辊材料。另外，US-A-5074623中揭示的材料也可以采用。

最近7个发明(以参考的方式包括在本发明中)的目的是通过高硬度和在不同的区域具有不同的固溶相含量产生的压应力来获得外层区域的高耐磨性，如果磨损过程中产生的磨损面接近固溶相含量高于公称值的区域，则由于硬度较低，其耐磨性明显减小。尤其在具有装有镶件的钻头的岩石钻机中，这是一个缺点。

本发明的目的和概述

本发明目的是通过改进设计以前文献生产的硬质合金体镶件，来增加用于岩石钻孔和矿石钻孔工具中的硬质合金体的耐磨性。通过增大暴露磨损面的钻头体积可以增大硬质合金体的耐磨性。为了明显增大耐磨性，处于磨损状态的外层的体积必需明显增大。我们已惊奇地发现，通过增大发生磨损的外层区域的体积能增大硬质合金体的耐磨性，该硬质合金体具有低固溶相含量的外层(高硬度/高耐靡磨生)、位于外层和核心之间高固溶相含量的中间层(低硬度/低耐磨性)和含η相的核心。当增大机器运行时受磨损的外层区域的体积至少50％、或许100％或更大时，耐磨性可得到明显的增大。冲击钻头中的镶件在与孔壁接触的区域和用于破碎岩石的镶件顶端区域磨损最严重。为了增大外层中固溶相含量低于公称固溶相含量的镶件的耐磨性，外层中与孔壁接触的区域和顶端区域必须增大体积。以前文献中的钻机通常具有顶端为轴对称结构的镶件(图12左侧)。受磨的外层区域的增大通常导致非轴对称顶部结构。由于磨损的特性是决定于岩石的性质和钻孔条件的，磨损明显地发生在与孔壁相接触的区域或破碎岩石的顶部区域，重要的是重视这个事实并增大镶件磨损最严重的外层区域的体积。

由于最佳结构不会很快破坏，所以可以得到较长的寿命和较高的钻孔速率。当在钻头中采用这种材料时本发明的一个重要特点是具有较高精确性。外层区域的高耐磨性和受磨损区域的耐磨材料的体积的增大使钻孔的直径误差更令人满意。

本发明提出一种适用于冲击钻机的硬质合金切割镶件，该镶件具有圆柱状的安装部分和外露部分，它们设置于钻头的前端，所述外露部分包括从所述安装部分向所述镶件前端伸展的表面，所述安装部分具有轴线，所述安装部分具有半径；其特征为，硬质合金包括多个区域，其中一个是表面层区域，该区域完全包围住镶件的核心，并且在至少一个剖面侧视图上相对于中心轴线，两个相邻区域的边界为非对称曲线，并且在剖面顶视图上，边界相对于垂直于中心轴线的至少一个轴线是不对称的。

附图简述

图1～5展示了适用于镶件的磨损集中在靠近壁附近条件下的镶件。图1以侧视图展示了本发明镶件。图2展示了镶件的另一侧视图。图3以顶视图展示了镶件。图4展示了图2中镶件的B向视图。图5展示了镶件沿C线的放大剖面。

图6～10展示了适用于以下钻孔条件的镶件，即镶件的磨损分布在靠近壁附近区域和顶部区域。图6以侧视图展示了本发明的镶件。图7展示了镶件的另一侧视图。图8展示了镶件的顶视图。图9展示了图7中镶件的B向视图。图10展示了沿线C′的镶件的放大剖面图。

图11展示了本发明钻头的透视图。

图12展示了钻孔中带有弹道形镶件和本发明镶件的钻头的简要侧视图，部分为剖面。其中左侧的钻头为现有技术，右侧的钻头为本发明的钻头。

图13至18展示了通过两个切割镶件的中心轴线的剖面图。

本发明的最佳实施例的详细说明

图1展示了本发明的镶件的最佳实施例的放大侧视图。该镶件具有直径为D的普通园柱体部分20，直径D在4～20mm的范围内，最好为7至18mm。镶件14的安装端21最好为截锥形以便装入钻头前表面上的孔中，如图11所示。该孔最好位于钻头前表面和园周表面的交界处。附图中展示了镶件的纵向中心轴线A和2个垂直相交的法线N1和N2。线Y定义为工作部分22的基线。该线可以是明晰的或平滑的。

镶件14的工作部分22分为7个平滑地互相连接并充分地在周向和轴向凸出的部分。“平滑的”或“平滑地”措词在下文中意指两个切线形成一个在135°～180°范围内的角度τ，最好为160°～175°(图5)，在侧视图中这两个切线垂直于中心轴线A并分别位于紧靠接合处的一侧。第一部分23大致呈弹道形状并且基本对称分布于法线N1的两侧。第一部分在园周方向分别终止于对称分布的半径区线24和25。在某个轴向剖面C上第一部分的半径标记为R1。弹道形的正确的结构如下：

在图2中，第一部分23的参考平面X位于基线Y的下方。第一部分23的凸面通过以园柱体20外表面附近的中心z和半径R来形成。中心z最好位于园柱体20外表面以外距离I处并在轴向顶点以下h距离处。距离h为距离I的4～8倍但小于半径R。参考平面X和半径R形成10°～75°的夹角∈。

从顶视图看出，每一个半径界线24和25分别与法线N1形成一个45°～85°的角。可以这样理解，弹道形凸面的径向最外侧与园柱体部分20的外表面相连接。

半径界线24或25表示了第一部分23和第二部分26或27之间的平滑过渡。第二部分26或27除了与第一部分紧密相连的部分以外，基本位于弹道基本形状(在图1、2和4中以虚线表示)的外侧。在剖面C中第二部分的半径R2在于第一部分的半径R1。第二部分在中心轴线A的前进方向上明显变尖。第二部分26或27朝第一部分23变窄并形成锐角β。

第二部分26或27还与第三部分28或29相连。第三部分位于镶件的前部径向偏离轴线A的位置。第三部分为主要在园周方向上切削岩石的峰状坚固凿刃。在剖面C与第三部分的交点处，第三部分的切线相对于园柱体部分的外表面比第一和第二部分的相应切线具有较大的内角Φ1。同全然弹道形状相比，角Φ1的增大导致磨损材料的增加并因而增加镶件的耐磨性。第三部分由半径R3来决定，在剖面C中(见图5)半径R3小于第一部分的半径R1以及第二部分的半径R2。第三部分的宽度基本恒定。

第三部分与第四部分30平滑连接，该第四部分40大体与钻孔壁相贴合并与钻孔壁相齐平。第四部分界定了用于在孔壁上滑动的导面。在剖面C中，第四部分的半径R4明显大于上述半径R1和R3中的每一个。剖面C-C上第四部分30的中央切线相对于园柱体20的外表面形成内角Φ。此角Φ小于其它部分23～27中任一个相应角。

基线Y的第一段与第一部分23相连并与中央轴线A大体垂直。基线Y的第二段与第二部分24或25相连并且相对于第一段至少以锐角δ部分地向上升起。基线Y的第三段与第三部分28或29相连。第三段经过整个基线Y的轴向最前点并大致由半径R6确定。第三段是外凸的。基线Y的第四段与第四部分30相连并由半径R5大致确定，半径R5大于半径R6。第四段是内凹的并且其最靠后的点在轴向位于第一段的前面。

第五部分31为园形的顶点，其中部分23、24、25、26和27相会合。第四部分30终止于顶点31的轴向靠后一侧。第三部分28或29的轴向最前端虽然与顶点相连但并不是顶点的一部分。

我们应注意到，在基线Y上，上述半径R1、R2、R3和R4在俯视投影中是相等的，即等于D/2。

在某些采矿条件下，钻头镶件的一侧可能比另一侧磨损严重，因此人们开发出用于这种条件的镶件，即镶件的主体材料相对于法线N1不对称分布。即，主体位于上风向一侧而增加的空隙表面位于法线N1的下风向一侧。图6展示了本发明镶件的最佳实施例的放大侧视图。镶件具有直径为D的大致园柱体部分20′，直径D在4～20mm范围内且最好为7～18mm。镶件14′的安装端21′最好具有截锥形状以适于装入钻头前表面上的孔中(未示出)。该孔最好位于前表面和外表面的交界处。附图中展示了镶件的纵向中心轴线A和2个垂直的法线N1和N2。线Y′定义为工作部件22′的基线。

镶件14′的工作部分22′分为若干个平滑连接的在园周向和轴向明显凸出的部分。第一部分23′大致呈弹道形状并且在法线N1的两侧不对称分布。第一部分在园周方向上分别终止于不对称分布的半径界线24′和25′。在某个轴向剖面C′中第一部分的半径标示为R1。弹道形状的正确构造上面已有讨论。

半径界线24′和25′表示第一部分23′和第二部分26′和27′之间的平滑过渡。第二部分26′由三个平滑相连的区域组成。第二部分26′和第一区域和第二部分27′除了与第一部分紧密相连外大致位于弹道基本形状(图6、7和10中虚线所示)的外侧并且在剖面C′上基本互相垂直。在剖面C′中第一区域26′A和第二部分27′的半径大于第一部分的半径R′1并与上述半径R2具有相同的大小。第一区域26′A和第二部分27′在中心轴线A的轴向前进方向明显变尖并形成一个角β′，在剖面C′上基本为直角。

第二部分26′的第二区域26′B在径向上位于弹道基本形状的外侧。在剖面C′上第二区域的半径R′2B大于第一部分的半径R′1但小于半径R2。第二区域在中心轴线A的前进方向明显变窄。

第二部分26′的第三区域26′C也在径向位于弹道基本形状之外并位于镶件的法线N1的上风向一侧W。在剖面C′上第三区域的半径R′2C大于第一部分的半径R′1。第三区域在中心轴线A的前进方向上明显变窄。上风向侧W是当加工岩石材料时镶件中磨损最严重的一侧。

第三区域26′C和第二部分27′还分别与第三部分28′和29′相连。第三部分在镶件14′的前部径向偏离轴线A处会合。第三部分29′明显大于28′，且至少大于部分28′2倍。在剖面C′的交叉点上第三部分28′的切线相对于园柱体部分外表面的内角Φ′1大于第一部分23′和第三部分29′的相应切线的内角。角Φ′1使要磨损的材料与整个弹道形状相比有进一步的增加，因而增大了镶件的耐磨性。形成于法线N1的下风向侧L的第三部分29′由半径R′3来确定，在剖面C′上(见图10)半径R′3小于第一部分的半径R′1和第二部分的半径R′2。第三部分28′的宽度大致恒定而第三部分29′在轴向前进方向明显变窄。第三部分29′界定了一个坚固的峰状切割刃。

第三部分28′和29平滑地与第四部分30′相连，该第四部分30′适于大体与钻孔壁相贴合并与钻孔壁相齐平。第四部分界定了一个用于在壁上滑动的导面。在剖面C′上第四部分的半径R′4明显大于上述半径R′1和R′3中的每一个。在剖面C′上第四部分30′的中央切线相对于园柱体20的外表面形成内角Φ′。角Φ′小于其它部分23′～27′的每一个的相应角。

与第一部分23′相连的基线Y′的第一段大致与中心轴线A垂直。与部分26′A和27′相连的基线Y′的第二段相对于第一段至少部分地向前进方向升起。与第三区域26′C和第三部分29′相连的基线Y′的第三段经过整个基线的轴向最前点。与第三部分29′相连的基线Y′的第三段之一在侧视图上是凸出的，而与第三区域26′C相连的第三段之另一部分基本为直线。与第四部分30′相连的基线Y′的第四段由大致与R′1相等的半径R′5(侧视图中)来确定。第四段是凹陷的并且其最靠后点在轴向上位于第一段的前面。

第五部分31′为园形顶端，其中部分23′、26′A、26′B、26′C和27′相会合。第四部分30′轴向终止于顶端31′的后端。第三部分28′和29′的轴向最前端虽然与顶端31′相连但它不是顶端的一部分。

应注意到，在基线Y′上，顶视图投影中的上述半径R′1、R′2B、R′2C、R′3和R′4是相等的，即等于D/2。

在图11中透视图所示的实施例中，改进的冲击型凿岩机钻头总体标记为10并具有钻头11、轴12、前端，该前端包括设置有多个固定硬质合金镶件14或14′的前表面13。凿岩机钻头10的外表面16为园柱形或截锥形并且在图11中定义在钻头上。外表面在钻头体钢铁部分的最大直径处界定。镶件14、14′装入钻头体中的孔内并使其径向最外表面30、′30′大致与钻头的外表面相重合。我们知道，本文中“大致”这个词指相对于钻头外表面16的径向偏差为-2～+2mm，最好为+0.2～+0.5mm。镶件14、14′的布置使得钢性体不会过度磨损，因而孔15的直径在整个钻孔操作中大致保持恒定。前表面13可以设置多个更靠近中心的适当形状的镶件(未示出)，例如半球形，此后一种镶件敲碎靠近钻头中心线CL的岩石材料。图12在左侧展示了以前文献中的镶件而右侧展示了本发明的镶件，其中部分为剖面。具有弹道形工作部分的镶件的体积比相应的半球形工作部件的体积大50％。镶件14或14′的体积比弹道形状至少大50％并且与其具有相同的寿命。图12中外表面16的假想延伸线用虚线表示以说明两种镶件体积上的区别。

为了应付钻孔过程中产生的强的拉应力，最好采用上面讨论的7个专利文件中揭示的特殊类型的硬质合金。所以这些出版物以参考的方式包括在本发明之中。

现参见图13至18，切割镶件14、14′的硬质合金包括几个区域H、I和K。相邻区域的边界50、51和50′、51′分别表示其界线，该界线在至少一个剖面侧视图上相对于中心轴线A是不对称的。在剖面顶视图中，界线相对于与中心轴线相垂直的至少一个法线N2是不对称的。镶件具有含η相的硬质合金核心H。核心H由不含η相的硬质合金中间层I围绕，并且中间层I具有较高含量的钴。表面层K由不含η相的硬质合金构成并具有较低含量的钴。表面层的厚度是中间层厚度的0.8～4倍，最好为1～3倍。界线50、50′和51，51′最好分别为等距。

核心和富钴的中间层相对于表面层具有较高的热膨胀能力。这意味着，表面层将承受较高的压应力。热膨胀率相差越大，即表面层和切割镶件的其它部分之间含钴量差别越大。则表面层中的压应力越大。表面层中固溶相的含量是切割镶件14或14′中固溶相公称含量的0.1～0.9倍，最好为0.2～0.7倍。中间层16中粘结全相含量是切割镶件14或14′中固溶相公称含量的1.2～3倍，最好为1.4～2.5倍。

镶件14或14′可由EP-A-0182759中揭示的硬质合金来制成，其中硬质合金体具有核心H，核心H通过在正常的α+β相结构I中埋入细的和均匀分布的η相来制成，而环绕表面区域K只具有α+β相。另一条件是，表面层中靠近核心的内侧部分中，固溶相的含量高于固溶相的公称含量。另外，表面层最靠外部分的固溶相含量低于公称值并且朝核心方向的无η相区域固溶相含量增加至最大值。

此外，镶件14或14′可用US-A-5286549中揭示的硬质合金来制成，其中揭示的硬质合金体具有WC(α相)和基于Co、Fe和Ni中至少一种的固溶相并具有含η相硬质合金的核心，该核心被表面层所围绕，该表面层外部固溶相含量低于公称值，表面层外部中的固溶相含量大致恒定。

从上面的叙述中我们可以得知，切割镶件的较高的公称钴含量使表面层中具有较高的压应力。例1

用45mm凿岩机钻头在挪威(隧道工程)进行了试验。钻头具有直径为11mm的5个周向镶件和直径为8mm的两个前镶件。所有变型的前镶件均由传统硬质合金制成并具有半球形顶的相同结构。

变型1：是镶件具有球形顶的传统钻头。镶件由传统硬质合金制成(重量6％Co、硬度1460HV3)。

变型2：是镶件具有球形顶的传统钻头。镶件具有低钴含量的外层(重量3％Co、硬度1620HV3)、高钴含量的中间层(重量11％Co、硬度1240HV3)和含有重量6％Co及一些η相的核心(硬度1550HV3)。

变型3：是具有本发明镶件的钻头(图1～4)，并具有同变型2相同的钴分布和性质。试验数据

钻机：Atlas Copco Promec TH 506S

钻进压力：110bar

冲击压力：215bar

转速：120rpm

孔深：4.3m

水冲刷：11bar

岩石：片麻岩

钻头数：每一变型6个试验结果

所有钻头没有再次研磨并按用户的要求施钻。

变型       钻完m     钻孔速率    直径磨损    指数

                     (m/min)     (钻m/mm)

 1          256        1.4          90       100

 2          322        1.6          120      126

 3          398        2.1          164      155

*钻完m(米)数的指数

变型3除具有极好的寿命外，由于其很高的直径耐磨性，还具有极小的孔直径偏差。变型3的高钻孔速率对于钻孔经济性是很重要的。例2

本实验的目的是完成一个孔，60m深而不需重新锐化。现今标准的钻头在使用钻深24m以后由于钻孔速率慢及钻头破碎的危险需要锐化。抽出钻杆、更换钻头及继续施钻的停工时间大约为1小时。在该矿中每个班的有效工作时间只有6小时，所以极需好的钻头。试验数据

钻机：XL5.5冲击钻机，空气压力25bar，矿空气和增压压缩机2

      80bar

岩石：非常硬和耐磨，大约80％硅、8％二硫化铁

钻孔尺寸：直径115mm、孔深65m

转速：40rpm

钻头数：每一变型4个

钻头：直径115mm、2个冲洗孔、园周上8个镶件(直径16mm)、

      前面6个镶件(14mm)。变型：

A：具有球形顶的镶件。所有镶件由传统硬质合金制成。

B：弹道形镶件。所有镶件具有低钴含量(重量3％Co、硬度1650HV3)的外层、高钴含量(重量10.5％Co、硬度1260HV3)的中间层和含钴重量6％的核心(硬度1570HV3)。所有其它镶件由传统硬质合金制成(重量6％钴、硬度1450HV3)。

C：前面上为弹道形镶件，周围为本发明的镶件(图6～9)。所有镶件由变型B所述硬质合金制成。试验结果

所有钻头进行了试验而没有再次研磨。

变型     钻完m    钻孔速率    钻完m(米)的指数

                   m/min

 A        28        0.3             100

 B        46        0.35            164

 C        62        0.45            221

*孔的长度

变型B的性能比A有改进但还不够。只有采用变型C才可能钻完一个完整的孔。

应指出的是，含η相硬质合金的核心部分是刚性的、坚硬的和耐磨的。核心H与不含η相而具有高的钴含量的中间层以及不含η相而承受高的压应力的表面层相结合构成切割镶件14或14′，该镶件满足了上述的用于硬岩石钻孔的要求，即该镶件具有较高的耐磨性，尤其与本发明的切割镶件相结合时是如此。核心H中固溶相含量为4～9％，最好为大约6％；中间层中固溶相的含量为9.5～20％，最好为大约10～11％而表面层K中固溶相含量为0.5～3.9％，最好为大约3％。

在这方面需要指出的是，上述本发明并不局限于最佳实施例而可以在所附权利要求范围内自由地改变。例如，当要钻的岩石极其坚硬时(例如裂的和叠层磁铁矿+石英岩)必需减小顶点和基线Y、Y′之间的高度进而增加工作部件22、22′的平均厚度并增加耐磨性。这种修改将使弹道形表面23、23′呈现大致球形。

Claims (6)

1、适用于冲击钻机的硬质合金切割镶件，该镶件具有圆柱状的安装部分(20；20′)和外露部分(22；22′)，它们设置于钻头(10)的前端(13)，所述外露部分包括从所述安装部分向所述镶件前端伸展的表面(30；30′)，所述安装部分具有轴线(A)，所述安装部分具有半径(D/2)；其特征为，硬质合金包括多个区域(H、I、K)，其中一个是表面层区域(K)，该区域完全包围住镶件的核心(H)，并且在至少一个剖面侧视图上相对于中心轴线(A)，两个相邻区域的边界(50、51、50′、51′)为非对称曲线，并且在剖面顶视图上，边界相对于垂直于中心轴线的至少一个轴线(N2)是不对称的。

2、如权利要求1的切割镶件，其特征为，外露部分(22；22′)具有凸出弯曲的弹道形基本形状，外露部分的主要部分伸展在基本形状的径向外侧，并且表面(30；30′)与所述外露部分的其它组成部分(28、29、28′、29′)平滑连接。

3、如权利要求1或2的切割镶件，其特征为，表面(30；30′)的半径(R4；R′4)大于安装部分(20；20′)的半径(D/2)，并且表面(30；30′)与至少一个峰状切割刃(28、29、28′)在周向相连接。

4、如权利要求1或2的切割镶件，其特征为，安装部分(20；20′)和外露部分(22；22′)的接合处形成基线(Y；Y′)，该基线从侧视图看去在表面(30；30′)处是凹陷的因而确定了一个轴向最靠后点，并且所述轴向最靠后点轴向位于凸出曲线基本形状处基线的前面并位于基线的轴向最前端部分的后面。

5、如权利要求1或2的切割镶件，其特征为，镶件的核心(H)为在正常的α+β相中精细而均匀地分布η相的结构，并且其环绕表面层(K)只有α+β相，并且在表面层中靠近核心的内层部分(I)中固溶相含量高于粘结相的公称含量，并且表面层中靠外部分中的固溶相含量低于公称值并朝核心方向增大至无η相区域中的最大值。

6、如权利要求1或2的切割镶件，其特征为，镶件具有WC(α相)和基于Co、Fe和Ni中至少一种的固溶相，并且具有含η相硬质合金的核心(H)，核心外包围表面层区域(I)，该表面区域的外侧部分(K)的固溶相含量高于公称值，表面层外侧部分中的固溶相含量恒定。

Images