[发明专利]一种岩石深孔高速水钻头及其制备工艺

说明书

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%；

3-2)混合；