凯特钻具(图)-钻头厂家-晋城钻头

钻头的“设计”与“发展”

钻头在煤田开采，钻井，地质勘探中的应用越来越广泛，产品的需求，也注定这一生产行业的快速发展，其中，金刚石复合片钻头的设计发展尤为重要，因为好的设计才能生产出更好的金钻头，但是怎么设计金刚石复合片钻头呢？今天就给大家讲解一下，首先要根据金刚石复合片钻头的受力平衡的原则来进行设计，假设钻头在钻进过程中切削的金刚石复合片齿的受力不变，作用在钻头切削齿上的所有力，都可以分解为一轴和一径向力，并认为径向力是金刚石复合片钻头不平衡力。所以在进行金刚石复合片钻头的设计中，要求所有切削齿的径向合力趋于零。可见其设计是基于静态分析，有很大的局限性，在实际中也是很难实现的。所以改善金刚石复合片钻头的稳定性另一种方法是在金刚石复合片钻头表面布置一些能在井底切削出稳定环的切削齿，阻止钻头的水平位移。另外，金刚石复合片钻头的头型设计和切削齿的切削角度对金刚石复合片钻头的涡动有一定的影响，选择适宜的头型和合理的切削角度有助于改善金刚石复合片钻头的稳定性，提高金刚石复合片钻头的使用寿命。

钻头常见问题的原因分析

　　1、分层

　　主要表现为金刚石层与硬质合金衬底在其结合面上出现裂缝。用50MHz超声波探伤仪可以检测出其结合面上的烧结情况，金刚石与硬质合金粘结牢固的PDC在探伤中不发生界面反射波；而界面上有裂缝的PDC可以对超声波产生多次的反射和折射，使其在探伤图像上出现非正常的杂波，不同的裂缝产生的杂波图像也有所不同。下面是两种不同的烧结情况在超声波探伤仪中产生的波形图。

　　产生分层的主要原因大致有以下几方面：

　　①高温时间过长

　　众所周知，金刚石在烧结过程中会部分石墨化，液相钴渗入金刚石微粉层时，溶解石墨并向金刚石输送碳，使金刚石颗粒长大并搭接起来，形成金刚石-金刚石的键结合。钴液渗入金刚石粉末的过程伴随着石墨→金刚石的转变，***后金刚石粉末中的石墨转变成金刚石，形成具有金刚石-金刚石结合的牢固烧结体。如果烧结过程处于温度相对较高且持续时间较长时，液相钴会迅速完成溶解石墨并向金刚石输送碳的过程，金刚石颗粒也会长大并搭接起来，但由于高温持续时间较长，已烧结的金刚石会被碳化，从而使金刚石层中残留过多的石墨，严重影响金刚石层与硬质合金衬底的界面结合强度，导致界面分离。

　　②残余应力

　　残余应力的产生主要是由于热膨胀(冷收缩) 的存在。硬质合金的热膨胀系数是金刚石的两倍。PDC的烧结属于液相烧结，当烧结结束各相开始冷却时，由于各相热膨胀不同所以收缩不一致，彼此约束，从而产生应力，这种应力过大时，便导致金刚石层从衬底上分离。而热膨胀是材料本身的固有特性，要完全消除其影响是很难的，只有从工艺上入手，比如对衬底形状的设计，或通过退火处理，以尽量减小残余应力的影响。

　　③硬质合金本身的质量较差。

　　2、欠烧

　　分为全部欠烧和局部欠烧。从外观上看，主要是金刚石微粉尚未完全烧结，呈现松散的结构，在色泽上表现为***或带黄***点，磨耗比很差，钻头价格，基本无使用价值。造成欠烧的主要原因有：

　　①原材料受到污染

　　在市购的金刚石微粉中，总会包含着叶蜡石、石墨、铁磁性物质和灰份等杂质。如果未处理干净或在存放过程中受污染，那么在烧结过程中，这些污染物将对金刚石产生热侵蚀，促使金刚石氧化和加速金刚石的石墨化，从而阻碍钴扫越的进行，轻则局部阻碍金刚石的自身烧结，重则只有界面处的金刚石被烧结，留下黄***点。因此，对原材料的保存和处理要相当仔细，严格按照规程进行。

　　②温度过低或高温时间保持不够。

　　由于PDC烧结属于液相烧结，它就要求必须有液相生成。温度过低时，不能产生足够的液相，使烧结过程无法持续，只能在界面处产生烧结，而其他部分仍保持原有形态，呈现松散的结构。合成腔体达到预定温度是需要一定的时间的，由于受工艺条件所限，这个时间不能过长，否则就会相应缩短后期保持高温的时间，这样，虽然也产生足够的液相，但在相对较短的时间里，扫越式再结晶进行的不很完全，而造成PDC的局部不烧结。要避免这些情况的产生，除了要防止设备故障(如压机的绝缘垫损坏或压机的加热电源漏电等)外，还要不断加强对操作人员的培训，提高操作人员的技术水平。

　　③衬底结合剂含量不足

　　PDC的烧结是需要在衬底中的结合剂参与下有条件进行的，当衬底中结合剂的含量不足时，就会影响PDC的烧结质量，轻则一般会在超硬层表面留下较深的虚点，虚点处基本上没有磨耗比；重则就只能是废品。

　　3、***、黑点

　　所谓***就是指在PDC的金刚石表面存在象针扎过一样的小孔洞。它们有多有少或聚或散，是影响成品率的一大缺陷。我们认为这些小孔洞实际就是气孔。吸附气体或蒸汽是固体与气体界面上***重要的特征性质之一，金刚石亦不例外。由于合成PDC所使用的是金刚石微粉，晋城钻头，通常只有几十微米或几微米，因而比表面积极大，所吸附气体的量就更为惊人。在烧结过程中，由于液相的产生，气体分子逐渐聚集，形成或大或小的气泡，随着温度的升高，颗粒的粒界开始移动，粒子长大并搭接，气泡逐渐迁移到粒界上消失，烧结体密度***，并可能***终排除气泡，得到充分致密的烧结体。但困难的是我们不知道气泡什么时候能被完全排除，因而总会有个别的气泡随着烧结结束形成气孔留在金刚石层中。

　　黑点实际上是一种颜色不均匀，它总是出现在PDC表面的中心部位，而且随着PDC尺寸的大小而变化，PDC的尺寸越小，它就越不明显。它形成的原因就是由于存在着压力温度梯度。在超高压、高温状态下，压力、温度在各处并不均等，且总是边缘的温度和压力高，越往中心就越低，这种不均匀性就会在烧结体上体现出来，要想消除这种缺陷，就应当从组装和配料等工艺上进行改进，才能解决。

从工艺入手 提高我国钻头工具的质量

我国石材总产量、石材出口量和石材消耗量均达到世界首位：有石材加工企业2万多家，从业人员近500万，年产石料600万立方米，年产板材1.2亿平方米，年创产值超过800亿元，拥有***生产线500多条，进出口总额超过12亿美元，成为名符其实的石材生产大国。 我国在上述几方面虽已跨入大国行列，但还不是强国。随着***经济一体化，我国进入WTO，如何使我国成为生产金刚石工具的强国，这是摆在我国同行面前的一项重要课题。根据我们的实践与考察，仅就提高我国金刚石工具质量的问题，提出一些看法。 1.为金刚石工具制造提供批量生产性能稳定、粗颗粒、热稳定性好的高强度金刚石 金刚石的品级质量、粒度和浓度对金刚石工具有决定性的作用。我国在金刚石合成方面，六面顶小吨位高强工艺已趋成熟，六面顶大吨位大腔体工艺不断完善，两面顶合成金刚石也初具规模，粉末触媒合成、碳素、叶腊石块原材料生产不断完善。因此针对我国金刚石工具制造，批量合成性能稳定、粗颗粒、热稳定性能好的高强金刚石是完全可能的。国外的金刚石公司，除推出SDA 、SDB、DSN、MBS、ISD系列外，DeBeers针对国市场推出BKI、BK30、BK60、BK70金刚石，韩国日进公司推出六面顶合成的SDS系列金刚石，都值得我国同行借鉴。 2.采用强碳化物形成元素，提高金刚石把持力 提高金刚石锯片切割效率与寿命的一个关键因素是提高胎体对金刚石的把持力。胎体对金刚石有好的把持力，金刚石就不会过早脱落，并具有大的凸出高度，切割时锋利，效率高。 3.采用超细粉末与预合金化粉末 在生产专用锯片时，宜采用超细金属粉末与预合金化粉末。金属粉末细化有利于降***结温度、提高硬度。采用预合金化粉末，可防止低熔点金属过早流失与偏析，有利于烧结制品的弹性极限和屈服强度，增加对金刚石的把持力，还可降***结温度与保温时间。我国上海材料所、北京人工晶体所、长沙冶金材料所与南工大粉冶所都在这方面做了大量工作。韩国在生产锯片时，广泛使用BASF，UM，INCO，Fum-tungstene，Kennametal等公司的超细粉末与预合金粉末。 4.在刀头生产推广制粒工艺 制粒工艺在我国的硬质合金、陶瓷生产已广泛地被采用，近年来在金刚石刀头生产也获得了广泛应用与发展。粉末制粒的优点是，金刚石的偏析减少，分布更为均匀，改善了刀头的切割性能，增***末的流动性，使容积式冷压工艺应用成为可能，普通冷压工艺性更好，减少了粉尘对工人的危害。其缺点是增加了***与工艺程序，制粒时要添加粘结剂，后者对焊接、烧结和胎体性能可能有不利的影响。各种制粒方法的优缺点比较见下表。 缺点：需清洗，不含金刚石，仅一种金属，设备大。 滚动法：优点：易于操作，石蜡粘结性好，球形。缺点：制粒工艺不稳定，含金刚石，钻头厂家，制粒困难，需过筛。 挤压筛分法：优点：速度快，粘结剂用量少，易于操作。缺点：不含金刚石，需筛分，形状不均一，合格率20%～40%。 手工筛分法：优点：简单，***少，可含金刚石，生产量小。缺点：难以选择粘结剂，所需劳动繁重，形状不规则。 压力搓筛与滚动法：优点：工艺稳定，易于清洗，可自动化，可含金刚石，一次制粒量任选。缺点：难以选择粘结剂，需用较多熔剂。 低速搅拌高速斩切法：优点：可自动化，粒度大小可人为控制。缺点：不含金刚石，一次制粒量不能太少，合格率70%～80%。 德国飞羽公司推出GA180、GA240制粒机，其制粒工艺由于混→加粘结剂搅拌→刮板搓筛→滚动制粒构成。采用此法使刀头冷压速度提高3倍，模具寿命提高1倍，冷压成本降低2/3。 韩国迪爱克斯公司推出CA-10制粒机，其工艺由加粘结剂干混→外圆低速搅拌(25～28r/min)→心高速斩切(2300～2800r/min)构成。 为了制粒，德国研制了GB300、400、500型粘结剂，韩国使用Olycox，我国南京思尚科贸心研制成的WS-120造粒剂为白色团体球状粉末，密度为1.068g/cm3，热分解温度320～350℃，烧结后残留灰分＜0.01%，已取代进口粘结剂，已在各金刚石工具厂得到广泛应用。 5.烧结工艺推广真空保护气氛热压烧结工艺与设备 烧结是金刚石锯片生产一道关键工艺，它的好坏将影响锯片的刀头密度、硬度与切割性能，烧结设备的技术性能也影响锯片生产成本、产品与质量。近我们对金刚石锯片整体烧结炉进行了调研，用几种有代表性的炉型同时采用同一配方粉末进行对比烧结试验，其结果表明： (1)氢气保护、无压烧结并式炉与钟罩炉适于生产低档小尺寸锯片，它单次产量大，但锯片寿命较低； (2)CSF500热压烧结炉，炉温分布均匀，氮气保护加压烧结锯片硬度高，密度大。锯切时锋利、寿命长，可生产锯片，并能生产多规格多品种锯片； (3)RYL系列频气氛保护热压烧结炉设计性能优越，适于单一规格锯片的大批量生产，但对于多品种的适应性差，炉温分布有待进一步完善； (4)SF500、ZBRY-2型烧结炉经过完善后，是一种有发展前途的烧结设备。 6.金刚石绳锯生产采用热等静压与高温钎焊工艺 近十年来，金刚石绳锯在采石与建筑工程得到了创造性的应用，使金刚石绳锯从采石场到石材加工厂，从大块切割到修整成形，从板材切割到异形制品的加工以及建筑工程多种应用，在世界范围的石材切割占有10%的份额，并且还有不断增长的趋势。 在发展进程有几个主要特点： (1)串珠生产方法由电镀单层与双层金属金刚石串珠，到热压烧结及高温钎焊串珠，使绳锯应用范围由大理石扩大到花岗岩与混凝土。 (2)绳锯直径由10～12mm减小到6～8mm，提高了加割效率，降低了材料消耗。 (3)CNC控制的绳锯机的发展，使多绳锯成为可能，从而使绳锯机进入板材厂，可有效切割板材与异形制品，可取代框架锯与桥式板材锯机。 (4)将热等静压工艺用于串珠生产，提高串珠的密度、硬度、强度与使用寿命。 热等静压(HIP)是将烧结好的制品，置于热等静压机，以惰性气体Ar(***气)为传压介质，温度升至1320～1400℃，气体受热膨胀产生80～150MPa压力，钻头哪家好，将串珠置于玻璃包套处理一定时间即可。 热等静压可降低制品的孔隙度，提高密度、强度、冲击韧性及使用性能。我国北京钢铁研究院、南工大粉冶所、北京有色金属研究总院、株洲硬质合金厂都有热等静压设备。 (5)采用单层高温钎焊金刚石串珠 该工艺是我国台北台湾砂轮制造公司(KNIKInc.)推出的专利新技术，高温钎焊串珠金刚石排列规则，分布合理，化学键合与冶金结合并存，金刚石把持力强、突出高。其金刚石使用量可节省一半，锯切速度为普通锯片的2～4倍，切割寿命相当，锯片成本下降。