摘要：自十一五期间,国务院总理温家宝对《国务院关于加强地质工作的决定》作出重要批示后,地质勘探经过一个时期的低谷后又出现了显著的回升势头,岩心钻探作为主要的探矿方式之一,又出现了一个迅速进展时期。目前,我国地质勘探逐步向深部进展,深部钻探所面对的岩层更为复杂,对金刚石钻头性能要求也更高。传统制造金刚石钻头的策略有热压法和电镀法,热压法制造的金刚石钻头性能较难制约,难以适应深部复杂多变地层的钻进；电镀法制造的金刚石钻头往往内外保径效果较差,钻头的利用寿命较低,也难以适应深部复杂地层,特别是非完整地层和强研磨性地层。此外,传统金刚石钻头工作层内部结构较为单一,也即胎体内部的金刚石与胎体成分都是性能一致的均匀分布在工作层中,导致钻头对岩层的适应性不理想,大大降低了钻头的利用性能。运用钎焊法制造金刚石工具是近些年国内外学者探讨较多的一种新策略,钎焊技术可以使得钎料中的某些活性元素与金刚石表层碳原子发生化学冶金反应,在金刚石表面形成一层金属碳化物层,通过这层碳化物层,金刚石、钎料与基体三者形成牢固的化学冶金结合。金刚石与钎料形成化学冶金结合,有利于提升单颗金刚石的出刃高度和工作时间,进而提升工具的切削效率和利用寿命。但是,用钎焊法制作金刚石工具难以制成孕镶金刚石工具,目前研制成功的钎焊金刚石工具一般为单层钎焊金刚石工具。对金刚石工具里的金刚石进行有序化也是近些年热门的探讨话题,有序排布金刚石工具可以使得工具内每颗金刚石得到充分利用,进而降低工具的金刚石用量,降低成本。但是,由于难以制作具有高密度孔洞的有序排布模板,有序排布技术较适合运用于低浓度的金刚石工具制作中。由此,有序排布技术往往运用于金刚石锯片、金刚石磨轮等低浓度金刚石工具中。本论文的目的是借鉴钎焊技术在单层金刚石工具中的成功运用,以及有序排布技术在低浓度金刚石工具中的成功运用,将钎焊技术和有序排布技术引入到地质金刚石钻头的制作中,利用钎焊技术所特有的对金刚石把持力高的优点,降低金刚石浓度,同时利用有序排布技术使得钻头内每颗金刚石充分发挥其功效,最终研制出高时效、长寿命、低成本的新型金刚石钻头,以满足我国深部硬岩绳索取芯钻探的要求,为我国新一轮探矿工作做出积极的贡献。论文在浅析钎焊有序排列孕镶金刚石钻头对钎料、金刚石、以及胎体性能要求的基础上,结合生产经验,运用材料显微浅析测试技术、材料机械性能测试技术、仿真模拟技术等手段,探讨了钎料对金刚石的包镶机理、钎料成分对胎体性能的影响、钎焊切削单元层与层之间的胎体材料成分、二次烧结工艺、金刚石有序排列模板的设计、以及金刚石宏观排列方式对钻头碎岩的效率影响等探讨,初选出制作钎焊多层有序排列金刚石钻头配方和工艺,制作了三种不同排列方式的金刚石钻头进行室内钻进试验,最后优选出合理的钻头配方、工艺以及金刚石排列方式制作钻头,进行野外生产性试验。由于钎焊法制作金刚石钻头是一种新策略,根据该策略对钎焊金刚石钻头用金刚石、钎料以及烧结工艺的要求,本论文首先对钎焊金刚石钻头做了众多基础性探讨。钻头中的金刚石是直接参与破碎岩石的刃具,金刚石性能是否优良对钻头的利用性能有着较大的影响。对钎焊后的金刚石进行冲击强度测试,高温钎焊后金刚石的抗热冲击强度TTI值(61.75%)比原料金刚石的TI值(91.6%)下降了近33%。由此,用于制造钎焊金刚石钻头的金刚石要求具备良好的抗冲击性能和抗热冲击性能,提出选用制作钎焊金刚石钻头的金刚石原料TI值应不低于80%,TTI值不低于75%。为探明钎料与金刚石是否发生了化学冶金反应,对钎焊后的金刚石表面进行了表面形貌测试,用能谱测试技术对生成的物质进行了元素测试,测试结果表明,金刚石表面生成了一种银白色的柱状物质,该物质富含Cr元素和C元素。浅析认为,钎料中的活性元素Cr元素与金刚石表层C原子发生了化学冶金反应,金刚石表面形成的金属碳化物是钎焊法提升包镶金刚石能力的根本理由。粉末的流动性直接影响着制作钎焊金刚石切削单元的质量和速度,对试验用钎焊粉末进行流动性测试,结果表明,粉末的流动性在14-26s之间,能满足机器自动铺粉的要求,但是添加了30%WC的粉末较流动性差,影响手工法制作钎焊金刚石切削单元的速度,同时钎焊层性能也不均一。钎料的成分对胎体的物理力学性能有着较大的影响,本论文对添加了WC粉和Fe粉的钎焊胎体进行了硬度、抗弯强度和耐磨性测试,结果表明,添加适量的WC粉可以提升胎体的硬度和耐磨性,但会降低胎体的塑性,添加量在20%时胎体综合性能最佳；添加合适的Fe粉可以提升胎体的塑性,但会降低胎体的硬度和耐磨性,添加量在30%时胎体性能最佳。为探明添加金属对钎焊胎体产生物理力学变化的内在机理,论文对钎焊胎体进行了金相显微浅析和能谱测试,金相浅析结果表明,添加WC粉的胎体中第二相球状组织和针状组织对胎体起到了强化作用,使得胎体硬度和耐磨性提升,但是WC与基体的弹性模量相差较大,WC在胎体中起到割裂作用,导致胎体抗弯强度下降；添加Fe粉的胎体中没有了球状组织和针状组织,第二相脆性组织的消失,使得胎体抗弯强度提升,而屈服强度降低,胎体的硬度和耐磨性下降。显微能谱测试表明,灰黑色区域为金相组织中的第二相球状组织和针状组织,该区富集了Cr、O、B元素,可能形成的化合物为CrB和Cr,(O)y。鉴于钎焊多层有序排列金刚石钻头的工作条件和钻头工作层的功能,钻头用钎料与基体的润湿性、钎焊烧结工艺、钻头内金刚石的宏观排列方式、切削单元中金刚石颗粒间的间距、连接切削单元层与层之间的胎体材料和二次烧结工艺对钻头的利用性能都有重要影响。本论文通过在钎料中添加Cu、Mn等低熔点金属大大改善了钎料与钻头基体的润湿性,用添加了Cu、Mn元素的NiCrBSi钎料制作单层薄壁钎焊金刚石钻头,以10～15℃/min的速率升温至钎焊温度1010℃,保温10min,以10℃/min的速率降温至室温的烧结工艺。室内钻进试验表明,钻进花岗岩的时效比电镀金刚石钻头和热压金刚石钻头分别提升了46.7%和85.7%,钻头寿命分别提升了33.3%和11.1%。为提升钻头寿命,本论文用常规混料法制作了钎焊孕镶金刚石钻头,该钻头难以对金刚石实现有序排列,同时胎体耐磨性较高,在钻进历程中金刚石出刃难,换层现象显著,钻进速度低。最后选用分层——复合法制作钎焊多层有序排列金刚石钻头,选用厚度为0.2mm厚的不锈钢板作为钎焊基体,按照单层钎焊薄壁金刚石钻头的配方和工艺制作钎焊金刚石切削单元,并对每一单层钎焊金刚石切削单元内的金刚石进行有序排列,将复数层钎焊金刚石切削单元按规律叠加起来,通过二次烧结的工艺形成钎焊多层有序排列金刚石钻头。对钻头内金刚石进行有序排列,有利于降低钻头中金刚石浓度,同时可根据钻头不同工作环境而设计不同浓度与粒度的金刚石。金刚石颗粒之间的横向距离决定破碎岩石的范围,纵向距离决定金刚石层与层之间的及时出刃,结合孕镶金刚石钻头的碎岩机理对有序排列模板进行参数设计,横向间距为(2.8-3.1)d,纵向间距为(1.67～1.9)d,搭接高度为(1/7～1/3)d,其中d为金刚石粒径。分层法制作多层钎焊金刚石钻头有三种案例：同心圆竖直叠加弧形排列、放射状径向竖直叠加排列和扇形块平面叠加排列。有限元显式动力浅析模拟和室内钻进试验表明,同心圆竖直叠加弧形排列金刚石钻头钻进时效高于放射状径向竖直叠加排列和扇形块平面叠加排列金刚石钻头。浅析认为,钻头中金刚石宏观排列成弧形状,有利于充分利用钻头回转所形成的环状破碎,进而利用钻头振动形成大体积破碎,提升钻头碎岩效率。根据有限元显式动力浅析模拟结果和钻头室内钻进试验结果得出,野外生产性试验钻头内金刚石宏观排列成弧形状。针对中等～强研磨性的硬～坚硬地层的钻头用钎料配方为NiCrBSi+w (WC)20%粘结层与层之间的胎体材料配方为Ni-21%,Fe-29%,Mn-4%,663-Cu-36%,WC-10%：二次烧结工艺为烧结温度955℃,压力为15MPa,保温时间7min。对用该配方和工艺生产出的28个不同规格(20个φ75.5/和8个φ56.5/38mm)的普通双管钻头在四川电站大坝工程工地、福建某矿区和湖南平江金矿区等三个钻探工地进行了野外试验。试验结果表明,钻头钻进时效较工地上利用他其他厂家的钻头提升了20%以上,钻头寿命提升了20以上%。针对弱研磨性的硬～坚硬致密地层的钻头用钎料配方为：NiCrBSi+w (Fe)30%；粘结层与层之间的胎体材料配方为：Ni-21%,Fe-39%,Mn-4%,663-Cu-36%；二次烧结工艺为：烧结温度为950℃,压力设为15MPa,保温时间为7min。对用该配方和工艺生产出的5个φ56.5/38mm的普通双管钻头在大连某工地进行了野外试验。试验结果表明,钻头钻进时效较该工地利用的传统钻头提升了25%,寿命降低了11.6%。浅析认为,钻头胎体较软和金刚石浓度较低导致钻头寿命降低。试验表明,开发的钎焊——热压多层有序排列金刚石钻头具有钻头时效高、寿命长和适应性能好等优点。总的来说,本论文通过大量试验和论述浅析,确定了以NiCrBSi为钎料,分层——复合法制作钎焊多层有序排列孕镶金刚石钻头的钎焊和热压配方、工艺以及金刚石的宏观排列方式,成功地将钎焊技术和有序排列技术引入到地质金刚石钻头制造中,实现了采取钎焊法制作高时效、长寿命、低成本的多层有序排列地质金刚石钻头,达到了预期目标。钻头的二次成型虽使得制作成本有所增加,但有序排列技术和钎焊技术的引用,使得钻头金刚石用量大大减少,镍基钎料的也低于WC粉、Co粉的,钻头原材料成本大大降低,使得钻头总体成本下降。关键词：金刚石钻头论文钎焊-热压论文多层有序排列论文分层——复合论文
作者介绍5-6
摘要6-9
ABSTRACT9-17
第一章 绪论17-28
§1.1 金刚石钻头的探讨进展17-18
1.1.1 电镀金刚石钻头的探讨近况17
1.1.2 热压金刚石钻头的探讨近况17-18
§1.2 单层钎焊金刚石工具的探讨进展18-23
1.2.1 镍基钎料金刚石工具18-20
1.2.2 铜基钎料金刚石工具20-22
1.2.3 银基钎料金刚石工具22-23
§1.3 有序排列技术在金刚石工具中的探讨近况23-24
§1.4 多层钎焊金刚石工具探讨近况24-25
§1.5 课题的提出、目的及作用25-26
§1.6 论文的探讨思路、探讨内容及探讨策略26-28
1.6.1 论文的探讨思路26
1.6.2 论文的探讨内容与探讨策略26-28
第二章 钎焊金刚石钻头基础探讨28-55
§2.1 实验材料、策略和设备28-30
2.2.1 实验材料28
2.1.2 试验策略28-29
2.1.3 试验设备29-30
§2.2 金刚石的物理化学性能及其特点30-32
§2.3 钎焊金刚石表面生成碳化物的物理化学机制32-36
2.3.1 钎焊金刚石表面碳化物的生成32-34
2.3.2 碳化物生成的物理化学机制34-36
§2.4 金属粉末物理性能对流动性的影响36-39
§2.5 钎焊工艺对工作层性能的影响39-41
2.5.1 钎焊温度39-40
2.5.2 保温时间40
2.5.3 烧结环境40-41
§2.6 钎焊材料成分对钎焊层性能的影响41-54
2.6.1 各元素在钎料中的作用42-44
2.6.2 钎焊材料对胎体物理力学性质的影响44-47
2.6.3 钎焊材料对胎体组织结构的影响47-54
§2.7 本章小结54-55
第三章 钎焊金刚石钻头设计55-70
§3.1 单层薄壁钎焊金刚石钻头设计与试验55-58
3.1.1 钻头的制作工艺流程55-56
3.1.2 钻头工作层气泡不足的浅析与解决56-57
3.1.3 单层薄壁钎焊金刚石钻头室内钻进试验57-58
§3.2 多层钎焊金刚石钻头设计58-62
3.2.1 常规策略钎焊孕镶金刚石钻头58-59
3.2.2 钎焊——热压多层有序排列金刚石钻头研制案例59-61
3.2.3 钎焊金刚石单元层基体的选择61
3.2.4 模板的制作61-62
3.2.5 钎焊层参数的设计62
§3.3 钎焊——热压金刚石钻头层与层之间的联结62-64
3.3.1 层间粘结材料63
3.3.2 热压工艺参数63-64
§3.4 切削单元中金刚石有序排列参数的设计64-68
3.4.1 孕镶金刚石钻头碎岩机理64-66
3.4.2 有序排列模板参数的设计66-68
§3.5 本章小结68-70
第四章 金刚石排列方式对岩石破碎的影响模拟及钻头试制70-88
§4.1 平底钻头碎岩模拟70-79
4.1.1 ANSYS建模历程71-74
4.1.2 结果浅析74-79
§4.2 岩样测试与室内钻进试验79-87
4.2.1 室内钻进试验岩样浅析与测试79-82
4.2.2 钻头研制82-83
4.2.3 钻进条件83-84
4.2.4 室内钻进结果与浅析84-86
4.2.5 钻头室内试验结果86-87
§4.3 本章小结87-88
第五章 钎焊-热压多层有序排列金刚石钻头研制及野外生产性试验88-95
§5.1 中等～强研磨性的硬～坚硬地层的钻头研制88-89
5.1.1 金刚石的浓度88
5.1.2 金刚石的粒度88
5.1.3 胎体配方88-89
5.1.4 热压工艺89
§5.2 野外钻进试验结果与浅析89-91
5.2.1 野外钻头试验报告89-91
5.2.2 钻头试验结果与浅析91
§5.3 弱研磨性的硬～坚硬致密地层的钻头研制与试验91-94
§5.4 本章小结94-95
第六章 总结与展望95-98
§6.1 结论95-97
§6.2 革新点97
§6.3 展望97-98
致谢98-99
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