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郑州华晶金刚石股份有限公司

金刚石钻头的结构及特点

关键词 金刚石 , 钻头 , 工具|2018-08-08 10:05:01|来源 中国超硬材料网
摘要 一、总体结构金刚石材料钻头属一体式钻头,整个钻头无活动部件,主要有钻头体,冠部,水力结构(包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道,排屑槽),保径、切削刃(齿)五部分。  金刚石钻头的冠部是钻...

       一、总体结构

       金刚石材料钻头属一体式钻头,整个钻头无活动部件,主要有钻头体,冠部,水力结构(包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道,排屑槽),保径、切削刃(齿)五部分。

  金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分,其表面(工作面)镶装有金刚石材料切削齿,并布置有水力结构,其侧面为保径部分(镶装保径齿)它和钻头体相连,由碳化钨胎体或钢质材料制成。

  钻头体是钢质材料体,上部是丝扣和钻柱相连接,其下部与冠部胎体连结在一起(钢质的冠部则与钻头体成为一个整体)。

  金刚石材料钻头的水力结构分为两类。一类用于天然金刚石钻头和TSP钻头,这类钻头的钻井液从中心水孔流出,经钻头表面水槽分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿,最后携带岩屑从侧面水槽及排屑槽流入环形空间。另一类用于PDC钻头,这类钻头的钻井液从水眼中流出,经过各种分流元件分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿。PDC钻头的水眼位置和数量根据钻头结构而定。

  金刚石材料的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用,采用在钻头侧面镶装金刚石的方法达到保径目的。

       二、金刚石材料钻头的切削齿材料

  金刚石钻头切削齿材料分为天然金刚石和人造金刚石两大类。金刚石为碳的结晶体,晶体结构为正四面体,碳原子之间以共价键相连,结构非常稳定,典型的品形有立方体、八面体和十二面体等。

  金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料,因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。

  但是,金刚石作为钻头切削刃材料也存在较大的弱点。第一,它的脆性较大,遇到冲击载荷会引起破裂。第二,它的热稳定性较差,在高温下金刚石燃烧变为二氧化碳和一氧化碳(碳化),在空气中约在455~860℃之间,金刚石就要出现石墨化燃烧;在惰性或还原性气体中不会氧化,但在约1430℃时,金刚石晶体会突然爆裂而变成石墨。因此金刚石钻头的设计、制造和使用中须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却。

       三、金刚石工具的现状

  金刚石工具广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域,机械加工用的磨具、地质钻头及石材锯切工具的制造工艺水平已有很大提高。产品已形成系列化、标准化,品种规格齐全,产品质量稳定,部分产品在国际市场上具有一定的竞争力。金刚石单晶绝大多数是用来制作各种金刚石工具,其种类很多。我国生产的金刚石锯切工具品种规格齐全,质量稳定。据统计,近几年来金刚石钻探工具基本上可满足市场需求;随着建筑业的发展和家用空调的普及,用于管线安装和空调整机安装及旧楼改造,施工用金刚石薄壁工程钻头需求量也在日益增加,用于石油、煤田勘探的PDC钻头的需求量也相应增加,我国所生产的金刚石复合片在质量上还不过关,有待于进一步研究改进,不断提高产品质量,改变目前PDC钻头依赖进口的局面。

  在机械加工中,金刚石砂轮、PCD工具刀具、珩磨油石、修整滚轮、拉丝模等都得到广泛应用;金刚石聚晶拉丝模的性能优于天然金刚石模和硬质合金模,因此在拉丝行业中应用很多,尤其是CVD金刚石拉丝模的出现,为控制15mm以下的线材提供了可靠的拉丝工具。PCD刀具是主要用于有色金属与非金属材料的加工,据报道,PCD刀具在汽车、摩托车、家用电器、木材加工及通用机械等行业中的需求量逐年增加。尽管我国生产的各种金刚石工具在各行业得到广泛应用,并取得显著的经济效益,但其技术水平与国外同类产品相比还有一定的差距,主要表现在:

1、整个金刚石工具产业缺乏统一管理和宏观调控。由于盲目发展,整个金刚石工具生产布局出现散而乱、遍地开花的局面,工具销售市场产品质量不稳定,竞争无序,价格混乱。

2、由于金刚石单晶生产与金刚石工具生产的发展不协调,使得我国金刚石工具的发展滞后于金刚石单晶的生产增长速度,造成金刚石积压和滞销,影响和制约了我国金刚石工业的持续发展,使金刚石生产企业经济效益严重滑坡。

3、金刚石工具应用领域较窄,产品品种单一,质量不稳定,有的产品技术质量标准较混乱,没有统一的产品质量检测、监督的管理规范和标准。

4、金刚石工具生产装备和整体技术水平比较落后,一些较先进的新技术、新工艺推广应用较慢。

5、生产企业规模普遍偏小,生产不集中,工艺技术差,缺乏市场竞争力,经济效益不高。

6、金刚石工具生产以及新产品开发、工艺技术研究等方面的资金投入不足。

7、在金刚石工具使用过程中,基体材料使用率低,钢材浪费严重;使用过程中非正常磨损、脱落、残留的金刚石较多,使金刚石实际利用率较低,金刚石材料浪费较多。

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