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地质勘探经过一个时期的低谷后出现了明显的回升势头，其主要的探矿手段——岩芯钻探出现了又一个迅速发展时期。目前，由于地质勘探逐步向深部发展，对高质量的金刚石钻头的需求量在逐年增加；普通的金刚石钻头明显不能满足深部硬岩钻探的需要，必须研制出高时效、长回次以及高寿命的新型金刚石钻头。
钎焊单层金刚石磨具表现出了磨削效率高，焊接层对金刚石包镶牢固等优点，获得了令人满意的使用效果。而金刚石钻头不同于金刚石磨具，钎焊单层钻头不能满足深孔钻探的要求，因为单层金刚石钻头的使用寿命短，钻头下孔钻进的时间不长，就要提出钻具更换钻头，在深孔钻进中效率低下，不可取。深孔钻进大多采用绳索取芯钻探方法，不仅对钻头的钻进效率要求高，对回次长度也有高的要求，不然就体现不了绳索取芯钻进的先进性与优越性。传统热压法制造的金刚石钻头性能较难控制，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因其对岩层的适应性不够理想(主要指非完整地层、研磨性地层等)，内外保径效果较差，钻头的使用寿命往往较低。因此，本课题期望采用钎焊方法研制新型金刚石钻头，利用钎焊法包镶金刚石的牢固度高、金刚石出刃好以及钻进效率高等特点，采用多层钎焊方式以提高钻头的使用寿命，设计有序排列模板使金刚石在胎体中完全按设计方式有序地分布，进而提高有序排列金刚石钻头的锋利性和寿命，增加金刚石利用率，最终研制出高寿命、长回次和高效率的钻头，以满足我国深部、硬岩的绳索取芯钻探要求，为我国新一轮探矿工作做出积极贡献。本文按照课题的宗旨，结合相关理论，对有序排列孕镶金刚石钻头的研制做了一些基础的工艺摸索和有序排列模板设计，最后对研制的单层薄壁钎焊金刚石钻头室内钻进试验数据进行了分析。
本论文主要研究了如下几个方面的内容：
1.系统的总结了钎焊金刚石钻头的相关理论知识。首先是钎焊原理，分别对真空钎焊和感应钎焊原理进行了介绍，前者具有产品性能稳定、质量好等特点，而后者具有生产周期短、设备简单等特点；接着对钎焊金刚石钻头切削物原材料－金刚石进行了简单评价，指出金刚石抗冲击强度Ti和TTi的重要性与测试计算方法，提出用于制作钎焊金刚石钻头的金刚石磨粒要有较高的强度，在选用金刚石原料时要求Ti值不低于80％，TTi值不低于75％;然后归纳并总结了金刚石与金属元素的反应规律，以及镍基钎料中各金属元素的作用；本文还分析和总结了钎焊工艺中钎焊温度、保温时间以及烧结环境对金刚石钻头性能的影响，指出在真空条件下，运用镍基钎料制作的金刚石钻头，钎焊温度应高出液相线温度90～120℃，保温时间一般为5～10min。最后详细总结了金刚石表面产物碳化铬的物理机制，在一定条件下铬升华并被吸附在金刚石表面上，与金刚石外层碳原子悬挂键发生界面反应，伴随着碳与铬原子的相互扩散，在金刚石表面形成Cr2C3，继而形成Cr7C3。
2.单层薄壁钎焊金刚石钻头的制作流程主要步骤如下：钢体清洗→涂覆胶+钎料的混合物→撒金刚石→喷胶→撒钎料→修整→烧结。为防止烧结后工作层部位有“气泡”出现，在制作过程中应仔细清洗钢体和金刚石，钎料中添加上低熔点的Cu合金和Mn等元素，撒钎料时要覆盖住金刚石，以及设计合理的钻头切削单元结构等等。
3.多层钎焊金刚石钻头的制作有两种方案：分层法制作多层钎焊金刚石钻头和钎焊金属板——热压烧结多层钎焊金刚石钻头。这两种方案中都需要用到有机胶，该有机胶应具有跟钎料和基体不反应、对工具无副作用、高温下挥发后残留物少、无毒、以及成本低等特点。此外为防止钎料流失至模具不需要的部位，需应用阻流剂，要求它在钎焊周期中热稳定性好、对零件无腐蚀作用、钎焊过程中不污染真空气氛、对钎料的流动有相当好的阻止作用。
4.有序排列模板的设计包括横向间距(I)和纵向间距(s)的设计，该设计需结合钻头在孔底的碎岩过程进行机理分析与设计，I和s的值还与金刚石的粒径密切相关。横向间距I影响着钻头的切削范围，纵向间距s直接影响金刚石的出刃，而金刚石的出刃又与胎体和岩层的适应性有关。经计算，当使用40/50型号的金刚石作为切削物时，横向间距的取值范围为1.11＜1＜1.47mm较好，纵向间距取金刚石直径的2/3倍。
5.钎焊金刚石钻头室内钻进试验数据表明，合理的钻头钎料、添加剂和烧结工艺能够使钎焊金刚石钻头中的金刚石——钎料合金——基体之间达到化学冶金结合，能够实现真正的金刚石表面金属化，使得金刚石钻头的性能较优。钎焊法制造金刚石钻头，可以获得对金刚石的牢固包镶，金刚石出刃高，钻头锋利性好、寿命长等优点。钻进混凝土时，钎焊单层薄壁金刚石钻头的钻进时效比电镀钻头和中频热压钻头分别提高了58.9％和97.8％，钻进钢筋混凝土时分别提高了32％和125％，钻进花岗岩时分别提高了46.7％和85.7％。寿命上，钻进混凝土后，比电镀钻头和中频热压钻头寿命还分别提高了8.3％和8.3％，钻进钢筋混凝土时分别提高了108.3％和101.6％，钻进花岗岩时分别提高了33.3％和11.1％。
因此，研制与开发多层钎焊金刚石钻头，并使之拥有单层钎焊金刚石钻头的锋利度，以用于钻进坚硬、致密，弱研磨性地层，并获得高的钻进效率，成功突破这一普通孕镶金刚石钻头钻进效率低的难钻地层是非常有意义和必要的。