我国的热压金刚石钻头的研制始于六十年代后期,已经有五十余年的历史。从制造方法分析,无论是我国还是外国,都以粉末冶金热压方法为主,这是因为粉末冶金热压法制造金刚石钻头的性能可调范围较广,对岩石的适应能力较强,钻头的使用寿命较长;同时生产效率较高。而粉末冶金方法中的其它方法,如无压法和冷压方法,都没有热压方法所具有的较多优势,所以没有得到普遍的推广应用。　　 同时,几十年的发展,从钻头胎体配方、热压工艺和钻头的结构,几乎都没有什么实质性的变化与创新,远远赶不上地质勘探的发展和深部找矿的要求。　　 在深部钻探中,岩层变化较频繁,岩性复杂,要求钻头对岩层的适应性要好;绳索取芯钻进要求钻头的钻进时效高,更要求钻头的使用寿命长。而目前的金刚石钻头虽然种类繁多却难以同时满足这些要求。　　 从实践中发现,钻进过程中钻头回转失稳是钻头提前破坏或非正常磨损的主要原因,而钻头回转失稳是由于钻具结构不合理或钻具不符合要求,或钻头的性能与结构不合理等因素所造成。从钻头的角度分析,由于钻头的性能与结构不甚合理,使得钻头与孔底岩石的啮合力不强,在钻进中稳定性差,造成钻头在许多情况下都会出现非正常磨损,或者外径部位偏磨,或者内径部位偏磨,或者磨损成非正常的圆弧形。这些非正常磨损的钻头不是钻进速度不高,就是钻进寿命不长,或对岩石的适应性较差,降低了钻头的钻进技术经济指标。　　 出于提高钻头对岩层的适应性和提高钻头在钻进中的稳定性,改善钻头的钻进技术经济指标,本论文提出研究预合金粉-聚合粗粒金刚石-分层结构新型热压金刚石钻头,并进行了深入的试验、研究与分析,取得了研究成果。　　 1、本论文首先简要介绍与分析了热压金刚石钻头的基本原理与工艺,重点阐述了热压金刚石钻头的制造工艺,包括热压温度、压力、出炉温度、活化烧结以及混料工艺等,同时深入研究了热压金刚石钻头胎体合金的特点与基本性能要求,分析了胎体各成分的作用机理,对比了碳化钨基胎体、铁基胎体和预合金粉胎体的性能特点与对岩层的适应性,为研制新型结构热压金刚石钻头提供了最基础的资料,为研究与试验新结构的金刚石钻头奠定了良好的基础。　　 2、对比分析了胎体性能的试验研究方法,确定采用混料回归试验设计方法进行胎体性能的试验研究,这是一种能够适用于多因素的研究胎体性能的先进的试验研究方法,对于掌握胎体成分变化对胎体性能影响规律有着积极的意义和宏观的控制作用。本论文采用的六因素混料回归试验设计方法,涉及因素多,在热压金刚石钻头的设计研究中还是第一次得到应用。　　 3、利用最新的SM-100A型自动智能电阻炉烧结胎体试块,利用HR-150A型硬度计与MPx-2000型摩擦磨损试验机等检测设备,对胎体试块进行硬度与耐磨性测试,得出了随着胎体成分的变化引起胎体性能的变化规律,为依据岩石性质选择钻头胎体性能提供了可靠的依据。　　 4、本论文深入分析了现有的金刚石钻头出现偏磨或非正常磨损的原因与机理。冲洗液流的冲蚀作用,钻具运转不平衡而失稳,钻头的结构不合理等等因素,都会造成钻头的非正常磨损。在此基础上反复对比、研究了热压金刚石钻头的结构形式,提出新结构钻头的设计思路,进行了钻头的试制与试验。　　 ①提出了分层结构型金刚石钻头的研究思路与设计方法。一般情况下把工作层分为三层:即外环带部位工作层、内环带部位工作层以及中间环带部位工作层。三个环带部位工作层的性能不相同,外环带部位的硬度与耐磨性最高,而内环带部位的硬度与耐磨性次之,中间环带部位的硬度与耐磨性较低。内外环带工作层各占30％的钻头底唇面积,中间环带占40％的钻头底唇面积。不同的硬度与耐磨性通过采用不同的胎体配方与金刚石参数来实现。　　 论文同时提出了分层复合型结构钻头的研究思路,并进行了设计。该型钻头的特点是复合了不含金刚石层,有规律地分布在钻头工作层中,形成几条环带,钻头能够在孔底形成分环破碎,形成破碎穴并利用破碎穴效应提高钻进效率。　　 ②提出了聚晶体强化型金刚石钻头的研究思路与设计方法。与分层结构型钻头不同的是,钻头的工作层部分为三部分,而是由同一个配方与相同的金刚石参数制造出性能均匀一致的钻头工作层,再将热稳定性聚晶体按照一定规律分布在内外环带部位的工作层中,实现工作层在内、外、中三个环带部位的耐磨性不相同,从而实现了钻头的工作层分成性能不相同的三部分,达到与分层结构型钻头异曲同工的效果。　　 5、在对比不同胎体材料及其胎体性能的基础上,提出全部采用预合金粉作为新结构钻头的胎体材料,通过混料回归试验设计方法对预合金粉进行了回归试验设计,得出了胎体性能随预合金粉成分与含量变化而变化的规律;同时,通过回归分析获得胎体硬度与耐磨性的优化值,对于宏观控制胎体性能和针对岩石性质设计钻头提供了有力的依据。　　 预合金粉胎体对金刚石的包镶牢固度高,相同硬度条件下其耐磨性高,金刚石的出刃能够得到提高,这有利于提高钻进速度和钻头的使用寿命;同时,采用预合金粉时,热压钻头的烧结温度和压力可以降低,有利于节省能源。这些都在本次论文的试验研究中得到证实。　　 6、金刚石钻头的出刃是影响钻头钻进效果的主要因素之一,它受许多因素的影响与制约,其中包括金刚石微脆裂效应的影响。出于某类单晶金刚石的微脆裂现象与效应的启发,本论文设计研究了一种采用钎焊法将小颗粒金刚石聚合成粗粒金刚石的方法,聚合成了粗粒金刚石,应用聚合的粗粒金刚石研制了热压金刚石钻头,具有创新性。　　 钎焊法聚合粗粒金刚石,必须在真空钎焊炉内进行,钎焊工艺和钎焊料的选择将对聚合粗粒金刚石的性能产生明显影响。通过试验与研究,钎焊料采用镍-铬基钎焊料加12％的碳化钨,钎焊工艺为:真空度10-3Pa,温度1010℃,保温3h,随炉冷却;聚合成合格的粗粒金刚石。　　 聚合粗粒金刚石可以依据岩层性质不同的需要,可以钎焊聚合成1.2～2.0mm直径的粗粒金刚石。随着钻进的进行,金刚石被磨损或脆裂后较容易从聚合粗粒金刚石中脱落,钻头具有较好的自锐效果和较高的出刃,能够始终保持钻头的较好锋利程度,维持较高的钻进速度,获得了很好的实用效果;并对钻进硬而致密的岩石表现出了良好的应用前景,在钻头的制造史上是一个突破。　　 7、采用预合金粉和聚合粗粒金刚石,在混料回归试验设计研究的基础上,研制了室内钻进用钻头,以验证回归设计的合理性与可行性,同时检验预合金粉和聚合金刚石的效果。针对室内钻进试验用的岩样进行了岩性、矿物成分与岩石结构的分析,经过磨片与岩矿分析鉴定,确定该岩石名称是:含黑云母中～细粒二长花岗岩,属于中～细粒它形～半自形粒状结构;岩石力学性质测试分析结果,定为可钻性Ⅷ～Ⅸ级、接近Ⅸ级的中等研磨性岩石。　　 针对所钻岩石的性能,采用回归试验设计表2-12中试验7号与12号胎体配方与工艺,采用分层结构试制了两只室内钻进用的Φ42/26mm钻头,进行室内钻进试验研究。试验结果表明,钻进时效达到2.29m/h,钻头的寿命可以达到50.5m。这为针对野外生产性钻进的岩石性质,设计胎体力学性能、金刚石参数与热压工艺,提供了十分有益的和重要的依据。　　 室内钻进结果表明:混料回归试验设计方法完全能够满足热压金刚石钻头的设计需要,分层结构型钻头的结构设计是合理的,预合金粉和聚合金刚石具有良好的应用前景,钻头的胎体配方与工艺对于研制生产性钻头有很好的参考价值与指导意义。　　 8、通过多次试验研究和室内钻进试验,优化确定了钻头的胎体配方与热压工艺规范。对于分层结构钻头的中间环带部位的胎体配方采用试验组合第7号配方,其成分为:JC10F(即WC)含量14％,663-Cu合金含量22％,Fe-Cu-Ni含量27％,Fe-Cu-Mn含量13％,Cu-Co-Sn含量12％,Fe-Cu30含量12％;而钻头的内外环带部位的胎体配方采用试验组合第12号配方,其成分为:JC10F(即WC)含量14％,663-Cu合金含量19％,Fe-Cu-Ni含量32％,Fe-Cu-Mn含量13％,Cu-Co-Sn含量12％,Fe-Cu30含量10％。而对于聚晶强化型钻头胎体,由于其钻进的岩性所要求,采用试验组合12号配方比较合理。　　 9、针对预合金粉胎体的特性和新结构钻头的特点,研究试验了适合该钻头特点的热压工艺。升温初期采用100℃/min的升温速度,而当模具温度升至600℃时,采用120℃/min的升温速度,温度升至800℃时保温30s,之后升到设定的终温,保温5min;温度升至965℃后进行保压,随后继续保压至820℃出炉,出炉后采取保温措施缓慢降温。　　 10、依据上述的研究成果,应用预合金粉、聚合粗粒金刚石,试制了两只Φ75/Φ54.5mm的分层结构型普通双管金刚石钻头;同时试制了两只Φ75/Φ54.5mm的聚晶强化型结构普通双管金刚石钻头,在野外进行了生产性试验。钻头试验在吉林省延吉某铁矿勘探工地,试验结果表明:钻头的平均寿命达68.78m,平均时效达1.97m/h。钻头的磨损均匀,无一出现非正常磨损;与该矿区使用的其它厂家的钻头相比具有明显的优势。本论文试验研究达到了设计要求和预期的目的。