本发明涉及地质工程技术领域，具体是指一种用于工程勘察的金刚石钻头及其制备方法。
背景技术：
目前，我国用于工程勘察的金刚石钻头市场份额占整个钻头领域约30％。工程勘察的特点是钻孔浅，一般不超过150m，但该深度的地层与岩性变化大。为适应钻机频繁移动，多采用小型轻便钻机，轻便钻机的加压能力小和回转扭矩小。而现有普通金刚石钻头表现出钻进时效低，钻进效果不理想，钻头的使用寿命也不长。
现有制造金刚石钻头常采用热压方法或电镀方法。由于这两种方法制造的钻头结构较简单和单一，对于钻进硬而致密岩层和用于工程勘察却表现出效果不好。电镀方法制造的钻头虽然适应性较广，钻进速度较高，但由于钻头的保径效果不理想而降低了使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构科学合理、对地层的适应性广、钻进效果优良的用于工程勘察的金刚石钻头，同时本发明还提供所述金刚石钻头的制备方法，该方法工艺简单、成本低廉。
为实现上述目的，本发明的用于工程勘察的金刚石钻头，包括钻头钢体和设置在所述钻头钢体前端的钻头扇形切削齿，相邻两扇形切削齿之间设置有水口，其特殊之处在于：所述扇形切削齿由扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿组合而成，所述扇形梯状切削齿的前端切削面为斜坡面，所述扇形切削齿上开设有钻头环形槽。
以下方案的任意一种可作为本发明金刚石钻头的优选方案：
所述柱状切削齿与所述梯状切削齿的齿底唇面的投影面积之比为0.30～0.45︰1。
所述前端切削面(5.1)与钻头切削平面形成扇形切削齿后角(6)，所述扇形切削齿后角(6)的取值在15°～30°范围。
所述钻头环形槽的数量为1～3条。
所述扇形柱状切削齿中，金刚石的浓度为80～100％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的15～35％，粒度为40/50目的占金刚石重量的65～85％。此处金刚石的浓度制采用“金刚石制品国际浓度标准”，即100％的浓度表示每立方厘米中含金刚石4.39克拉。
所述扇形梯状切削齿中，金刚石的浓度为65～75％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的30～50％，粒度为40/50目的占金刚石重量的50～70％。
所述扇形柱状切削齿的胎体硬度为HRC12～HRC25，耐磨性在210～250mg之间；所述扇形梯状切削齿的胎体硬度为HRC10～HRC18，耐磨性在270～320mg之间。扇形柱状切削齿的胎体硬度与耐磨性较高，而扇形梯状切削齿的硬度与耐磨性较低；并在钻头扇形工作齿中部开设环形槽，这样钻头起到复合片钻头和普通金刚石钻头的双重破岩作用，从根本上改变了普通金刚石钻头的不足，有利于提高破碎岩石的效果。
本发明还公开了所述的用于工程勘察的金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计好的配方，分别将扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀，分别装入预制扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿的钢模中，送入压力机中冷压成形，预制成扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿；
2)将扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿按序排列在石墨模具中组装，随后装入保径层粉料与保径聚晶材料，压上钻头钢体后，送入中频炉中热压处理；
3)热压处理结束后立即卸压出炉，缓慢冷却至30℃以下，卸模，即得到用于工程勘察的金刚石钻头。
优选地，步骤1)中，所述的冷压时，冷压扇形柱状切削齿的压力为20～24MPa，保压时间7～10s；冷压扇形梯状切削齿的压力为18～22MPa，保压时间6～7s。
进一步优选地，步骤2)中，所述的热压时，温度为945～955℃，压力为13～16MPa，保温时间2.5～3.5min，保温时间一直保压。
本发明的用于工程勘察的金刚石钻头，从工程勘察特点与地层特性出发，通过将钻头扇形切削齿设计为由扇形柱状切削齿和扇形梯状切削齿组合而成，并且所述扇形梯状切削齿的前端切削面设计为斜坡面；其中扇形柱状切削齿是破碎岩石的主体，扇形梯状切削齿起支撑扇形柱状切削齿的作用，同时起辅助破碎岩石的作用；这种结构的钻头，钻头扇形切削齿与孔底岩石的接触面积较小，能有效降低钻头与岩石的接触面积，在相同的钻压条件下，能够明显提高钻头的比压值，有利于切入岩石，适应于勘察型轻便钻机钻进；同时又能有效冷却金刚石钻头和及时清除孔底岩粉，提高破碎岩石的效率。在所述钻头扇形切削齿切削面开设钻头环形槽后，该结构改变了钻头破碎岩石的方式，能够对孔底岩石以分环方式进行破碎，并增大孔底岩石的自由面，提高了钻头对岩石的适应性能；钻头工作齿为非均质结构，扇形柱状切削齿的金刚石浓度高、胎体硬度高，耐磨性强，与岩石接触面积小，因而整个钻头扇形切削齿起着复合片钻头和普通金刚石钻头的双重破岩作用；从根本上改变普通金刚石钻头存在的不足。
同时，本发明专利的制备方法设计了区别于常规方法的制造工艺，把热压法与冷压法结合起来，发挥热压方法与冷压方法的双重优势，确保钻头性能稳定，提高钻头对地层的适应性。
附图说明
图1为一种用于工程勘察的金刚石钻头底唇面结构示意图；
图2为图1的A向展开示意图；
图3为扇形切削齿结构示意图。
以上附图中，各标号与零部件的对应关系为：
1、钻头钢体，2、扇形切削齿，3、水口，4扇形柱状切削齿，5、扇形梯状切削齿，5.1前端切削面，6、扇形切削齿后角，7、钻头环形槽。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明用于工程勘察的金刚石钻头及其制备方法作进一步详细说明。
实施例1
如图1、图2所示的一种用于工程勘察的金刚石钻头，包括钻头钢体1和设置在钻头钢体1前端的扇形切削齿2，相邻两扇形切削齿2之间设置有水口3，水口个数为八个，每个水口宽6.5mm，内外水槽9各深1.5mm；
如图3所示，扇形切削齿2由扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5组合而成，图3中的扇形柱状切削齿4(图3中的多面体ABDCGEFH构成)，扇形梯状切削齿5(多面体CDLKJIHG构成)；扇形梯状切削齿5的前端切削面5.1为斜坡面(面CKJG构成)；扇形切削齿2上开设有一条钻头环形槽7，钻头槽深2mm，宽2.5mm。扇形柱状切削齿4的底唇面(面BDHF构成)和扇形梯状切削齿5底唇面(面DLIH构成)的投影面积之比为0.35︰1。前端切削面5.1与钻头切削平面形成扇形切削齿后角6，扇形切削齿后角6为18°，扇形柱状切削齿4的工作层高为12mm(图3中线段AB长度)。
本实施例中的扇形柱状切削齿4中，金刚石的浓度为90％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的35％，粒度为40/50目的占金刚石重量的65％。全部采用SMD40品级的金刚石；扇形梯状切削齿5中，金刚石的浓度为70％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的50％，粒度为40/50目的占金刚石重量的50％，全部采用SMD25品级的金刚石。
其制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计好的配方，分别将制扇形柱状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀和将制扇形梯状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀，分别装入预制扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5的钢模中，送入压力机进行冷压压制，预制成扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5；冷压压制时，冷压扇形柱状切削齿的压力为22MPa，保压时间10s；,冷压扇形梯状切削齿的压力为20MPa，保压时间7s；
2)将扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5按序排列在石墨模具中组装，随后装入保径层粉料与保径聚晶材料，压上钻头钢体后，送入中频炉中热压处理；热压处理时，温度为950℃，压力为14MPa，保温时间3.5min，保温时间一直保压；
3)热压处理结束后立即卸压出炉，缓慢冷却至30℃以下，卸模，经机加工后即得到用于工程勘察的金刚石钻头。
经检测，本实施例的扇形柱状切削齿4的胎体硬度为HRC23，耐磨性在250mg；扇形梯状切削齿5的胎体硬度为HRC16，耐磨性在320mg，达到优良级别。
实施例2
一种用于工程勘察的金刚石钻头，包括钻头钢体1和设置在钻头钢体1前端的扇形切削齿2，相邻两扇形切削齿2之间设置有水口3，水口个数为七个，每个水口宽5mm，内、外水槽9各深1.5mm；
如图3所示，扇形切削齿2由扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5组合而成，图3中的扇形柱状切削齿4(图3中的多面体ABDCGEFH构成)，扇形梯状切削齿5(多面体CDLKJIHG构成)；扇形梯状切削齿5的前端切削面5.1为斜坡面(面CKJG构成)；扇形切削齿2上开设有一条钻头环形槽7，钻头槽深2mm，宽2mm。扇形柱状切削齿4的底唇面(面BDKF构成)和扇形梯状切削齿5底唇面(面DLIH构成)的投影面积之比为0.45︰1。前端切削面5.1与钻头切削平面形成扇形切削齿后角6，扇形切削齿后角6为15°，扇形柱状切削齿4的工作层高为12mm(图3中线段AB长度)。
本实施例中的扇形柱状切削齿4中，金刚石的浓度为90％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的25％，粒度为40/50目的占金刚石重量的75％。全部采用SMD40品级的金刚石；扇形梯状切削齿5中，金刚石的浓度为70％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的30％，粒度为40/50目的占金刚石重量的70％。
其制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计好的配方，分别将制扇形柱状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀和将制扇形梯状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀，分别装入预制扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5的钢模中，送入压力机进行冷压压制，预制成扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5；冷压压制时，冷压扇形柱状切削齿的压力为20MPa，保压时间8s；冷压扇形梯状切削齿的压力为18MPa，保压时间6s；
2)将扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5按序排列在石墨模具中组装，随后装入保径层粉料与保径聚晶材料，压上钻头钢体后，送入中频炉中热压处理；热压时，温度为945℃，压力为14MPa，保温时间3.0min，保温时间一直保压；
3)热压处理结束后立即卸压出炉，缓慢冷却至30℃以下，卸模，经机加工后即得到用于工程勘察的金刚石钻头。
经检测，本实施例的扇形柱状切削齿4的胎体硬度为HRC21，耐磨性在240mg；扇形梯状切削齿5的胎体硬度为HRC14，耐磨性在300mg，均达到优良级别。
实施例3
一种用于工程勘察的金刚石钻头，包括钻头钢体1和设置在所述钻头钢体1前端的扇形切削齿2，相邻两扇形切削齿2之间设置有水口3，水口个数为八个，每个水口宽7mm，内、外水槽9各深1.5mm；
如图3所示，扇形切削齿2由扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5组合而成，图3中的扇形柱状切削齿4(图3中的多面体ABDCGEFH构成)，扇形梯状切削齿5(多面体CDLKJIHG构成)；扇形梯状切削齿5的前端切削面5.1为斜坡面(面CKJG构成)；扇形切削齿2上开设有二条钻头环形槽7，钻头槽深2mm，宽2.2mm。扇形柱状切削齿4的底唇面(面BDHF构成)和扇形梯状切削齿5底唇面(面DLIH构成)的投影面积之比为0.40︰1；前端切削面5.1与钻头切削平面形成扇形切削齿后角6，扇形切削齿后角6为25°，扇形柱状切削齿4的工作层高为10mm(图3中线段AB长度)。
本实施例中的扇形柱状切削齿4中，金刚石的浓度为80％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的30％，粒度为40/50目的占金刚石重量的70％。全部采用SMD40品级的金刚石；扇形梯状切削齿5中，金刚石的重量百分比浓度为65％，金刚石中粒度为30/40目的占金刚石重量的40％，粒度为40/50目的占金刚石重量的60％。
其制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计好的配方，分别将制扇形柱状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀和将制扇形梯状切削齿的金刚石、胎体粉末与粘结剂在球磨机中混合均匀，分别装入预制扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5的钢模中，送入压力机进行冷压压制，预制成扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5；冷压压制时，冷压扇形柱状切削齿的压力为24MPa，保压时间7s；冷压扇形梯状切削齿的压力为18MPa，保压时间6s；
2)将扇形柱状切削齿4和扇形梯状切削齿5按序排列在石墨模具中组装，随后装入保径层粉料与保径聚晶材料，压上钻头钢体后，送入中频炉中热压处理；热压处理时，温度为955℃，压力为12MPa，保温时间3.0min，保温时间一直保压；
3)热压处理结束后立即卸压出炉，缓慢冷却至30℃以下，卸模，经机加工后即得到用于工程勘察的金刚石钻头。
经检测，本实施例的扇形柱状切削齿4的胎体硬度为HRC24，耐磨性在210mg；扇形梯状切削齿5的胎体硬度为HRC14，耐磨性在280mg，性能均优良。