CN102587838A - 热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法 - Google Patents

热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法。首先采用冷压法，预制出聚合粗粒金刚石扇形切削单元薄层，然后将不同规格的切削单元薄层逐层有规律地沿钻头径向竖直排列，组合成扇形切削工作块，再将多个切削工作块装入石墨模具中，经热压而形成热压聚合粗粒金刚石钻头。切削单元薄层在钻头工作层内呈同心圆分布排列，体现了钻进破碎岩石的原理，孔底岩石能形成连续破碎穴，钻进中充分利用岩石破碎穴效应；聚合粗粒金刚石的自锐效果好，金刚石可以维持很高的出刃，提高了切入岩石的深度，因此，钻头破碎岩石的效率高。本发明所制成的钻头在深部硬岩找矿和绳索取芯钻进中比普通钻头具有明显的优势。

Description

热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法
技术领域
本发明涉及地质工程学科领域所用金刚石钻头的制造方法，特别是一种热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法。
背景技术
我国开始研制人造金刚石钻头，至今为止已有近半个世纪。目前的金刚石钻头虽然具有较好的性能，可以获得较高的经济技术指标。但是，随着向深部找矿方向的发展，岩层越来越坚硬和复杂、多变；绳索取芯钻探势在必行，要求金刚石钻头不仅钻进效率要高，而且要求使用寿命要长，还要求钻头对岩层的适应性要好；而现有的金刚石钻头的品种少，其性能很难满足上述多方面的要求。
金刚石钻头在钻进中，部分金刚石的棱角处会出现微脆裂现象，这有利于维持钻头的锋利状态和提高钻进速度。但这种微脆裂是很有限的，因此，对提高钻进速度也是有限的；同时，多数金刚石不具有微脆裂的现象，不具备自锐作用。
综上所述，因现有的钻头存在诸多不足，已不能满足当前钻探的需求，故研制一种钻进效率高、使用寿命长和对岩性适应性好的钻头已是地质工程学科的当务之急。
发明内容
本发明的目的是提供一种热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，使其生产出的钻头钻进效率高，使用寿命长，对不同岩石的适应性好，从而满足地质工程学科领域的更高需求。
本发明的目的由以下技术方案来实现：
一种热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其主要工艺步骤为：
(1)所选用原料为真空钎焊法聚合的粗粒金刚石，按照设计与要求在钢质模具上钻出有规律排布的小孔，将聚合粗粒金刚石填入钢质模具的小孔中，再覆盖上含有胶黏剂的胎体金属材料粉末，在冷压机上进行压制，其冷压压力为180～220MPa，保压时间为5～8s，即可预制出不同规格的钻头扇形切削单元薄层，其每层厚为1.6～2.5mm；
(2)将聚合粗粒金刚石扇形切削单元薄层，按外径从大至小逐层叠加装入石墨模具内，组成多个钻头扇形切削工作块，每个扇形切削工作块由规格不同的5～8层聚合粗粒金刚石切削单元薄层沿钻头径向竖直排列组合而成；全部扇形切削工作块组装完后，装入焊接层金属粉料，压上钻头钢基体，送入中频电炉中热压烧结，其热压温度为960～970℃，热压压力为18～20MPa，保温时间为5～6min，出炉后置于保温条件下缓冷至室温，即完成该钻头的制造。
所述步骤(1)中含有胶黏剂的胎体金属材料粉末，其组分重量百分比为：Ni占12％～16％，Fe占28％～32％，Cu-Re合金占32％～36％，YG8占12％～18％，Mn占2％～4％。
所述步骤(1)中的胎体金属材料粉末的硬度为HRC30～HRC35，耐磨性为(0.36～0.42)×10-5ML。
所述步骤(1)中的冷压压力为200MPa，保压时间为5s。
所述步骤(2)中的热压温度为960℃，热压压力为18MPa，保温时间为5min。
所述步骤(2)中的热压保温后的出炉温度为820℃。
所述步骤(1)中所选用的真空钎焊法聚合的粗粒金刚石，其粒径为1.2～2.0mm。
本发明的有益效果：
本发明工艺较简单，操作较容易，其产品钻进性能好，使用寿命长。该产品的结构最能体现钻头回转钻进破碎岩石的基本原理，最能充分发挥岩石破碎穴效应，因而破碎岩石效率高，故该结构钻头有利于提高钻头的钻进效率和提高钻头对岩层的适应性能。钻进试验表明所获得的钻进时效比普通金刚石钻头要高22％～27％，钻头的使用寿命要高18～20％，这是其它普通金刚石钻头所不具有的特点和优势。该金刚石钻头可用于地质勘探、石油钻井、科学钻探和工程勘察，同时还可用于地质灾害的治理。
附图说明
图1为本发明中冷压成型聚合粗粒金刚石切削单元薄层与工作块的结构示意图；其中：(A)为聚合粗粒金刚石切削单元薄层；(B)为由多层不同规格的聚合粗粒金刚石切削单元薄层组合成的扇形切削工作块。
图2为热压聚合粗粒金刚石钻头底唇面结构示意图；
图3为图2的I-I剖视结构示意图。
以上附图中，各标号与零部件的对应关系为：
1-钎焊聚合粗粒金刚石；2-包镶聚合粗粒金刚石的胎体金属材料粉末；3-聚合粗粒金刚石切削单元薄层；4-由不同规格、多层聚合粗粒金刚石切削单元薄层组合成的钻头扇形切削工作块；5-热压聚合粗粒金刚石钻头水口；6-热压聚合粗粒金刚石钻头钢基体；7-热压聚合粗粒金刚石钻头焊接层金属粉料；8-由各切削工作块4构成的切削工作体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
参阅图2，本发明以制造φ77/47mm规格钻头为例，其钻头水口为8个，即钻头有8个聚合粗粒金刚石扇形切削工作块4，每个扇形切削工作块由6层切削单元薄层3组合而成。而每层切削单元薄层厚1.6mm，采用的聚合粗粒金刚石的粒径为1.2mm。其内外径弧度规格尺寸依据钻头的类型、规格而各异，通过计算得出。
热压聚合粗粒金刚石钻头制造工艺：
将钎焊法聚合的粗粒金刚石1按照设计好的规格排列分布在模板的孔内，然后用胶粘纸移入冷压钢质模中，把一定量的含有胶黏剂的胎体材料粉末2均匀布撒在聚合粗粒金刚石1的上面，通过冷压机的压制而成型，即成为钻头切削单元薄层3，此时，聚合粗粒金刚石1就有规律地均匀分布在这个扇形切削单元薄层3内。
切削单元薄层3中包镶金刚石的胎体粉料2及配比为：镍占14％，铁占32％，铜合金占36％，YG8占15％，锰占3％。冷压压力为200MPa，保压5s。
将规格不同的、一层一层扇形切削单元薄层3叠加后竖直装入石墨模具内，构成钻头的一个扇形切削工作块4。一个钻头(以φ77/47mm规格钻头为例)有8个扇形切削工作块。待整个钻头组装完后，加上焊接层金属粉料7，压上钻头钢基体6，送入中频电炉中热压成型，热压工艺参数为：温度960℃，压力18MPa，保温时间5min；820℃出炉。出炉后的钻头置于保温条件下缓冷至室温，本钻头即制造完成。
上述工艺中，由于钻头钢基体6为钢质材料，而切削工作块4为含金刚石的合金材料，这两种材料不易牢固连接；加焊接层金属粉料7的目的是把整个切削工作体8与钻头钢基体6能够高强度焊接为一个整体；同时，焊接层能有效提高钻头的保径效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明的基本构思或等同技术的范围，则本发明也应该包含这些改动和变型在内。
本说明书中若有未作详细描述的内容，则属于本领域专业技术人员公知的技术，此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：主要工艺步骤为：
(1)所选用原料为真空钎焊法聚合的粗粒金刚石，按照设计与要求在钢质模具上钻出有规律排布的小孔，将聚合粗粒金刚石填入钢质模具的小孔中，再覆盖上含有胶黏剂的胎体金属材料粉末，在冷压机上进行压制，其冷压压力为180～220MPa，保压时间为5～8s，即可预制出不同规格的聚合粗粒金刚石扇形切削单元薄层；
(2)将聚合粗粒金刚石扇形切削单元薄层，按外径从大至小逐层叠加装入石墨模具内，组成钻头扇形切削工作块，每个扇形切削工作块由规格不同的5～8层聚合粗粒金刚石扇形切削单元薄层沿钻头径向竖直排列组合而成；全部扇形切削工作块组装完后，装入焊接层金属粉料，压上钻头钢基体，送入中频电炉中热压烧结，其热压温度为960～970℃，热压压力为18～20MPa，保温时间为5～6min；出炉后置于保温条件下缓冷至室温，即完成钻头的制造。
2.根据权利要求1所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中含有胶黏剂的胎体金属材料粉末，其组分重量百分比为：Ni占12％～16％，Fe占28％～32％，Cu-Re合金占32％～36％，YG8占12％～18％，Mn占2％～4％。
3.根据权利要求1或2所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中的胎体金属材料粉末的硬度为HRC30～HRC35，耐磨性为(0.36～0.42)×10-5ML。
4.根据权利要求1所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中的冷压压力为200MPa，保压时间为5s。
5.根据权利要求1所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中的热压温度为960℃，热压压力为18MPa，保温时间为5min。
6.根据权利要求1所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中的热压保温后的出炉温度为820℃。
7.根据权利要求1所述的热压聚合粗粒金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中所选用的真空钎焊法聚合的粗粒金刚石，其粒径为1.2～2.0mm。
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