CN104498798A - 滚压破岩钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开滚压破岩钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35-50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22-25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10～15重量份、Mn粉为7～10重量份、Ni粉为7～10重量份、CuSn10粉为20～25重量份、P粉为2～4重量份和WC粉为42～47重量份。金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：(a)准备材料；(b)金刚石真空蒸镀钛；(c)混合粉制备，干燥及掺胶；(d)复合钻齿压制，干燥；(e)真空热压烧结。

Description

滚压破岩钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺

技术领域

本发明属于矿山机械设备领域，涉及滚压破岩钻齿，主要是滚刀、牙轮等滚压破岩钻头所镶钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺。

背景技术

滚压机械破岩广泛的应用于煤矿、水电、冶金等领域的竖井钻机、竖井掘进机、反井钻机等设备。中硬岩的滚压破岩刀具为镶齿滚刀，滚刀刀壳外圈所镶的钻齿是破岩的直接作用点，其使用寿命对整个破岩效率影响巨大。目前国内主要的镶齿为硬质合金钻齿。在钻进过程中如果因为钻齿磨损失效，更换刀具费时费力，尤其在竖井掘进机，反井钻机，在井下更换刀具存在巨大的安全隐患。在水电和金属矿的围岩常为花岗岩、玄武岩等岩浆岩，许多岩石石英含量超过50％。岩石硬度大部分超过200MPa。溪洛渡水电站地下厂区通排风***围岩主要由P2β5-P2β12层玄武岩及各层上部的角砾集块熔岩组成，其岩石硬度单轴抗压强度达到200Mpa，单盘滚刀约钻进150m。在泰安抽水蓄能电站，其岩石硬度单轴抗压强度达到300Mpa，单盘滚刀约钻进70～80m。当钻进含石英80％以上的花岗岩时，其抗压强度更大，单盘滚刀只能钻进50～60m。随着钻井深度不断增加，以及在水电、金属矿山等行业火成岩的硬度比较大，石英含量比较高，硬质合金钻齿很难满足钻进过程中一次钻透，中间还需要更换一次滚刀，甚至多次。

金刚石亦被称为钻石，是自然界最坚硬无比的物质，显微硬度是硬质合金的5.5倍，比石英高1000倍，它具有硬度高，耐磨性、耐腐蚀性好，摩擦系数小等优点，采用金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿的使用寿命比传统的硬质合金钻齿寿命要长50％以上。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提高钻齿在硬岩和极硬岩地层滚压破岩的使用寿命，减少破岩刀具的使用量，以及因钻齿磨损失效造成的提钻，提高钻进效率，降低钻进成本及安全风险。

本发明的技术方案是这样实现的：滚压破岩钻齿涂层材料，由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35-50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22-25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10～15重量份、Mn粉为7～10重量份、Ni粉为7～10重量份、CuSn10粉为20～25重量份、P粉为2～4重量份和WC粉为42～47重量份。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为230～325目。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，WC粉的粒度为325～460目。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，所述金刚石的粒度为40目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为12重量份、Mn粉为8重量份、Ni粉为8重量份、CuSn10粉为25重量份、P粉为2重量份和WC粉为45重量份；Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为300目，WC粉的粒度为400目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和上述滚压破岩钻齿涂层材料；

(b)金刚石真空蒸镀钛；

(c)混合粉制备，干燥及掺胶；

(d)复合钻齿压制，干燥；

(e)真空热压烧结。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(a)中：将球形钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。将钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光，以使球齿与模具紧密结合。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(b)中：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在700～750℃进行蒸镀1-2h，得到镀钛金刚石颗粒。由于国产烧结炉的真空度及其他粘结剂表面附氧分子，直接烧结容易使金刚石碳化，因此在金刚石真空镀膜后再进行烧结可以保证金刚石烧结后的强度降低不超过10％。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(c)中：将权利要求1-4任一所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨时间大于或等于20小时，然后将混合粉和镀钛金刚石颗粒放入干燥器中烘干；烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液，然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(d)中：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥，干燥温度为350～400℃。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，步骤(e)中真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段；在低温烧结阶段：在3-4分钟内，温度匀速上升到610～640℃，压头上压力匀速上升到5～7kN，保温保压3-5分钟，此阶段主要固相烧结阶段；在高温烧结阶段：在2-4分钟内，温度匀速上升到1120～1150℃，压头上压力匀速上升到11～13kN，保温保压3-5分钟，此阶段为液相烧结阶段，在P、Ni的活化作用下，钴粉等粘结剂均呈熔化状态，填充金刚石颗粒和骨架WC颗粒之间的孔隙，在最大压力13kN作用，使烧结体收缩致密合金化，其中液相温度比正常活化烧结温度高，可以增强粘结剂的流动性和润湿性，减小了烧结孔隙，形成致密的合金体；在冷却阶段：在2-4分钟内，压头上压力匀速下降到4～6kN，温度匀速降到600-620℃,然后在空气中自然冷却，最后退模。本发明中比正常热压烧结多了低温烧结阶段，但在高温烧结阶段时间减少，这样可以减小金刚石硬度的降低。

本发明的有益效果是：本发明滚压破岩用金刚石-碳化钨硬质合金钻齿烧结复合时需要严格控制金刚石的粒度、黏结剂成分及烧结温度。粒度大小、黏结剂成分不仅影响复合钻齿的耐磨强度，对成本的影响也比较大。硬质相的粒度越大在滚压冲击时硬质相容易产生微裂纹，且大颗粒硬质相容易从粘结胎体中脱落，粒度小虽然增加了胎体强度，但在粘结剂与石英等颗粒冲击易造成粘结剂脱落，进而造成硬质相颗粒脱落；如果烧结温度太低，不能使复合层和钻齿母体融合，降低复合强度；如果烧结温度太高，金刚石会产生碳化。本发明采用大颗粒的金刚石(比一般硬质合金及切削破岩复合钻齿的颗粒大)，其硬度远大于WC和石英颗粒硬度，在破碎冲击时不会产生微裂纹，同时在粘结胎体中采用WC做骨架，Co等其他粘结剂将骨架材料和金刚石颗粒牢牢包镶在合金体中，增加了钻齿的耐磨性。同时为了降低金刚石的碳化，采用金刚石颗粒真空蒸镀钛，隔绝金刚石与氧成分的接触，同时又增加了金刚石与粘结金属的亲和性。在烧结过程中胎体材料成为液相，在胎体中扩散，和金刚石、胎体骨架WC粉形成合金化固溶体，对金刚石晶粒进行有效包镶，使包镶状态单晶金刚石的冲击力和破碎能比自由状态下大幅提高。

本发明专利的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿在普通的碳化钨硬质合金钻齿的表面烧结一层金刚石，增强了滚压钻齿的耐磨性，尤其在硬岩和极硬岩地层，延长了钻齿的使用寿命，解决滚刀钻齿磨损失效引起的提钻，降低了反井钻机、竖井掘进机等钻进时施工成本，更回避了因更换滚刀引起的风险。

锡青铜CuSn10具有强度高、铸造性好、耐磨且化学性质稳定；添加锡青铜CuSn10之后，烧结时流动性和湿润性都比较好，烧结后的强度和韧性要比不添加锡青铜CuSn10时高，使用寿命可以提高10％以上。

附图说明

图1为本发明金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿在普通的碳化钨硬质合金钻齿剖视示意图。

图1中：1-金刚石涂层；2-烧结过渡层；3-普通球形钻齿。

图2为金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿压制示意图。

图2中：1-模具上压头；2-模具模芯；3-球形钻齿；4-金刚石混合粉；5-下压头。

图3为实施例1中的复合钻齿烧结曲线。

具体实施方式

本发明专利的实施需要以下设备：真空蒸发镀膜机1台、球磨机1台和真空热压烧结炉1台。其原理是利用真空微蒸发镀膜机对金刚石进行镀钛，然后在真空热压烧结炉中将镀钛金刚石颗粒、胎体材料和基体球形钻齿中压烧结。

实施例1

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为40目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为12千克、Mn粉为8千克、Ni粉为8千克、CuSn10粉为25千克、P粉为2千克和WC粉为45千克；Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为300目，WC粉的粒度为400目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在720℃进行蒸镀1.5h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨时间为25小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛后的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥，干燥温度为350℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段(烧结曲线见图3)；在低温烧结阶段：在4分钟内，温度匀速上升到620℃，压头上压力匀速上升到6kN，保温保压4分钟；在高温烧结阶段：在3分钟内，温度匀速上升到1150℃，压头上压力匀速上升到13kN，保温保压3分钟；在冷却阶段：在2.5分钟内，压头上压力匀速下降到6kN，降温至620℃,然后在空气中自然冷却，最后退模。

实施例2

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10千克、Mn粉为7千克、Ni粉为10千克、CuSn10粉为25千克、P粉为2千克和WC粉为42千克。Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为230目，WC粉的粒度为460目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述的滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在700℃进行蒸镀1h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨时间为20小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛后的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥，干燥温度为400℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段；在低温烧结阶段：在3分钟内，温度匀速上升到610℃，压头上压力匀速上升到5kN，保温保压3分钟；在高温烧结阶段：在2分钟内，温度匀速上升到1120℃，压头上压力匀速上升到11kN，保温保压3分钟；在冷却阶段：在2分钟内，压头上压力匀速下降到4kN，温度匀速降到600℃,然后在空气中自然冷却，最后退模。

实施例3

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的23％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为15重量份、Mn粉为10重量份、Ni粉为7重量份、CuSn10粉为20重量份、P粉为4重量份和WC粉为42重量份。Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为325目，WC粉的粒度为325目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述的滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在750℃进行蒸镀2h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨时间为30小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛后的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥干燥温度为370℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段；在低温烧结阶段：在4分钟内，温度匀速上升到640℃，压头上压力匀速上升到7kN，保温保压5分钟；在高温烧结阶段：在4分钟内，温度匀速上升到1150℃，压头上压力匀速上升到13kN，保温保压5分钟；在冷却阶段：在4分钟内，压头上压力匀速下降到6kN，温度匀速降到620℃,然后在空气中自然冷却，最后退模。

实施例1-3的滚压破岩性能试验

在直线滚刀破岩模拟试验台上针对实施例1制得的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿进行性能测试，并用于反井工地试验。

在东北某供水工程的通风竖井直径2.0m，深度222.7m，岩石超火山岩为主，岩石抗压强度大部分超过200MPa，采用镶普通硬质合金钻齿的滚刀和镶有金刚石涂层钻齿的配对使用，普通钻齿在160m位置时钻齿磨损进行了滚刀更换，而金刚石涂层钻齿在整个钻进过程中没有更换；以单井钻进为例：其使用寿命比普通钻齿至少提高了62.7m，即其使用寿命要比普通硬质合金钻齿寿命提高了39％。八排齿的滚刀需要205个φ16mm和31个φ18mm锥齿，总重约为15.5kg，其费用需要400×15.5＝6200元，镶齿滚刀每把成本约22000元，而金刚石涂层钻齿其成本比普通钻齿成本约高50％，镶金刚石涂层钻齿的滚刀成本约为25000元，因此钻齿寿命提高可以将滚刀的寿命成本比值提高22％。另外，破岩效率的提高及减少更换滚刀次数，提高钻井效率，降低更换滚刀对施工人员的风险，其经济和社会效果更加明显。

另外，为了衡量实施例1-3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿相互之间的性能优劣，进行了如下对比试验：

在岩石硬度单轴抗压强度为200Mpa，实施例1中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进274m，实施例2中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进248m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进260m。

在岩石硬度单轴抗压强度为300Mpa，实施例1中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进139m，实施例2中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进120m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进129m。

在石英质量分数为80％以上的花岗岩时，其抗压强度更大，实施例1中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进113m，实施例2中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进101m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进105m。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.滚压破岩钻齿涂层材料，其特征在于，由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35-50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22-25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10～15重量份、Mn粉为7～10重量份、Ni粉为7～10重量份、CuSn10粉为20～25重量份、P粉为2～4重量份和WC粉为42～47重量份。

2.根据权利要求1所述的滚压破岩钻齿涂层材料，其特征在于，Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为230～325目。

3.根据权利要求1所述的滚压破岩钻齿涂层材料，其特征在于，WC粉的粒度为325～460目。

4.根据权利要求1-4任一所述的滚压破岩钻齿涂层材料，其特征在于，所述金刚石的粒度为40目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为12重量份、Mn粉为8重量份、Ni粉为8重量份、CuSn10粉为25重量份、P粉为2重量份和WC粉为45重量份；Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为300目，WC粉的粒度为400目。

5.金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和权利要求1-4任一所述的滚压破岩钻齿涂层材料；

(b)金刚石真空蒸镀钛；

(c)混合粉制备，干燥及掺胶；

(d)复合钻齿压制，干燥；

(e)真空热压烧结。

6.根据权利要求5所述的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，在步骤(a)中：将球形钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。

7.根据权利要求5所述的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，在步骤(b)中：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在700～750℃进行蒸镀1-2h，得到镀钛金刚石颗粒。

8.根据权利要求7所述的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，在步骤(c)中：将权利要求1-4任一所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨时间大于或等于20小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

9.根据权利要求8所述的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，在步骤(d)中：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥，干燥温度为350～400℃。

10.根据权利要求9所述的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，其特征在于，步骤(e)中真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段；在低温烧结阶段：在3-4分钟内，温度匀速上升到610～640℃，压头上压力匀速上升到5～7kN，保温保压3-5分钟；在高温烧结阶段：在2-4分钟内，温度匀速上升到1120～1150℃，压头上压力匀速上升到11～13kN，保温保压3-5分钟；在冷却阶段：在2-4分钟内，压头上压力匀速下降到4～6kN，温度匀速降到600-620℃,然后在空气中自然冷却，最后退模。