CN108612483A - 有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头及其制作工艺 - Google Patents
有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头及其制作工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，由钻齿和钢体组成，钻齿由厚度均为0.2～1.5mm的工作层薄片和中隔层薄片复合而成；工作层薄片采用金属粉末、碳化钨粉末和金刚石为原料，中隔层薄片采用石墨粉、陶瓷粉和铜锡合金粉为原料；分别加入有机溶剂配成浆状料并浇模成型，经真空烘烤和低温烧结后制成薄片毛坯；弱化胎体颗粒按照设计浓度有序定位排列，埋植在工作层薄片毛坯预定位置；工作层薄片和中隔层薄片交替间隔装入石墨模具组成钻齿，再安装好钢体后热压烧结制成钻头。本发明金刚石钻头钻进过程中工作唇面出现凹坑，同时中隔层超前磨损出现沟槽，钻头工作面形成锯齿状形貌，钻进出刃快、效率高、能耗低。
Description
技术领域
本发明主要属于粉末冶金和钻探工程领域，利用热压烧结技术，按有序定位分布结构植入弱化胎体颗粒，借助薄片交叉组装方式，利用机械加工手段，尤其涉及多组锯齿状金刚石钻头及其制作工艺。
背景技术
随着钻探设备的优化、钻进技术的进步，诸多复杂情况地层钻进问题均已很好解决。然而，作为直接破碎岩石的钻头，面对普通岩层其寿命和效率仍需提高，而对极端岩层，如坚硬致密弱研磨性地层时常出现不进尺问题，一直未能找到理想有效的解决方法。改变钻头的碎岩机理，加快金刚石颗粒出刃速度，减少工作唇面与岩石的接触面积，弱化胎体耐磨性能，是解决上述难题的有效途径。有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头正是基于钻进过工程中提高钻头效率、阻止钻头不进尺方面的发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头及制作工艺。
本发明钻头由钻齿和钢体组成，钻齿由工作层薄片和中隔层薄片交替间隔复合而成，按照工作层薄片-中隔层薄片-……-工作层薄片交替间隔组装而成，工作层薄片厚度和中隔层薄片厚度均为0.2～1.5mm；工作层薄片分布有有序定位排列的弱化胎体颗粒；弱化胎体颗粒在工作中脱落，工作层出现凹坑，同时中隔层超前磨损出现沟槽，金刚石工作面自动形成多组锯齿状结构，钻齿和钢体通过加热融合为整体。
所述的有序定位排列是呈等距状、放射状或螺旋状。
所述的弱化胎体颗粒是空心玻璃珠、浑圆化石墨颗粒或浑圆化碳化硅颗粒。
所述的弱化胎体颗粒体积浓度为2％～50％，粒径为0.2～1.5mm。
本发明有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头的制作工艺包括以下步骤：
第一步，石墨模具、合金钢模具与压头和钢体准备；第二步，工作层浆状料配置；第三步，中隔层浆状料配置；第四步，浆状料浇模成型；第五步，真空烘烤；第六步，低温低压烧结；第七步，弱化胎体颗粒有序定位敷布；第八步，薄片毛坯组装与钢体安放及热压烧结；第九步，冷却脱模机械加工。
具体过程为：将金属粉末、碳化钨粉末和金刚石加入有机溶剂混合成流动性适度的工作层浆状料，浇模成型并置于真空烘箱中，在温度50～100℃下烘烤10～60min；待浆状料固结后，在1～10MPa压力和350～650℃温度下热压烧结，制成表面预设有序定位分布凹坑结构的工作层薄片毛坯；将石墨粉、陶瓷粉和铜锡合金粉加入有机溶剂混合成流动性适度的中隔层浆状料，浇模成型并置于真空烘箱中，在温度50～100℃下烘烤10～60min；待浆状料固结后，在1～10MPa压力和350～650℃温度下热压烧结，制成中隔层薄片毛坯；将工作层薄片毛坯和中隔层薄片毛坯从钢模取出，敷布弱化胎体颗粒在工作层薄片毛坯上，保证其每个凹坑内有一颗弱化胎体颗粒；将含弱化胎体颗粒的工作层薄片毛坯和中隔层薄片毛坯，按照工作层薄片-中隔层薄片-……-工作层薄片的交替间隔顺序和规定数量组装成钻齿，将组装好钻齿的石墨模具安装好钢体置于中频炉中热压烧结，温度为900～1000℃，压力为10～30MPa，冷却脱模经机械加工，得到有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头。
所述的中石墨模具、合金钢模具与压头和钢体准备，低温低压烧结选用的模具压头，按照设计要求保证弱化胎体颗粒呈等距状、放射状、螺旋状等有序定位排列方式，压头材料选用不锈钢或其它合金钢，利用激光雕刻法或其它法加工；压头凸齿位置对应呈等距状、放射状、螺旋状等有序排列方式，凸齿大小与选用的弱化胎体颗粒大小相当，保证压出的每个凹坑内能容纳一颗弱化胎体颗粒。
所述的工作层配方含钴、镍、铬、锰、铜、锡、碳化钨等粉末和金刚石有机溶剂等原料；其中钴粉、镍粉、铬粉、锰粉各占总质量的2％～60％；铜粉和锡粉各占总质量的5％～70％；碳化钨粉占总质量的0％～60％；所用金刚石浓度为8％～60％，粒径为0.05～1.0mm；使用含有甘油、石蜡、乙醇、乙二醇等的有机溶剂配成浆状料。
所述的中隔层配方中含石墨粉、陶瓷粉、铜锡合金粉等；其中石墨粉、陶瓷粉各占总质量的5％～70％，铜锡合金粉占总质量的20％～80％；使用含有甘油、石蜡、乙醇、乙二醇等的有机溶剂配成浆状料。
所述的薄片毛坯组装与钢体安放及热压烧结，将敷布有序定位分布弱化胎体颗粒的工作层薄片毛坯和中隔层薄片按照交替间隔顺序和规定数量组装成钻齿，将组装好钻齿的石墨模具安装好钢体置于中频炉中热压烧结，冷却脱模经机械加工得到成品钻头。
本发明涉及的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，胎体工作层与中隔层组成复合结构，钻进过程中有序定位排布的弱化胎体颗粒自动脱落，锯齿唇面出现凹坑，同时中隔层超前磨损使锯齿工作面形成沟槽，导致钻头工作面自动形成多组锯齿状形貌，金刚石颗粒出刃更好，提高了碎岩效率，降低了能耗。
附图说明
图1为本发明有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头结构图；
图2为本发明钻头钻齿及剖面示意图。
具体实施方式
实施例1
参照图1和图2，有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头由钻齿和钢体8等组成。钻齿由工作层薄片1和中隔层薄片2间隔组装烧结而成，工作层薄片1都分布着金刚石颗粒4和有序定位排布的弱化胎体颗粒3；钻头工作时弱化胎体颗粒脱落形成凹坑5，金刚石颗粒凸起，中隔层超前磨损形成沟槽6，自动形成多组锯齿状工作唇面7。钻齿和钢体8通过加热融合为整体。
钻头外径/内径为Φ76/49mm，钻头胎体工作层薄片尺寸：长×高×厚＝(22～12)mm×12mm×0.3mm；中隔离层薄片尺寸：长×高×厚＝(22～12)mm×12mm×0.2mm，单只钻齿含27层工作层薄片和26层隔离层薄片，尺寸为长×高×厚＝22/12mm×12mm×13.5mm。
工作层胎体配方(质量比)：钴粉40％、镍粉10％、锰粉5％、铬粉5％、铜粉25％、锡粉5％，碳化钨粉10％，粉末粒度均为325目(45微米)以细；金刚石体积浓度为20％，粒度为35/50目(270-425微米)；弱化胎体颗粒选用空心玻璃珠，浓度为8％，粒径为0.3mm，按等距状有序定位排列。
中隔层配方(质量比)：石墨粉20％、陶瓷粉10％，铜锡合金粉70％，粉末粒度均为325目(45微米)以细。
其制作工艺流程为：
①合金钢模具、合金钢压头、石墨模具、钻头钢体加工。
②工作层胎体粉末、金刚石和有机溶剂混料；中隔层粉末和有机溶剂混料；空心玻璃珠准备。
③混合好的浆状料浇模成型，置于真空烤箱中，在55℃温度下烘烤30min。
④烘烤后的合金钢模具移至烧结炉中，在500℃温度3.0MPa压力下进行低温低压烧结，得到表面带有等距状分布凹坑的工作层薄片毛坯。
⑤取出冷却后毛坯，在工作层薄片毛坯敷布空心玻璃珠，使其置于相应呈等距状结构的凹坑内，然后将27片敷布空心玻璃珠的工作层薄片毛坯和26片中隔层薄片毛坯间隔组装入石墨模具中。在组装好的石墨模具安放好钢体放入中频炉中进行热压烧结，温度为960℃，压力15MPa达到保温保压时间并随炉冷去后取出脱模。
⑥将烧结完成的钻头毛坯，进行机械加工，加工好丝扣、水口、水槽等后，清洁包装处理后待用。
实施例2
参照图1和图2，有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头由钻齿和钢体8等组成。钻齿由工作层薄片1和中隔层薄片2间隔组装烧结而成，工作层薄片1都分布着金刚石颗粒4和有序定位排布的弱化胎体颗粒3；钻头工作时弱化胎体颗粒脱落形成凹坑5，金刚石颗粒凸起，中隔层超前磨损形成沟槽6，自动形成多组锯齿状工作唇面7。钻齿和钢体8通过加热融合为整体。
钻头外径/内径为Φ101.6/84mm，钻头胎体工作层薄片尺寸：长×高×厚＝(25～19.5)mm×14mm×0.4mm；中隔层薄片尺寸：长×高×厚＝(25～19.5)mm×14mm×0.3mm，单只钻齿节块含13层工作层薄片和12层中隔层薄片，钻齿节块尺寸为长×高×厚＝25/19.5mm×14mm×8.5mm。
工作层胎体配方(质量比)：钴粉40％、镍粉10％、锰粉3％、铬粉2％、铜粉25％、锡粉5％，碳化钨粉15％，粉末粒度均为325目(45微米)以细；金刚石体积浓度为22％，粒度为40/60目(250-380微米)；弱化胎体颗粒选用浑圆化石墨颗粒，浓度为10％，粒径为0.4mm，按螺旋状有序定位排列。
中隔层配方(质量比)：石墨粉20％、陶瓷粉20％，铜锡合金粉60％，粉末颗粒直径均为325目(45微米)以细。
其制作工艺流程为：
①合金钢模具、合金钢压头、石墨模具、钻头钢体加工。
②工作层胎体粉末、金刚石和有机溶剂混料；中隔层粉末和有机溶剂混料；空心玻璃珠准备。
③混合好的浆状料浇模成型，置于真空烤箱中，在60℃温度下烘烤35min。
④烘烤后的合金钢模具移至烧结炉中，在550℃温度3.5MPa压力下进行低温低压烧结，得到表面带有螺旋状分布凹坑的工作层薄片毛坯。
⑤取出冷却后毛坯，在工作层薄片毛坯敷布浑圆化石墨颗粒，使其置于相应呈螺旋状结构的凹坑内，然后将13片敷布空心玻璃珠的工作层薄片毛坯和12片中隔层薄片毛坯间隔组装入石墨模具中。在组装好的石墨模具安放好钢体放入中频炉中进行热压烧结，温度为970℃，压力18MPa达到保温保压时间并随炉冷去后取出脱模。
⑥将烧结完成的钻头毛坯，进行机械加工，加工好丝扣、水口、水槽等后，清洁包装处理后待用。
Claims (8)
1.有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，其特征在于：钻头由钻齿和钢体组成，钻齿由工作层薄片和中隔层薄片复合而成，按照工作层薄片-中隔层薄片-……-工作层薄片交替间隔组装而成，工作层薄片厚度和中隔层薄片厚度均为0.2～1.5mm；工作层薄片分布有有序定位排列的弱化胎体颗粒；弱化胎体颗粒在工作中脱落，工作层出现凹坑，同时中隔层超前磨损出现沟槽，金刚石工作面自动形成多组锯齿状结构，钻齿和钢体通过加热融合为整体。
2.如权利要求1所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，其特征在于：所述的有序定位排列是呈等距状、放射状或螺旋状。
3.如权利要求1所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，其特征在于：所述的弱化胎体颗粒是空心玻璃珠、浑圆化石墨颗粒或浑圆化碳化硅颗粒。
4.如权利要求3所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头，其特征在于：所述的弱化胎体颗粒体积浓度为2％～50％，粒径为0.2～1.5mm。
5.如权利要求1～4任意一项所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头的制作工艺，其特征在于：
第一步，石墨模具、合金钢模具与压头和钢体准备；第二步，工作层浆状料配置；第三步，中隔层浆状料配置；第四步，浆状料浇模成型；第五步，真空烘烤；第六步，低温低压烧结；第七步，弱化胎体颗粒有序定位敷布；第八步，薄片毛坯组装与钢体安放及热压烧结；第九步，冷却脱模机械加工；具体过程为：
将金属粉末、碳化钨粉末和金刚石加入有机溶剂混合成流动性适度的工作层浆状料，浇模成型并置于真空烘箱中，在温度50～100℃下烘烤10～60min；待浆状料固结后，在1～10MPa压力和350～650℃温度下热压烧结，制成表面预设有序定位分布凹坑结构的工作层薄片毛坯；将石墨粉、陶瓷粉和铜锡合金粉加入有机溶剂混合成有流动性的中隔层浆状料，浇模成型并置于真空烘箱中，在温度50～100℃下烘烤10～60min；待浆状料固结后，在1～10MPa压力和350～650℃温度下热压烧结，制成中隔层薄片毛坯；将工作层薄片毛坯和中隔层薄片毛坯从钢模取出，敷布弱化胎体颗粒在工作层薄片毛坯上，保证其每个凹坑内有一颗弱化胎体颗粒；将含弱化胎体颗粒的工作层薄片毛坯和中隔层薄片毛坯，按照工作层薄片-中隔层薄片-工作层薄片……的交替间隔顺序和规定数量组装成钻齿，将组装好钻齿的石墨模具安装好钢体置于中频炉中热压烧结，烧结温度为900～1000℃，压力为10～30MPa；冷却脱模后经机械加工，得到有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头。
6.根据权利要求5所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头的制作工艺，其特征在于：
所述的石墨模具、合金钢模具与压头和钢体准备，低温低压烧结选用的模具压头，按照设计要求保证弱化胎体颗粒呈等距状、放射状或螺旋状有序定位排列方式，压头材料选用不锈钢或其它合金钢，利用激光雕刻法或其它法加工；压头凸齿位置对应呈等距状、放射状或螺旋状有序排列方式，保证压出的每个凹坑内能容纳一颗弱化胎体颗粒。
7.根据权利要求5所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头的制作工艺，其特征在于：
所述工作层含钴、镍、铬、锰、铜、锡金属粉末、碳化钨粉末和金刚石；其中钴粉、镍粉、铬粉、锰粉各占总质量的2％～60％；铜粉和锡粉各占总质量的5％～70％；碳化钨粉占总质量的0％～60％；所用金刚石体积浓度为8％～60％，粒径为0.05～1.0mm；使用含有甘油、石蜡、乙醇或乙二醇的有机溶剂配成浆状料。
8.根据权利要求5所述的有序定位弱化胎体自形成多组锯齿状金刚石钻头的制作工艺，其特征在于：
所述中隔层配方中含石墨粉、陶瓷粉和铜锡合金粉；其中石墨粉、陶瓷粉各占总质量的5％～70％，铜锡合金粉占总质量的20％～80％；使用含有甘油、石蜡、乙醇或乙二醇的有机溶剂配成浆状料。
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