CN113250623B - 功能分区的孕镶齿及其制备方法和钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种按功能分区的孕镶齿，包括：一体成型的焊接区和工作区，所述焊接区焊接在钻头钢体上，所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N≥2个部分，N为整数，所述焊接区由金属粉末组成，所述工作区的每一部分由金属粉末、不同参数的金刚石和不同体积浓度的固体润滑剂组成，所述工作区第N部分的耐磨性弱于第N‑1部分；本发明还提供一种按功能分区的孕镶齿的制备方法。本发明将孕镶齿分成工作区和焊接区，其中只有工作区包含金刚石，从而可以相对降低钻头的生产成本；工作区的材料组成包含有固体润滑剂材料，在钻进过程中可在孕镶齿与钻进对象的摩擦磨损界面生成一层润滑膜，从而降低钻进产生的热量，有效保护钻头。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石钻头钻进技术领域。更具体地说，本发明涉及一种功能分区的孕镶齿及其制备方法和钻头。
背景技术
现有针对月球/太空钻探而设计的取心钻头都是以硬质合金齿或PDC齿作为主要切削单元，金刚石或CBN等耐磨材料只是作为一种提高钻头破岩能力的加强方式。研究与实践表明，通过结构优化设计并配合优选的钻进规程参数，硬质合金钻头和PDC钻头在地球环境下可以实现有限进尺的干钻岩石取心作业，并已在月球环境下完成月壤层的取心任务要求。然而，在月球钻探钻遇月岩时，产生的摩擦热会显著高于月壤层钻进，且一旦硬质合金齿或PDC齿钻遇月岩后发生刃口磨钝或切削齿崩刃/脆断的情况，上述切削齿的高出刃特性将使其难以实现自锐，不得不中断钻进过程。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种按功能分区的孕镶齿，将其分成工作区和焊接区，其中只有工作区包含金刚石，从而可以相对降低钻头的生产成本；工作区的材料组成包含有固体润滑剂材料，在钻进过程中可在孕镶齿与钻进对象的摩擦磨损界面生成一层润滑膜，从而降低钻进产生的热量，有效保护钻头。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种按功能分区的孕镶齿，包括：一体成型的焊接区和工作区，所述焊接区焊接在钻头钢体上，所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N＞2个部分，N为整数；
所述焊接区由金属粉末组成，所述工作区的每一部分由金属粉末、不同参数的金刚石和不同体积浓度的固体润滑剂组成；
所述工作区第N部分的耐磨性弱于第N-1部分，所述工作区的第1部分设置在孕镶齿的切削端；
所述焊接区的金属粉末中各物质的质量份数为FeCu30 80份、Fe 10份、Cu 10份；
所述工作区的金属粉末中各物质的质量份数为：WC 30份、FeCu30 60份、Co 10份；
所述工作区的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%；
所述工作区的不同参数的金刚石包括：第1种为40份50~60目、60份80~100目，第2种为40份40~45目、60份50~60目，第3种为20份50~60目、80份80~100目，其中，第1种、第2种采用的是表面金属化之后的高品级金刚石，第3种采用的非表面金属化的金刚石；
所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N=3个部分；其中，工作区的第一部分第1种金刚石的体积浓度为50%，工作区的第二部分第2种金刚石的体积浓度为25%，工作区第三部分第3种金刚石的体积浓度为5%，其余为所述工作区的金属粉末和所述工作区的固体润滑剂；
或者，所述焊接区的金属粉末为单一的FeCu30粉；
所述工作区的金属粉末为单一的FeCu30粉；
所述工作区的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%；
所述工作区的不同参数的金刚石包括：第1种为80~100目，第2种为40份30~40目、60份40~50目，第3种为40份40~50目、60份50~60目，第4种为40份60~80目、60份80~100目，第5种为80~100目，其中，第1种、第2种为高品级金刚石、第3种为中品级金刚石、第4种、第5种为低品级金刚石；
所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N=5个部分；其中，工作区的第一部分第1种金刚石的体积浓度为40~60%、第二部分第2种金刚石的体积浓度为25~35%、第三部分第3种金刚石的体积浓度为15~20%、第四部分第4种金刚石的体积浓度为5~10%、第五部分第5种金刚石的体积浓度为3~6%，各部分其余为所述工作区的金属粉末和所述工作区的固体润滑剂。
本发明还提供一种按功能分区的孕镶齿的制备方法，采用冷压成型和热压烧结的方式成形具有PDC外形和自润滑功能的孕镶金刚石钻头切削齿，再将其进行热等静压增强处理和几何尺寸修正，得功能分区的孕镶齿。
本发明还提供一种按功能分区的孕镶齿的制备方法，采用3D打印的方式成形具有PDC外形和自润滑功能的孕镶金刚石钻头切削齿，再将其进行热等静压增强处理和几何尺寸修正，得功能分区的孕镶齿。
本发明还提供一种自润滑孕镶金刚石钻头，包括按功能分区的孕镶齿。
本发明还提供一种自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，将所述的按功能分区的孕镶齿焊接到钻头钢体上。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明将孕镶齿设计为工作区和焊接区，其中只有工作区包含金刚石，从而可以相对降低钻头的生产成本；
孕镶齿工作区的材料组成包含有固体润滑剂材料，在钻进过程中可在孕镶齿与钻进对象的摩擦磨损界面生成一层润滑膜，从而降低钻进产生的热量，有效保护钻头；
本发明将孕镶齿加工成PDC的外形，并采用热等静压的方式对其整体强度进行加强处理，使其在钻进低强度材料时以剪切破坏的方式进行钻进，从而可以获得高的机械钻速；当钻遇坚硬对象时，孕镶齿工作区第1部分失效后，将由工作区第2部分以多而密的金刚石颗粒进行磨削钻进；
本发明采用冷压成型、高温烧结和热等静压增强的制造方法，实现孕镶齿工作区沿轴向方向上的宏观力学性能与摩擦磨损性能按要求变化，从而使孕镶齿在钻进过程中实现自我保形；
本发明采用3D打印的增材制造方法，实现孕镶齿工作区沿轴向方向上的宏观力学性能与摩擦磨损性能按要求变化，从而使孕镶齿在钻进过程中实现自我保形。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的孕镶齿的工作区和焊接区的结构示意图；
图2为本发明的孕镶齿的工作区和焊接区的截面图。
具体实施方式
本发明提供了一种按功能分区的孕镶齿，如图1和图2所示，包括：一体成型的焊接区和工作区，所述焊接区焊接在钻头钢体上，所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N≥2个部分，N为整数。
所述焊接区由金属粉末组成，所述工作区的每一部分由金属粉末、不同参数的金刚石和不同体积浓度的固体润滑剂组成。
所述工作区第N部分的耐磨性弱于第N-1部分。
需要说明的是，焊接区分成两个部分，焊接区呈L型结构，工作区的上部是焊接区，工作区的一侧也是焊接区。焊接区的结构可以按照水平面将焊接区分成两个不同长度的半圆柱形，也可以同时按水平和铅垂面，分成一个半圆柱形和一个圆柱形。
工作区可以有多种形状，工作区与焊接区的接触界面可以是平面、弧面、或者多段线。
还需要说明的是，所述金刚石可以为镀膜金刚石，所述固体润滑剂可以为镀膜润滑剂。
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
本实施例提供一种自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1）按照设计要求加工钻头钢体，预留出焊接PDC形孕镶齿（即孕镶金刚石钻头切削齿）的位置；
2）将孕镶齿按功能分为工作区和焊接区，且沿孕镶齿轴向将工作区分为3部分，并将焊接区分成焊接区1和焊接区2两部分；设工作区总长为L，其中，第1部分长度为1L/5，第2和第3部分各为2L/5；
3）将表面金属化之后的固体润滑剂与一定配方的金属粉进行机械混合形成工作区粉料1；将一定配方的金属粉进行机械混合后形成焊接区粉料2；其中，粉料1中的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%，粉料1中的金属粉中各物质的质量份数为：WC 30份、FeCu30 60份、Co 10份；粉料2中的金属粉中各物质的质量份数为FeCu30 80份、Fe 10份、Cu10份；
4）对应孕镶齿工作区的3部分，分别设计3种参数配比的金刚石。其中，第1种为40份50~60目、60份80~100目；第2种为40份40~45目、60份50~60目；第3种为20份50~60目、80份80~100目；其中，第1种金刚石、第2种金刚石采用的是表面金属化之后的高品级金刚石，第3种金刚石采用的非表面金属化的金刚石，且为低品级金刚石；
5）将步骤4）的3种金刚石与工作区粉料1分别进行混合，形成工作区粉料1-1、1-2和1-3，工作区粉料1-1中第1种金刚石的体积浓度为50%，工作区粉料1-2中第2种金刚石的体积浓度为25%，工作区粉料1-3中第3种金刚石的体积浓度为5%，并分别采用冷压机分别制成坯体1-1、1-2和1-3；
6）将焊接区粉料2按设计结构分成2-1和2-2，并采用冷压机分别制成坯体2-1和2-2；
7）在石墨模具中，将各坯体按照设计目标进行组装，并采用电阻炉进行热压烧结，形成具有PDC外形和自润滑功能的孕镶齿；
8）将冷压成型+热压烧结制成的孕镶齿在保护氛围环境下进行热等静压增强处理，使其整体力学强度和耐磨性进一步提高；
9）将热等静压处理后的孕镶齿进行尺寸修正；
10）将孕镶齿的焊接区与钻头钢体相接触，并通过焊接的方式将孕镶齿固定在钻头钢体上，从而得到具有自润滑功能和PDC外形的孕镶金刚石钻头。
实施例2
本实施例提供一种自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1）按照设计要求加工钻头钢体，预留出焊接PDC形孕镶齿（即孕镶金刚石钻头切削齿）的位置；
2）将孕镶齿按功能分为工作区和焊接区，且沿孕镶齿轴向将工作区等分为5部分，并将焊接区分为2个部分；
3）将表面金属化之后的固体润滑剂与一定配方的金属粉进行机械混合形成工作区粉料1，并将其等分为5份；将按一定配方的金属粉进行机械混合后形成焊接区粉料2，并将其按照焊接区的结构所占的体积分成2份；其中粉料1中的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%；粉料1和粉料2中的金属粉末均为单一的FeCu30粉；
4）对应孕镶齿工作区的5部分，分别设计5种参数配比的金刚石，并装在不同的料斗之中。其中，第1种为80~100目；第2种为40份30~40目、60份40~50目；第3种为40份40~50目、60份50~60目；第4种为40份60~80目、60份80~100目；第5种为80~100目；其中，上述第1种、第2种为高品级金刚石、第3种为中品级金刚石、第4种、第5种为低品级金刚石；
5）将工作区粉料1与步骤4）中的5种金刚石进行机械混合，然后通过冷压设备制成工作区坯体1-1、1-2、1-3、1-4和1-5，工作区粉料1-1中第1种金刚石的体积浓度为45%，工作区粉料1-2中第2种金刚石的体积浓度为30%，工作区粉料1-3中第3种金刚石的体积浓度为15%，工作区粉料1-4中第4种金刚石的体积浓度为10%，工作区粉料1-5中第5种金刚石的体积浓度为5%；将焊接区的粉料通过冷压设备按照焊接区的机构制成焊接区坯体2-1和2-2；
6）将工作区各坯体和焊接区各坯体按照设计要求组装到石墨模具中，并采用中频加热炉进行热压烧结，制得具有PDC外形和自润滑功能的孕镶齿；
7）将冷压成型和热压烧结后制得的孕镶齿在保护氛围环境下进行热等静压增强处理，使其整体力学强度和耐磨性进一步提高；
8）将热等静压处理后的切削齿进行尺寸修正；
9）将修正后的孕镶齿通过焊接的方式固定在钻头钢体上，从而得到具有自润滑功能和PDC外形的孕镶金刚石钻头。
实施例3
本实施例提供一种自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1）按照设计要求加工钻头钢体，预留出焊接PDC形孕镶齿（即孕镶金刚石钻头切削齿）的位置；
2）将孕镶齿按功能分为工作区和焊接区，且沿孕镶齿轴向将工作区分为3部分；设工作区总长为L，其中，第1部分长度为1L/5，第2和第3部分各为2L/5；
3）将表面金属化之后的固体润滑剂与一定配方的金属粉进行机械混合形成工作区粉料1；将按一定配方的金属粉进行机械混合后形成焊接区粉料2；其中粉料1中的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%；粉料1中的金属粉中各物质的质量份数为WC 30份、FeCu30 60份、Co 10份；粉料2中的金属粉中各物质的质量份数为FeCu30 80份、Fe 10份、Cu10份；
4）对应孕镶齿工作区的3部分，分别设计3种参数配比的金刚石。其中，第1种为40份50~60目、60份80~100目；第2种为40份40~45目、60份50~60目；第3种为20份50~60目、80份80~100目；其中，第1种、第2种金刚石采用的是表面金属化之后的高品级金刚石，第3种金刚石中采用的非表面金属化的金刚石，且为低品级金刚石；
5）将3种金刚石与相应体积的工作区粉料1分别进行混合，形成工作区粉料1-1、1-2和1-3，工作区粉料1-1中第1种金刚石的体积浓度为50%，工作区粉料1-2中第2种金刚石的体积浓度为25%，工作区粉料1-3中第3种金刚石的体积浓度为5%；
6）在3D打印设备中，按照孕镶齿设计几何参数，沿着孕镶齿轴向方向，逐层成形孕镶齿；
7）将3D打印成形的孕镶齿在保护氛围环境下进行热等静压增强处理，使其整体力学强度和耐磨性进一步提高；
8）将热等静压处理后的切削齿进行尺寸修正；
9）将孕镶齿的焊接区与钻头钢体相接触，并通过焊接的方式将孕镶齿固定在钻头钢体上，从而得到具有自润滑功能和PDC外形的孕镶金刚石钻头。
实施例4
本实施例提供一种自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1）按照设计要求加工钻头钢体，预留出焊接PDC形孕镶齿（即孕镶金刚石钻头切削齿）的位置；
2）将孕镶齿按功能分为工作区和焊接区，且沿孕镶齿轴向将工作区等分为5部分；
3）将表面金属化之后的固体润滑剂与一定配方的金属粉进行机械混合形成工作区粉料1；将按一定配方的金属粉进行机械混合后形成焊接区粉料2；其中粉料1中的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2~6%；粉料1和粉料2中的金属粉末均为单一的FeCu30粉；
4）对应孕镶齿工作区的5部分，分别设计5种参数配比的金刚石，并装在不同的料斗之中。其中，第1种为80~100目；第2种为40份30~40目、60份40~50目；第3种为40份40~50目、60份50~60目；第4种为40份60~80目、60份80~100目；第5种为80~100目；其中，上述第1种、第2种为高品级金刚石、第3种为中品级金刚石、第4种、第5种为低品级金刚石；
5）在3D打印设备中，按照孕镶齿的设计参数，沿着孕镶齿轴向方向逐层成形孕镶齿；其中，通过设计金刚石颗粒在工作区中的空间位置，使工作区5个部分对应的金刚石体积浓度分别为40~60%、25~35%、15~20%、5~10%和3~6%。
6）将3D打印成形的孕镶齿在保护氛围环境下进行热等静压增强处理，使其整体力学强度和耐磨性进一步提高；
7）将热等静压处理后的切削齿进行尺寸修正；
8）将修正后的孕镶齿通过焊接的方式固定在钻头钢体上，从而得到具有自润滑功能和PDC外形的孕镶金刚石钻头。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (5)
1.一种按功能分区的孕镶齿，其特征在于，包括：一体成型的焊接区和工作区，所述焊接区焊接在钻头钢体上，所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N＞2个部分，N为整数；
所述焊接区由金属粉末组成，所述工作区的每一部分由金属粉末、不同参数的金刚石和不同体积浓度的固体润滑剂组成；
所述工作区第N部分的耐磨性弱于第N-1部分，所述工作区的第1部分设置在孕镶齿的切削端；
所述焊接区的金属粉末中各物质的质量份数为FeCu30 80份、Fe 10份、Cu 10份；
所述工作区的金属粉末中各物质的质量份数为：WC 30份、FeCu30 60份、Co 10份；
所述工作区的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2～6％；
所述工作区的不同参数的金刚石包括：第1种为40份50～60目、60份80～100目，第2种为40份40～45目、60份50～60目，第3种为20份50～60目、80份80～100目，其中，第1种、第2种采用的是表面金属化之后的高品级金刚石，第3种采用的非表面金属化的金刚石；
所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N＝3个部分；其中，工作区的第一部分第1种金刚石的体积浓度为50％，工作区的第二部分第2种金刚石的体积浓度为25％，工作区第三部分第3种金刚石的体积浓度为5％，其余为所述工作区的金属粉末和所述工作区的固体润滑剂；
或者，所述焊接区的金属粉末为单一的FeCu30粉；
所述工作区的金属粉末为单一的FeCu30粉；
所述工作区的固体润滑剂为镍包石墨粉，体积浓度为2～6％；
所述工作区的不同参数的金刚石包括：第1种为80～100目，第2种为40份30～40目、60份40～50目，第3种为40份40～50目、60份50～60目，第4种为40份60～80目、60份80～100目，第5种为80～100目，其中，第1种、第2种为高品级金刚石、第3种为中品级金刚石、第4种、第5种为低品级金刚石；
所述工作区沿孕镶齿的轴线分成N＝5个部分；其中，工作区的第一部分第1种金刚石的体积浓度为40～60％、第二部分第2种金刚石的体积浓度为25～35％、第三部分第3种金刚石的体积浓度为15～20％、第四部分第4种金刚石的体积浓度为5～10％、第五部分第5种金刚石的体积浓度为3～6％，各部分其余为所述工作区的金属粉末和所述工作区的固体润滑剂。
2.如权利要求1所述的按功能分区的孕镶齿的制备方法，其特征在于，采用冷压成型和热压烧结的方式成形具有PDC外形和自润滑功能的孕镶金刚石钻头切削齿，再将其进行热等静压增强处理和几何尺寸修正，得功能分区的孕镶齿。
3.如权利要求1所述的按功能分区的孕镶齿的制备方法，其特征在于，采用3D打印的方式成形具有PDC外形和自润滑功能的孕镶金刚石钻头切削齿，再将其进行热等静压增强处理和几何尺寸修正，得功能分区的孕镶齿。
4.一种自润滑孕镶金刚石钻头，其特征在于，包括如权利要求1所述的按功能分区的孕镶齿。
5.如权利要求4所述的自润滑孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，将权利要求1所述的按功能分区的孕镶齿焊接到钻头钢体上。
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