CN114351023B - 氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料及利用其制备钻头材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁基骨架材料45～60份、金属粘结材料40～55份、氢化锆0.2～0.6份，所述骨架材料及粘结材料均采用预合金粉末；本发明还公开了利用上述氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法。本发明以铁铜预合金粉末为骨架材料，以铁铜镍锡预合金粉末和/或铁铜锌钛预合金粉末为金属粘结材料，利用氢化锆的活化作用促进胎体的致密化，提高胎体耐磨性和力学性能，烧结后的胎体组织结构细腻均匀，避免了成分偏析，同时具有较好的抗弯强度和耐磨性，适用于较硬、研磨性强的加工对象。

Description

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料及利用其制备钻头 材料的方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料及利用其制备钻头材料的方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，各种地下矿产资源的需求日益增长。目前，浅层矿产资源大多已被开发利用，需要往更深部地层探索。但是，深部地层条件复杂，勘探开发难度加大，对钻探技术的要求日益增加。孕镶金刚石钻头是一种重要的地质钻头，广泛应用于硬地层的钻探。对于孕镶金刚石钻头而言，其胎体主要发挥了两方面的作用：一是把持作用，胎体通过机械包镶、冶金结合等方式分散把持金刚石，同时提供与工作对象相匹配的磨损率以保证在工作时金刚石的出刃率，进而确保工作效率；二是散热作用，钻进过程中会因磨削加工导致工作区域内温度急剧升高，需要将热量及时散开，避免损坏材料。胎体材料的包镶能力、出刃能力及散热能力等特性，直接决定了金刚石钻头的加工效率和使用寿命。

金属胎体主要包含高熔点固相粘结剂(Co、Fe、Ni、Cu等)、低熔点液相填充剂(Sn、Zn、Cu-Sn合金等)、高熔点硬质添加剂(WC等)、微量调节添加剂(稀土、Fe3P等)等几类物相。其中，高熔点固相粘接剂作为骨架支撑材料，主要起到完形、固结与耐磨作用，是固结把持金刚石磨粒，保证金刚石发挥功效的主要功能相，需要在较高温度下进行烧结致密化与合金化，是获取高性能烧结胎体的基础保障，也是决定钻头性能发挥的关键因素。低熔点液相填充剂在烧结过程中会被较早熔融，在温度较低的情况下会发生致密化与合金化等一系列烧结过程中的物理化学变化，从而得到具有预期功能的金刚石与金属结合剂的混合烧结体。目前，WC-Co胎体基金刚石钻头的使用最为普遍，虽然Co具有很好的合金化程度和力学性能，加上Co对金刚石的包镶力很好，使得Co基金刚石钻头具有良好的耐磨性、自锐性和高温性能，但是钴的价格昂贵且资源匾乏；同时，WC-Co基钻头的性能比较难调控，不能满足钻进多种类岩层的需要，钻进坚硬而弱研磨性的岩石时不理想。Fe与Co是同一副族，Fe的结构和很多性能与钴相近，并且Fe的资源丰富、价格便宜，促使国内许多地质钻头工作者开展了利用Fe粉代替WC-Co粉来烧结孕镶金刚石钻头的研究。

Fe基胎体具有较好的润湿性和适宜的力学性能，热膨胀系数低，裂纹倾向小；但Fe基胎体成形性不好，烧结温度高、可控工艺的范围窄，耐磨性、抗弯强度相对WC基胎体较差，在高温情况下，金刚石易发生热损伤产生石墨化现象，从而削弱胎体对金刚石的嵌镶作用，影响钻头的锋利度、钻进效率和使用寿命。要改善Fe基胎体的性能，可从优化Fe基胎体配方的角度出发。依据不同胎体配方，有研究通过添加少量的P，并以P-Fe合金粉加入，制造出了一种适用于较强研磨性地层的Fe基金刚石钻头；也有研究通过掺入适量稀土元素，增强胎体的致密性，提高胎体的强度。对于Fe基胎体，目前研究存在的技术难点是如何提高Fe基粉末的烧结活性，同时克服Fe基胎体高温氧化及成分不均匀问题，使其能够有效润湿金刚石，减免烧结过程中金刚石表面的石墨化。

随着纳米技术的迅速发展，纳米材料表现出的量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等，成为弥散强化金属或合金材料的重要研究方向。纳米颗粒可均匀弥散在金属或合金基体中作为第二相颗粒，限制材料变形过程中位错运动及晶界滑移，从而提高材料的性能。目前，关于纳米氢化物提高金刚石胎体材料的研究还鲜有报道。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，通过氢化锆的活化作用，提高胎体致密性、耐磨性和力学性能。本发明还公开了利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁基骨架材料45～60份、金属粘结材料40～55份、氢化锆0.2～0.6份，所述铁基骨架材料及金属粘结材料均采用预合金粉末。

优选地，所述铁基骨架材料为铁铜预合金粉末。

进一步，所述铁铜预合金粉末中铜所占的质量百分数为15～30％。

优选地，所述金属粘结材料为铁铜镍锡预合金粉末和/或铁铜锌钛预合金粉末。

优选地，所述金属粘结材料由铁铜镍锡预合金粉末和铁铜锌钛预合金粉末按照质量比1:2～5混合而成。

进一步，所述铁铜镍锡预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：20～40％，镍：3～6％，锡：5～10％，硅：0～2％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

进一步，所述铁铜锌钛预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：10～30％，锌：20～40％，钛：2～6％，硅：0～2％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

所述铁铜预合金粉末、铁铜镍锡预合金粉末及铁铜锌钛预合金粉末采用高压水气雾化法制备，或者采用机械研磨耦合高压水气雾化法制备。

利用上述氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，包括以下步骤：

步骤一，按照重量份数称取铁基胎体材料的各原料，研磨、混匀，再加入金刚石颗粒，混匀，得到混合物料；

步骤二，将步骤一所得的混合物料于15～30MPa预压3～5分钟，得到压制坯；

步骤三，在真空或保护气氛下，将步骤二所得的压制坯于30～60MPa、750～850℃热压烧结5～15分钟，冷却至室温，得到烧结坯；

步骤四，将步骤三所得的烧结坯置于真空加热炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，升温至300～500℃，保持1～2小时后，停止加热，待炉内温度降至90℃以下，取出并冷却至室温，即得。

优选地，步骤一中所述金刚石颗粒的粒度为60～100目，钻头材料中金刚石浓度为45～75％。

本发明以铁铜预合金粉末为骨架材料，和金刚石及其他成分具有较好的相容性；以铁铜镍锡预合金粉末和/或铁铜锌钛预合金粉末为金属粘结材料，具有良好的压制成型性及烧结性，对金刚石有较好的润湿性；通过骨架材料、金属粘结材料及氢化锆组成的铁基胎体材料烧结过程中，利用氢化锆的活化作用，可以减少金属颗粒表面因氧化形成的钝化膜，从而促进胎体的致密化；氢化锆均匀地分散于金属基体中能够有效阻碍位错的移动并储存位错，限制晶粒的长大，提高胎体耐磨性和力学性能。利用所述氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头，胎体组织结构细腻均匀，避免了成分偏析，工艺简单、便于控制，铁基胎体材料经烧结后相对密度达98％以上，胎体硬度为35～38HRC，钻头材料相对密度达95％以上，具有良好的抗弯强度和耐磨性，适用于较硬、研磨性强的加工对象。

附图说明

图1为实施例1所述铁铜预合金粉末的扫描电镜图；

图2为实施例1所述铁铜锌钛预合金粉末的扫描电镜图；

图3为实施例1所述铁铜镍锡预合金粉末的扫描电镜图；

图4为实施例1所述烧结体的相对密度及硬度随烧结温度变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

下述实施例中所述氢化锆采用粒度为400目的氢化锆粉末，化学成分为：ZrH₂≥99.％、Cl≤0.02％、Fe≤0.2％、Ca≤0.02％、Mg≤0.1％。所述铁铜镍锡预合金粉末及铁铜锌钛预合金粉末中组分铁采用还原铁粉为原料，组分铜采用电解铜粉为原料，组分锌采用气雾化锌粉，组分硼采用硼含量为5wt％的硼铁粉作为硼原料，组分硅采用硅含量为45wt％的硅铁粉作为硅原料，粒度均约300目。

实施例1

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁铜预合金粉末50份、铁铜锌钛预合金粉末40份、铁铜镍锡预合金粉末10份、氢化锆0.5份。

其中，所述铁铜预合金粉末采用Cu20Fe80粉末，即铁铜预合金粉末中铜与铁的质量比为1:4。所述铁铜预合金粉末采用水气雾化法自制，步骤如下：在氩气气氛下，将纯铁及电解铜加热至完全熔化，然后升温至1500℃，搅拌3分钟后，保温静置2分钟，除渣，得到铁铜合金液；将铁铜合金液升温至1650℃进行浇注(浇注速度为10kg/min)，倾倒入750～850℃的中间包中，通过包底

8mm陶瓷导流管流出，在氮气保护条件下(流量为60L/min)，通过压力为95MPa的高压水击碎成粉末，自然下落至冷却水中冷却，然后通过沉淀、固液分离，得到含水量为10～15％的合金粉末；在氢氮体积比为1:4的混合气保护下，于300℃干燥1小时；然后置于钢带式还原炉内，合金粉末厚度约20mm，在氢氮体积比为5:1的混合气氛下，先于650℃还原2小时；随炉冷却至400℃时，保温1小时，冷却至室温后，经400目筛网筛分。

所述铁铜锌钛预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：15％，锌：25％，钛：4％，硅：1％，余量为铁及不可避免的杂质元素。所述铁铜镍锡预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：30％，镍：5％，锡：9％，硅：1％，余量为铁及不可避免的杂质元素。所述铁铜锌钛预合金粉末及铁铜镍锡预合金粉末均采用机械研磨联合高压水气雾化法制备。所述机械研磨联合高压水气雾化法具体步骤如下：

(1)准备各组分原料，按照质量百分数称取各原料；

(2)在氩气气氛下，将原料混合、球磨2小时，得到中间合金粉；球磨时球料比为10:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速400r/min，球磨后于80℃干燥；

(3)在氩气气氛下，将步骤(2)所得中间合金粉于900℃加热至完全熔化，然后以5℃升温至1100℃，搅拌3分钟后，保温静置2分钟，除渣，得到中间合金液；

(4)将步骤(3)所得中间合金液升温至1350℃进行浇注(浇注速度为10kg/min)，倾倒入750～850℃的中间包中，通过包底

8mm陶瓷导流管流出，在氮气保护条件下(流量为60L/min)，通过压力为95MPa的高压水击碎成粉末，自然下落至冷却水中冷却，然后通过沉淀、固液分离，得到含水量为10～15％的合金粉末；在氢氮体积比为1:4的混合气保护下，于300℃干燥1小时；然后置于钢带式还原炉内，合金粉末厚度约20mm，在氢氮体积比为5:1的混合气氛下，先于450℃还原4小时；随炉冷却至250℃时，保温2小时，冷却至室温后，经400目筛网筛分。

采用扫描电镜对采用水气雾化法制备的铁铜预合金粉末以及采用机械研磨联合高压水气雾化法制备的铁铜锌钛预合金粉末、铁铜镍锡预合金粉末进行表征，结果如图1～3所示。铁铜预合金粉末微观形貌呈球状或类球状，颗粒粒径较小；铁铜锌钛预合金粉末颗粒呈不规则状，以颗粒聚集形式存在；铁铜镍锡预合金粉末颗粒较为规则，均呈椭球状，粒度分布较窄。

将实施例1所述铁基胎体材料于20MPa预压3分钟，得到压制坯；将压制坯于50MPa、700～800℃真空热压烧结8分钟(维持真空度2×10^-2Pa，烧结温度分别取750℃、770℃、790℃、810℃、830℃、850℃)，冷却至室温，得到烧结坯；将烧结坯置于真空加热炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，升温至450℃，恒温保持1小时后，停止加热，待炉内温度降至90℃以下，取出并冷却至室温，即得烧结体，对所得烧结体的相对密度及硬度进行检测，结果如图4所示。从图4可见，烧结温度为810℃时，烧结体的相对密度及硬度最高。

实施例2

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁铜预合金粉末50份、铁铜镍锡预合金粉末10份、铁铜锌钛预合金粉末40份、氢化锆0.4份。

实施例3

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁铜预合金粉末50份、铁铜镍锡预合金粉末10份、铁铜锌钛预合金粉末40份、氢化锆0.6份。

实施例4

氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁铜预合金粉末50份、铁铜镍锡预合金粉末10份、铁铜锌钛预合金粉末40份、氢化锆0.2份。

实施例2～4中所述铁铜预合金粉末、铁铜镍锡预合金粉末及铁铜锌钛预合金粉末均与实施例1相同。

利用上述氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，包括以下步骤：

步骤一，按照重量份数称取铁基胎体材料的各原料，研磨、混匀，再加入金刚石颗粒，混匀，得到混合物料；金刚石颗粒的浓度为60％(即0.6ct/cm³)，金刚石颗粒粒度为70/80目(占40％)、60/70目(占60％)；

步骤二，将步骤一所得的混合物料于20MPa预压3分钟，得到压制坯；

步骤三，将步骤二所得的压制坯置于真空热压烧结炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，于50MPa、810℃热压烧结8分钟，冷却至室温，得到烧结坯；

步骤四，将步骤三所得的烧结坯置于真空加热炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，升温至450℃，保持1小时后，停止加热，待炉内温度降至90℃以下，取出并冷却至室温，即得钻头材料。

对比例1

孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁铜预合金粉末50份、铁铜镍锡预合金粉末10份、铁铜锌钛预合金粉末40份。

对比例1与实施例1相比，区别在于孕镶金刚石钻头铁基胎体材料的原料中不含有氢化锆。

将实施例1～4以及对比例1所制备的孕镶金刚石钻头铁基胎体材料于20MPa预压3分钟，再于50MPa、810℃真空热压烧结8分钟(维持真空度2×10^-2Pa)，冷却至室温，然后置于真空加热炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，升温至450℃，恒温保持1小时后，停止加热，待炉内温度降至90℃以下，取出并冷却至室温，记为空白胎体。

采用排水法分别测定上述空白胎体的密度，测试并计算得到相对密度；采用HRS-150数显洛氏硬度计对空白胎体的硬度进行测量，采用万能试验机对空白胎体的抗弯强度进行测量。经检测，空白胎体的性能参数结果如表1所示。

表1空白胎体的性能参数

采用排水法分别测定实施例1～4所得钻头材料的密度，测试并计算得到相对密度；采用万能试验机对钻头材料的抗弯强度进行测量；采用DHM-2磨耗比测定仪测量钻头材料的磨耗比，测试所用SiC砂轮外径为100mm、内径为20mm、厚度为20mm，测量时气动加压500g、砂轮线速度15m/s、工件摆频35次/min。经检测，钻头材料的性能参数结果如表2所示。

表2钻头材料的性能参数

从表1及表2可以看出，本发明所述铁基胎体材料以铁铜预合金粉末为骨架材料，以铁铜镍锡预合金粉末和铁铜锌钛预合金粉末为金属粘结材料，具有良好的烧结性；再配合氢化锆的活化作用，可以促进胎体的致密化，也可以提高胎体耐磨性和力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，按照重量份数称取铁基胎体材料的各原料，研磨、混匀，再加入金刚石颗粒，混匀，得到混合物料；

步骤二，将步骤一所得的混合物料于15~30 MPa预压3~5分钟，得到压制坯；

步骤三，将步骤二所得的压制坯于30~60 MPa、750~850℃热压烧结5~15分钟，冷却至室温，得到烧结坯；

步骤四，将步骤三所得的烧结坯置于真空加热炉内，抽真空至炉内压力小于2×10^-2Pa，升温至300~500℃，保持1~2小时后，停止加热，待炉内温度降至90℃以下，取出并冷却至室温，即得；

所述铁基胎体材料由以下重量份数的原料组成：

铁基骨架材料45~60份、金属粘结材料40~55份、氢化锆0.2~0.6份，所述铁基骨架材料及金属粘结材料均采用预合金粉末；

所述铁基骨架材料为铁铜预合金粉末；

所述金属粘结材料由铁铜镍锡预合金粉末和铁铜锌钛预合金粉末按照质量比1:2~5混合而成，所述铁铜锌钛预合金粉末及铁铜镍锡预合金粉末均采用机械研磨联合高压水气雾化法制备；

所述机械研磨联合高压水气雾化法具体步骤如下：

（1）准备各组分原料，按照质量百分数称取各原料；

（2）在氩气气氛下，将原料混合、球磨2小时，得到中间合金粉；球磨时球料比为10:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速400 r/min，球磨后于80℃干燥；

（3）在氩气气氛下，将步骤（2）所得中间合金粉于900℃加热至完全熔化，然后以5℃升温至1100℃，搅拌3分钟后，保温静置2分钟，除渣，得到中间合金液；

（4）将步骤（3）所得中间合金液升温至1350℃进行浇注，在氮气保护条件下，通过压力为95 MPa的高压水击碎成粉末，自然下落至冷却水中冷却，然后通过沉淀、固液分离，得到含水量为10~15%的合金粉末；在氢氮体积比为1:4的混合气保护下，于300℃干燥1小时；然后在氢氮体积比为5:1的混合气氛下，先于450℃还原4小时；随炉冷却至250℃时，保温2小时，冷却至室温后，经400目筛网筛分。

2.根据权利要求1所述利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，其特征在于：所述铁铜预合金粉末中铜所占的质量百分数为15~30%。

3.根据权利要求1所述利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，其特征在于：所述铁铜镍锡预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：20~40%，镍：3~6%，锡：5~10%，硅：0~2%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，其特征在于：所述铁铜锌钛预合金粉末由以下质量百分数的组分组成：铜：10~30%，锌：20~40%，钛：2~6%，硅：0~2%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

5.根据权利要求1所述利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法，其特征在于：步骤一中所述金刚石颗粒的粒度为60~100目，钻头材料中金刚石浓度为45~75%。

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