專利名稱：一種金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鉆頭，尤其是涉及勘探、能源開(kāi)采用的地質(zhì)鉆頭。本發(fā)明還涉 及該地質(zhì)鉆頭的制作工藝。
背景技術(shù)：
我國(guó)自20世紀(jì)60年代起開(kāi)始研究金剛石鉆頭，至今僅用了不到40年的時(shí)間， 卻已經(jīng)取得了巨大的成就，金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)制造在我國(guó)已經(jīng)形成了一門獨(dú)立的學(xué) 科。該學(xué)科的理論基礎(chǔ)是巖石破碎學(xué)、金屬材料學(xué)、粉末冶金學(xué)、電化學(xué)、鉆頭形 態(tài)學(xué)以及鉆頭水力學(xué)等。通過(guò)對(duì)上述各領(lǐng)域的深入研究而形成了這門新型學(xué)科，它 也是地質(zhì)工程的一個(gè)重要分支。
結(jié)合金剛石鉆頭的特點(diǎn)，我國(guó)已經(jīng)形成了一套較完整的制造工藝，并隨著時(shí)間 的推移和深入研究，提出了一些新的發(fā)展方向，如采用預(yù)合金粉末作為胎體材料， 釆用電火花活化的熱壓燒結(jié)技術(shù)等。但是這些傳統(tǒng)鉆頭中的金剛石在胎體里面都是 無(wú)序分布的。鉆頭中每顆金剛石的受力是不均勻的。在金剛石顆粒分布密集的地方， 單顆粒金剛石受力小，產(chǎn)生的切屑顆粒細(xì)，對(duì)胎體的磨損較少，導(dǎo)致金剛石顆粒出 刃慢，切割效率低。如果出現(xiàn)兩顆或多顆金剛石聯(lián)結(jié)在一起的情況，容易使金剛石 脫落。在金剛石顆粒分布稀少區(qū)，單顆金剛石承受的工作負(fù)荷過(guò)大，沖擊力高，致 使金剛石易于碎裂與脫落。同時(shí)，胎體被暴露于切屑中，這使得胎體磨損嚴(yán)重，影 響對(duì)金剛石的把持效果。由于這些原因，鉆頭的效率和壽命受到很大的限制。
傳統(tǒng)的鉆探和鉆井用孕鑲金剛石鉆頭的制造是將胎體粉末與金剛石顆粒進(jìn)行 充分混合，然后采用粉末冶金的方法壓制燒結(jié)而成的。這樣制造出來(lái)的鉆頭，胎體 內(nèi)金剛石顆粒的分布呈無(wú)序排列的。在傳統(tǒng)鉆頭中，金剛石不能得到充分的應(yīng)用， 從而影響鉆頭的效率和壽命。
研究表明金剛石定位排列能夠同時(shí)提高金剛石鉆頭的壽命和效率，同時(shí)也能
使金剛石鉆頭的壽命和效率保持穩(wěn)定，使得產(chǎn)品性能得到更好的控制。該專利發(fā)明 了 一種應(yīng)用于地質(zhì)孕鑲鉆頭的定位排布技術(shù)，并取得了較好的試驗(yàn)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一技術(shù)問(wèn)題是提供一種使用壽命長(zhǎng)和工作效率高，同時(shí)也 能使金剛石鉆頭的壽命和效率保持穩(wěn)定，使得產(chǎn)品性能得到更好的控制的金剛石定 位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭。
本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供該金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的 制造工藝。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭，包括金剛石胎 體和金剛石，所述的金剛石按照設(shè)計(jì)的規(guī)定位置有序地排列在所述的金剛石胎體中。本發(fā)明提供的制作金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的方法，包括金剛石胎體粉末 混料——胎體粉末壓制成薄坯——薄坯上鋪排金剛石——多層薄坯組合冷壓—— 冷壓胎體刀頭還原——裝鋼體燒結(jié)——冷卻脫模一修整包裝，其步驟如下
① 、確定金剛石胎體成分和金剛石配方
金剛石胎體含鈷粉、鎳粉、鐵粉、銅粉、錳粉、錫粉、鉻粉、碳化鎢、碳化二 鎢，其中，鈷粉、鎳粉、鐵粉、錳粉、鉻粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 60%， 銅粉、錫粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 40%，碳化鎢、碳化二鎢粉末質(zhì)量占
10% 70%，所用金剛石胎體粉末顆粒直徑為0. 074腿以細(xì)；所用金剛石體積濃度在 5% 50%之間，顆粒度為0. 42mm 0. 074腿；
② 、金剛石胎體壓制成薄坯
根據(jù)鉆頭規(guī)格設(shè)計(jì)層數(shù)，計(jì)算每層的金剛石胎體粉末用量，稱取所需的金剛石 胎體粉末量，放入壓制胎體薄坯的冷壓模具上進(jìn)行冷壓制成薄坯，冷壓成形壓力取 10 20MPa;
③ 、薄坯上鋪排金剛石
按照設(shè)計(jì)的金剛石定位排布方式，如放射狀排列、螺旋狀排列、等距排列等，
在打孔模板—h打孔；所選擇的打孔模板的厚度比金剛石的平均直徑略大，打孔的大 小大于金剛石平均直徑的1倍，而小于平均直徑的2倍；將步驟②中壓制好的薄坯
上噴灑一層壓敏膠，然后把打孔模板覆在所述的薄坯上，把金剛石撒在打孔模板上，
用軟毛刷子掃金剛石，使打孔模板的每一個(gè)孔里面都有一顆金剛石;揭開(kāi)打孔模板， 金剛石即在薄坯上形成了定位排布；
④ 、多層薄坯組合冷壓，冷壓刀頭還原
把步驟③4 '制得的多層帶金剛石的薄坯組合在一起，用液壓機(jī)壓成鉆頭胎塊刀 頭形狀;把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放入還原爐，在360-450 °C的溫度下放置10_40
分鐘，使壓敏膠充分揮發(fā)；
◎、裝刀頭，放置鋼體，燒結(jié)
把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放入加工好的石墨模具中，并放置好鋼體，在中頻 感應(yīng)爐中加熱燒結(jié)，使鉆頭胎塊刀頭和鋼體燒結(jié)在一起，燒結(jié)采用的保壓壓力為 1 3MPa，燒結(jié)溫度為900 1100。C，保溫保壓時(shí)間為5 15min。
上述步驟③中所述的打孔模板為紫銅板。 釆用上述技術(shù)方案的金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭及其制造工藝，使金剛石在胎體 中按照設(shè)計(jì)方式，形成放射狀排列、螺旋狀排列以及等距排列等復(fù)雜而有效的排布 方式。可根據(jù)鉆進(jìn)地層的條件設(shè)計(jì)不同的排布方式，使每顆金剛石發(fā)揮其最大功效， 得到充分利用，從而提高鉆頭壽命和鉆進(jìn)效率。
綜上所述，本發(fā)明是一種使用壽命長(zhǎng)和工作效率高，同時(shí)也能使金剛石鉆頭的 壽命和效率保持穩(wěn)定，使得產(chǎn)品性能得到更好的控制的金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆 頭。該金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的制造工藝簡(jiǎn)單可靠，便于操作。


圖1是金剛石定位排列示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1，金剛石2按照設(shè)計(jì)的規(guī)定位置有序地排列在金剛石胎體1中。
金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的制作方法為胎體粉末混料——胎體粉末壓制 成薄片——薄坯上鋪排金剛石——多層薄坯組合冷壓——冷壓刀頭還原——裝鋼 體燒結(jié)——冷卻脫模一修整包裝，其具體過(guò)程為
① 、確定金剛石胎體成分和金剛石配方
胎體含鈷粉、鎳粉、鐵粉、銅粉、錳粉、錫粉、鉻粉、碳化鉤、碳化二鎢等， 其中，鈷粉、鎳粉、鐵粉、錳粉、鉻粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 60%，銅
粉、錫粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 40%，碳化鎢、碳化二鎢粉末質(zhì)量占10% 70%，所用胎體粉末顆粒直徑為0. 074mm以細(xì)；超硬磨料為金剛石，體積濃度在5% 50%之間，顆粒度為0. 42mm 0. 074mm;
② 、金剛石胎體壓制成薄坯
因?yàn)槔鋲簤褐瞥鰜?lái)的薄坯厚度要求在lmm左右，壓制難度較大，容易產(chǎn)生壓制 廢坯。所以，對(duì)于粉末純度、粉末粒度及粒度組成、粉末顆粒形狀等影響壓制性能 的因素都有一定的要求。
根據(jù)鉆頭規(guī)格設(shè)計(jì)層數(shù)，計(jì)算每層的金剛石胎體粉末用量，稱取所需的金剛石 胎休粉末量，放入壓制胎體薄坯的冷壓模具上進(jìn)行冷壓制成薄坯，冷壓成形壓力取 10 20MPa;
③ 、薄坯上鋪排金剛石
按照設(shè)計(jì)的金剛石排布方式，如放射狀排列、螺旋狀排列、等距排列等，在紫 銅板上打孔；所選擇的紫銅板的厚度要比金剛石的平均直徑略大，以保證金剛石能 夠完全掉進(jìn)孔洞；打孔的大小應(yīng)該大于金剛石平均直徑的1倍，小于平均直徑的2 倍，以保證每個(gè)孔洞里都能進(jìn)入一顆金剛石，而不能容納兩顆金剛石。
在胎體薄坯上噴灑薄薄一層壓敏膠，然后把紫銅板覆在薄坯上，把金剛石撒在 紫銅板上，用軟毛刷子掃金剛石，使紫銅板的每一個(gè)孔里面都有一顆金剛石。揭開(kāi) 紫銅板，金剛石即在金剛石胎體上形成了定位排布；
④ 、多層薄坯組合冷壓，冷壓刀頭還原 把步驟(D中制得的多層帶金剛石的薄坯組合在一起，用四柱液壓機(jī)手工冷壓成
鉆頭胎塊刀頭形狀。為了盡量排除掉噴灑的壓敏膠，把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放 入還原爐，在360-450 。C的溫度下放置10-40分鐘，使壓敏膠充分揮發(fā)。 ◎、裝刀頭，放置鋼體，燒結(jié)
把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放入加工好的石墨模具中，并放置好鋼體，在中頻 感應(yīng)爐中加熱燒結(jié)，使鉆頭胎塊刀頭和鋼體燒結(jié)在一起。燒結(jié)采用的保壓壓力為 1 3MPa，燒結(jié)溫度為900 1100。C，保溫保壓時(shí)間為5 10min。
權(quán)利要求
1. 一種金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭，包括金剛石胎體(1)和金剛石(2)，其特征在于所述的金剛石(2)按照設(shè)計(jì)的規(guī)定位置有序地排列在所述的金剛石胎體(1)中。
2、 制作權(quán)利要求1所述的金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的方法，包括金剛石 胎體粉末混料——胎體粉末壓制成薄坯——薄坯上鋪排金剛石——多層薄坯組合 冷壓——冷壓胎體刀頭還原——裝鋼體燒結(jié)——冷卻脫模一修整包裝，其特征在 于① 、確定金剛石胎體成分和金剛石配方金剛石胎體含鈷粉、鎳粉、鐵粉、銅粉、錳粉、錫粉、鉻粉、碳化鎢、碳化二鴇，其中，鈷粉、鎳粉、鐵粉、錳粉、鉻粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 60%， 銅粉、錫粉或他們的預(yù)合金粉末質(zhì)量占10% 40%，碳化鎢、碳化二鎢粉末質(zhì)量占 10% 70%，所用金剛石胎體粉末顆粒直徑為0. 074mm以細(xì)；所用金剛石體積濃度在 5% 50%之間，顆粒度為0. 42mm 0. 074mm;② 、金剛石胎體壓制成薄坯根據(jù)鉆頭規(guī)格設(shè)計(jì)層數(shù)，計(jì)算每層的金剛石胎體粉末用量，稱取所需的金剛石 胎體粉末量，放入壓制胎體薄片的冷壓模具上進(jìn)行冷壓制成薄坯，冷壓成形壓力取 10 20MPa;③ 、薄坯上鋪排金剛石按照設(shè)計(jì)的金剛石定位排布方式，如放射狀排列、螺旋狀排列、等距排列等， 在打孔模板上打 L;所選擇的打孔模板的厚度比金剛石的平均直徑略大，打孔的大 小大于金剛石平均直徑的1倍，而小于平均直徑的2倍；將步驟②中壓制好的薄坯上噴灑一層壓敏膠，然后把打孔模板覆在所述的薄坯上，把金剛石撒在打孔模板.卜.，用軟毛刷子掃金剛石，使打孔模板的每一個(gè)孔里面都有一顆金剛石;揭開(kāi)打孔模板， 金剛石即在薄坯上形成了定位排布； 、多層薄坯組合冷壓，冷壓刀頭還原把步驟③中制得的多層帶金剛石的薄坯組合在-起，用液壓機(jī)壓成鉆頭胎塊刀頭形狀;把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放入還原爐，在360-450 °C的纟顯度下放置10-40分鐘，使壓敏膠充分揮發(fā)； 、裝刀頭，放置鋼體，燒結(jié)把冷壓成型的鉆頭胎塊刀頭放入加工好的石墨模具中，并放置好鋼體，在中頻 感應(yīng)爐中加熱燒結(jié)，使鉆頭胎塊刀頭和鋼體燒結(jié)在一起，燒結(jié)采用的保壓壓力為 1 3MPa，燒結(jié)溫度為900 1100。C，保溫保壓時(shí)間為5 15min。
3、 根據(jù)權(quán)利耍求2所述的金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的制作方法，其特征 在于卜.述歩驟③中所述的打孔模板為紫銅板。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭，包括金剛石胎體(1)和金剛石(2)，所述的金剛石(2)按照設(shè)計(jì)的規(guī)定位置有序地排列在所述的金剛石胎體(1)中。金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的制作方法包括金剛石胎體粉末混料—胎體粉末壓制成薄坯—薄坯上鋪排金剛石—多層薄坯組合冷壓—冷壓胎體刀頭還原—裝鋼體燒結(jié)—冷卻脫?！拚b。本發(fā)明是一種使用壽命長(zhǎng)和工作效率高，同時(shí)也能使金剛石鉆頭的壽命和效率保持穩(wěn)定，使得產(chǎn)品性能得到更好的控制的金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭。該金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭的制造工藝簡(jiǎn)單可靠，便于操作。
文檔編號(hào)C22C30/00GK101285371SQ200810031420
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者張紹和, 仙 楊 申請(qǐng)人:中南大學(xué)