專利名稱：一種熱壓金剛石鉆頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱壓金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)及其制備方法；熱壓金剛石鉆頭用于地質(zhì) 勘探、石油鉆井和工程勘察，同時(shí)用于地質(zhì)災(zāi)害的防治，屬于地質(zhì)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
60年代后期我國(guó)開始研制人造金剛石鉆頭，至今為止，制造金剛石鉆頭仍然采用 熱壓方法和電鍍方法為主。熱壓方法制造的鉆頭具有較高的硬度和耐磨性，可以適應(yīng)多數(shù) 巖層鉆進(jìn)的需要。但是，對(duì)于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層卻無能為力，表現(xiàn)為鉆進(jìn)時(shí)效極 低，一般為0. 3 0. 4m/h ;鉆頭的使用壽命短，只有8 10m左右。電鍍方法制造的鉆頭雖 然具有適應(yīng)性較廣，鉆進(jìn)速度較高，但也不能適應(yīng)于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層。隨著地質(zhì) 找礦向地層深部發(fā)展，巖層越來越硬，堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層出現(xiàn)的幾率越來越高，幾乎所 有的金屬礦鉆探，都會(huì)遇到這類巖層，嚴(yán)重地影響著地質(zhì)勘探的進(jìn)程，提高了鉆探的成本， 成為了長(zhǎng)期困擾探礦工程技術(shù)人員的一大難題。 多少年以來，探礦工程技術(shù)人員付出多少辛勤的勞動(dòng)，都希望研制出高性能的鉆 頭，解決這類巖層的鉆進(jìn)難的問題，但都沒有成功。以往的研究者都采用同一種思路，即設(shè) 計(jì)軟而耐磨性低的胎體，工作層內(nèi)部為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，期望鉆頭中的金剛石出刃快、出刃好，以 此達(dá)到提高鉆進(jìn)速度的目的。然而，事實(shí)卻表明軟而耐磨性低的胎體不能適應(yīng)該類巖層鉆 進(jìn)，其主要原因是這種胎體不能適應(yīng)高鉆壓的條件，軟胎體出現(xiàn)塑性蠕變不能使金剛石有 效出刃，金剛石不能有效地切入巖石，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種新型結(jié)構(gòu)的熱壓金剛石鉆 頭及其制造方法，本發(fā)明的金剛石鉆頭的切削單元包括破碎巖石的金剛石復(fù)合體部分與支 撐體部分，金剛石復(fù)合體部分的硬度高，耐磨性強(qiáng)；支撐體部分的硬度較低，能有力地固結(jié)、 支撐和保護(hù)復(fù)合體工作層，并與鉆頭剛體牢固結(jié)合。該鉆頭具有出刃好，在正常的鉆進(jìn)規(guī)程 條件下，在堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層中鉆進(jìn)可以取得效率高，鉆頭使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種熱壓金剛石鉆頭，至少包括若干切削單 元和水口 ，切削單元包括支撐體和若干分散于支撐體中的金剛石復(fù)合體，金剛石復(fù)合體中 金剛石濃度為90% 105%，鉆頭的工作底唇面積的45% 60%為金剛石復(fù)合體。
上述金剛石復(fù)合體呈柱狀，為方柱狀或圓柱狀，邊長(zhǎng)或直徑為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度 為6 8mm。金剛石復(fù)合體按二環(huán)或三環(huán)排列規(guī)律分散于支撐體中。每個(gè)切削單元內(nèi)的金 剛石復(fù)合體覆蓋鉆頭孔底環(huán)狀破碎面，金剛石復(fù)合體間的重疊系數(shù)2% 3%。金剛石復(fù)合 體的硬度為HRc32 45，耐磨性為0. 32 0. 45X 10—5ML。 上述的支撐體材料為鐵_鎳_錳_青銅合金，其硬度為HRc20 HRc22，耐磨性為 0. 60 0. 65X10—5ML。 本發(fā)明還提供樂上述熱壓金剛石鉆頭的制備方法，具體包括以下步驟
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(1)用熱壓方法或電鍍方法預(yù)制柱狀金剛石復(fù)合體； (2)在模具中將柱狀金剛石復(fù)合體按規(guī)律分散定位在作為支撐體的合金粉末中， 通過中頻電爐熱壓燒結(jié)成金剛石鉆頭。 步驟(1)采用熱壓方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是首先以碳化鎢-青銅基材料為胎體材 料，金剛石品級(jí)為SMD3。 ^，金剛石濃度為90% 100%，將胎體材料和金剛石分別稱量后 混合均勻，然后一次性裝入模具內(nèi)后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，經(jīng)冷卻、脫模和表面去氧化皮后即為金 剛石復(fù)合體，制得金剛石復(fù)合體形狀為方柱狀或圓柱狀，其直徑為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm ;制得金剛石復(fù)合體的硬度為HRc35 45，耐磨性為0. 32 0. 40X 10—5ML。
步驟(1)用電鍍方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是采用電鍍金剛石鉆頭的鎳-鈷合金鍍液 及其電鍍工藝，以鎳-鈷合金材料為胎體材料，金剛石品級(jí)為SMD^ ，金剛石濃度95% 105% ;制得形狀為方柱狀，方柱邊長(zhǎng)為3. 5 5. 5mm、長(zhǎng)度為6 8mm，硬度為HRc32 38， 耐磨性為0. 35 0. 45X 10—5ML的金剛石復(fù)合體。 本發(fā)明采用逆向思維方法，對(duì)于鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層的鉆頭，不是采用軟 而研磨性低的胎體，而是采用硬而較高耐磨性的胎體制備成鉆頭的主體部分，即金剛石復(fù) 合體部分，用于破碎巖石。鉆頭的工作底唇面積的45% 60%為金剛石復(fù)合體，比普通金 剛石鉆頭工作層少55 40%的面積，在相同的鉆進(jìn)壓力下提高了鉆頭的單位面積鉆壓，而 且能夠?qū)崿F(xiàn)多刀多刃的效果，提高了鉆進(jìn)速度。支撐體用以包鑲和支撐金剛石復(fù)合體，提高 鉆頭的整體結(jié)合強(qiáng)度。支撐體不具備破碎巖石的能力，因而其硬度較低、耐磨性也較低，消 耗鉆壓很小。設(shè)計(jì)支撐體的目的，解決了金剛石復(fù)合體的規(guī)格較小、其抗彎強(qiáng)度較小以及與 鉆頭剛體的結(jié)合強(qiáng)度不夠的問題。 研究與試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明的金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖石時(shí)，與 普通鉆頭相比，鉆進(jìn)速度能提高2. 5倍以上，鉆頭的使用壽命提高2倍以上，鉆探成本明顯 下降，從根本上解決了長(zhǎng)期以來這類巖層鉆進(jìn)難的問題。
說明書附圖

圖1、圖2、圖3、圖4為本發(fā)明提供的金剛石復(fù)合體分散規(guī)律不同的熱壓金剛石鉆 頭的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l.金剛石復(fù)合體，2.支撐體，3.水口。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的熱壓金剛石鉆頭至少包括切削單元和水口 3，切削單元金剛石復(fù)合 體1和支撐體2，若干金剛石復(fù)合體1分散于支撐體2中，金剛石復(fù)合體1中金剛石濃度為 90% 105%，鉆頭的工作底唇面積的45% 60%為金剛石復(fù)合體。金剛石復(fù)合體的硬度 為HRc35 48，耐磨性為0. 32 0. 45X 10—5ML。支撐體為鐵-鎳-錳-青銅合金，其中鐵 占45% 52%，鎳占10% 15%，錳占3% 5%，銅合金占30 35%，其硬度為服020 HRc22，耐磨性為0. 60 0. 65X 10—5ML，支撐體的硬度低、耐磨性低；主要作用是在熱壓條件 下牢固地包鑲金剛石復(fù)合體并和鉆頭剛體實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力結(jié)合。金剛石復(fù)合體1呈柱狀，為方柱 狀或圓柱狀，邊長(zhǎng)或直徑為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm。金剛石復(fù)合體按二環(huán)或三環(huán)排 列規(guī)律分散于支撐體中，如圖1、圖2、圖3所示為金剛石復(fù)合體按三環(huán)排列規(guī)律分散于支撐 體中，即切削單元內(nèi)的若干柱狀金剛石復(fù)合體沿切削單元徑向和切削運(yùn)動(dòng)方向錯(cuò)落分布，以保證每個(gè)金剛石復(fù)合體破碎巖石量相等，鉆頭環(huán)狀孔底巖石被有效切削掉；如圖3所示 為金剛石復(fù)合體按二環(huán)排列規(guī)律分散于支撐體中，即切削單元內(nèi)的金剛石復(fù)合體的規(guī)格不 相等，其不同規(guī)格的復(fù)合體優(yōu)化組合成不同規(guī)格鉆頭的切削單元。切削單元內(nèi)的金剛石復(fù) 合體長(zhǎng)度《切削單元徑向長(zhǎng)度，長(zhǎng)度等于切削單元徑向長(zhǎng)度的柱狀金剛石復(fù)合體分布于長(zhǎng) 度小于切削單元徑向長(zhǎng)度的柱狀金剛石復(fù)合體的兩側(cè)。每個(gè)切削單元內(nèi)的金剛石復(fù)合體覆 蓋鉆頭孔底環(huán)狀破碎面，金剛石復(fù)合體重疊的系數(shù)為2% 3%。金剛石復(fù)合體采用熱壓方 法或電鍍方法預(yù)制成，可以通過調(diào)整金剛石復(fù)合體的配方與金剛石參數(shù)，獲得不同的工作 性能，滿足鉆進(jìn)可鉆性為9 12級(jí)高硬度巖石的需要。 下面對(duì)金剛石復(fù)合體、支撐體以及熱壓金剛石鉆頭制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
(1)金剛石復(fù)合體 本發(fā)明從堅(jiān)硬致密弱研磨性巖石的力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，研究其破碎機(jī)理，認(rèn)識(shí)到鉆進(jìn) 該類巖石必須采用大而合理的鉆壓，使得金剛石能夠有效地切入巖石中；由于鉆桿柱的結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)和鉆壓值有限，只能優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆頭的工作層面積，使得單位面積上的鉆壓值能夠達(dá) 到有效的切入巖石中，才能保證鉆頭有效鉆進(jìn)。通過計(jì)算和優(yōu)化后，得出鉆頭的工作層面積 為鉆頭工作層面積的45 60%最佳，能滿足鉆頭在可鉆性9 12級(jí)巖石范圍內(nèi)，能夠獲得 好的鉆進(jìn)效果。 通過分析與試驗(yàn)，金剛石復(fù)合體的硬度在HRc32 HRc45范圍合理，其耐磨性為
0. 32 0. 45X 10—5ML范圍能保證金剛石有好的出刃和切入效果。金剛石復(fù)合體的性能調(diào)
節(jié)主要通過調(diào)整復(fù)合體的成分含量比與金剛石參數(shù)(粒度與濃度)來實(shí)現(xiàn)。 由于地質(zhì)勘探用的鉆頭規(guī)格多，對(duì)金剛石復(fù)合體的規(guī)格必定有不同要求，為了滿
足不同鉆頭的需要，可以設(shè)計(jì)出多種規(guī)格的金剛石復(fù)合體，由不同規(guī)格的復(fù)合體組合使用，
比較靈活、方便；同時(shí)，還能提高復(fù)合體在支撐體中的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)多刀、多刃的結(jié)構(gòu)，
提高破碎巖石的效果。①方柱狀邊長(zhǎng)3. 5 5. 5mm ;其高均為6 8mm。②圓柱狀直徑
4) 3. 5 5. 5mm ;其高均為6 8mm。 (2)金剛石復(fù)合體預(yù)制 金剛石復(fù)合體可以采用熱壓的方法或采用電鍍方法預(yù)制。
①熱壓方法 采用熱壓方法預(yù)制金剛石復(fù)合體，采用高強(qiáng)度、高密度的石墨為材料，加工出石 墨模具。首先將碳化鎢_鎳_錳_青銅材料等胎體材料和金剛石分別按比例稱量后混合 均勻，再分別稱量出每個(gè)復(fù)合體的重量裝入模具內(nèi)后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，經(jīng)冷卻、脫模和表面 去氧化皮后即為金剛石復(fù)合體。制得的金剛石復(fù)合體形狀為方柱狀或圓柱狀，其直徑為 3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm ;制得金剛石復(fù)合體的硬度為HRc35 45，耐磨性為0. 32 0. 40 X 10—5ML。其中，金剛石復(fù)合體的胎體材料中，碳化鎢占45% 55%，鎳占7% 9%， 錳占2% 4%，青銅占28% 35% ;金剛石品級(jí)為SMD3。 w金剛石濃度為90% 100%。
②電鍍方法 用電鍍方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是采用電鍍金剛石鉆頭的鎳_鈷合金鍍液及其電 鍍工藝，經(jīng)過一定時(shí)間的電鍍，即可電鍍出各種規(guī)格的金剛石復(fù)合體。其中金剛石復(fù)合體的 胎體材料為鎳-鈷合金材料，金剛石品級(jí)為SMD25 3。，金剛石濃度95% 105% ;制得形狀為 方柱狀的金剛石復(fù)合體，其邊長(zhǎng)為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm ;制得硬度為HRc32 38，耐磨性為0. 35 0. 45X 10—5ML的金剛石復(fù)合體。
(3)支撐體 支撐體在鉆頭中是包鑲金剛石復(fù)合體和聯(lián)結(jié)鉆頭剛體的重要部分，它只在鉆頭成 型熱壓時(shí)才體現(xiàn)出它的作用和價(jià)值。它的基本成分為鐵、鎳、錳與銅合金，其中，鐵占45% 52%，鎳占10% 15%，錳占3% 5%，銅合金占30 35%，支撐體的硬度較低(HRc20 HRc22)，耐磨性亦較低(0.60 0.65X10—5ML)。調(diào)節(jié)基本成分的含量比例，可以適當(dāng)調(diào)整 支撐體的硬度與耐磨性，以適應(yīng)巖石變化的要求。支撐體材料應(yīng)按照設(shè)計(jì)方案稱量、混料， 備用。 (4)鉆頭組裝與熱壓成型 采用高強(qiáng)度、高密度的石墨材料，經(jīng)機(jī)械加工制成熱壓鉆頭的模具。采用類似普通 熱壓鉆頭的裝模方法，將金剛石復(fù)合體按設(shè)計(jì)的方案，依據(jù)鉆頭類別與規(guī)格，分二環(huán)或三環(huán) 排列(見說明書附圖)，有選擇和有規(guī)律地固定在模具內(nèi)，然后加入支撐體金屬粉末，加入 保徑材料，即完成燒結(jié)鉆頭的模具組裝。 組裝好的模具送入中頻爐內(nèi)，送水，啟動(dòng)中頻電爐進(jìn)行熱壓燒結(jié)。在設(shè)定的工藝條 件下，經(jīng)過一定時(shí)間的熱壓燒結(jié)完成鉆頭的制造。
權(quán)利要求
一種熱壓金剛石鉆頭，至少包括若干切削單元和水口，其特征在于切削單元包括支撐體和若干分散于支撐體中的金剛石復(fù)合體，金剛石復(fù)合體中金剛石濃度為90％～105％，鉆頭的工作底唇面積的45％～60％為金剛石復(fù)合體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱壓金剛石鉆頭，其特征在于金剛石復(fù)合體呈柱狀，為方柱狀或圓柱狀，邊長(zhǎng)或直徑為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱壓金剛石鉆頭，其特征在于金剛石復(fù)合體按二環(huán)或三環(huán)排列規(guī)律分散于支撐體中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱壓金剛石鉆頭，其特征在于每個(gè)切削單元內(nèi)的金剛石復(fù)合體覆蓋鉆頭孔底環(huán)狀破碎面，金剛石復(fù)合體間的重疊系數(shù)2 % 3 % 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱壓金剛石鉆頭，其特征在于金剛石復(fù)合體的硬度為HRc32 45，耐磨性為0. 32 0. 45X10—5ML。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱壓金剛石鉆頭，其特征在于支撐體為鐵一鎳_錳_青銅合金，其硬度為HRc20 HRc22，耐磨性為0. 60 0. 65X 10—5ML。
7. 權(quán)利要求1所述熱壓金剛石鉆頭的制備方法，其特征是包括以下步驟(1) 用熱壓方法或電鍍方法預(yù)制柱狀金剛石復(fù)合體；(2) 在模具中將柱狀金剛石復(fù)合體按規(guī)律分散定位在作為支撐體的合金粉末中，通過中頻電爐熱壓燒結(jié)成金剛石鉆頭。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述熱壓金剛石鉆頭的制備方法，其特征是步驟(1)采用熱壓方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是首先以碳化鎢_青銅基材料為胎體材料，金剛石品級(jí)為SMD3。 35，金剛石濃度為90% 100%，將胎體材料和金剛石分別稱量后混合均勻，然后一次性裝入模具內(nèi)后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，經(jīng)冷卻、脫模和表面去氧化皮后即為金剛石復(fù)合體，制得金剛石復(fù)合體形狀為方柱狀或圓柱狀，其邊長(zhǎng)或直徑為3. 5 5. 5mm，長(zhǎng)度為6 8mm ;制得金剛石復(fù)合體的硬度為HRc35 45，耐磨性為0. 32 0. 40X 10—5ML。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述熱壓金剛石鉆頭的制備方法，其特征是步驟(1)用電鍍方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是采用電鍍金剛石鉆頭的鎳_鈷合金鍍液及其電鍍工藝，以鎳_鈷合金材料為胎體材料，金剛石品級(jí)為SMD^ 3。，金剛石濃度95X 105%;制得形狀為方柱狀，方柱邊長(zhǎng)為3. 5 5. 5mm、長(zhǎng)度為6 8mm，硬度為HRc32 38，耐磨性為0. 35 0. 45 X 10—5ML的金剛石復(fù)合體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱壓金剛石鉆頭及其制造方法。該鉆頭至少包括若干切削單元和水口，切削單元包括支撐體和若干分散于支撐體中的金剛石復(fù)合體，金剛石復(fù)合體中金剛石濃度為90％～105％，鉆頭的工作底唇面積的45％～60％為金剛石復(fù)合體。制備方法先采用熱壓方法或電鍍方法預(yù)制金剛石復(fù)合體；然后在模具中將柱狀金剛石復(fù)合體分散定位在作為支撐體的合金粉末中，通過中頻電爐熱壓燒結(jié)成金剛石鉆頭。這種熱壓金剛石鉆頭具有出刃好，效率高，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，能夠有效鉆進(jìn)硬至堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層，從根本上解決了長(zhǎng)期困擾鉆探界的難題。
文檔編號(hào)E21B10/55GK101725324SQ200910272930
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者方小紅, 楊凱華, 楊展, 潘秉鎖 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)