孕镶金刚石楔形切削齿的制备、镶嵌钻头的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，利用YG12、Ni、Cu

【技术实现步骤摘要】
孕镶金刚石楔形切削齿的制备、镶嵌钻头的方法及应用


[0001]本专利技术提供了一种在地质勘探与开发、深部钻探以及钻进硬至坚硬而致密岩石所用的孕镶金刚石楔形切削齿即金刚石钻头的制造方法，属于地质勘探与深部钻探工程领域，同时也属于粉末冶金材料及其工具领域。

技术介绍

[0002]近二十年来，深部钻探和深部地学研究发展迅速，钻遇的岩石级别变化大，岩性复杂，钻进难度大，需要具有独特性能的金刚石钻头适应这个快速的变化；特别是深部岩层的硬度高、致密度高，钻进速度低，施工周期长，造成钻探施工成本高。金刚石钻头的性能及质量与钻头结构、制造钻头的方法及其工艺参数有着密切的相关性；实践表明从钻头的结构与性能、制造方法和工艺参数出发进行研发，是一条提高孕镶金刚石钻头质量和适应性的切实可行的途径。
[0003]在我国，目前得到应用的制造孕镶金刚石钻头的方法主要有热压方法、电镀方法及无压浸渍方法等，这些方法对于研制高适应性的孕镶金刚石钻头始终没有突破。而冷压成型烧结方法、钎焊方法等几种方法由于存在不同程度的不足，一直未得到推广应用。
[0004]热压方法是我国主要的制造孕镶金刚石钻头的方法，但由于受钻头传统性胎体材料体系的束缚，以及与之配合的热压工艺参数缺乏科学性，以至普通热压方法制造的孕镶金刚石钻头的性能一直不能满足深部钻探生产的要求。
[0005]非常规热压方法是一种新思维的、科学的制造孕镶金刚石钻头的方法，经过两年多的试验研究，非常规热压孕镶金刚石钻头胎体的实际密度可达理论密度的98.8％，比普通热压方法的实际密度提高1.2％左右；经过两轮的试验、测试和研究表明，非常规热压方法在降低胎体内部孔隙的同时，还能改善孕镶金刚石钻头胎体的组织结构，全面提升孕镶金刚石钻头胎体的力学性能。
[0006]非常规热压方法必须重新研究，重新设计孕镶金刚石钻头的胎体材料体系，研究非常规热压参数与孕镶金刚石钻头胎体材料的优化配合，是本专利技术制造孕镶金刚石楔形切削齿镶嵌式钻头的技术基础，楔形切削齿结构的优势是本专利技术制造新型孕镶金刚石钻头的科学基础。
[0007]同时，传统的热压孕镶金刚石钻头的结构单一，存在居多的不合理性，钻头与孔底岩石为全面积型接触；钻进硬而致密岩石时，破碎岩石的方式为磨削和研磨方式为主，钻进效率必然低下，难以实现高效与长寿命钻进效果。
[0008]由上述可知，采用普通的热压方法，很难制造出具有高硬度、高耐磨性的优质孕镶金刚石钻头，难以制造高效、长寿命的孕镶金刚石钻头，多年来一直在不理想的水平上徘徊，得不到实质性的突破。

技术实现思路

[0009]本专利技术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。
[0010]本专利技术还有一个目的是提供一种钻头用孕镶金刚石楔形切削齿和一种镶嵌孕镶金刚石楔形切削齿钻头的方法及应用。通过创新孕镶金刚石钻头的工艺参数以及钻头切削齿胎体材料体系与热压工艺参数配合现状，以提高本专利技术孕镶金刚石钻头破碎岩石的特有优势，提升孕镶金刚石钻头高硬度与高耐磨性特征，同时兼顾胎体包镶金刚石的强度高和金刚石的出刃效果良好，可以实现高效、长寿命的钻进目标。
[0011]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，将楔形切削齿的制备材料按照要求装入三高石墨模具内，置于中频热压烧结炉中，启动烧结程序，出炉，成型，脱模，得孕镶金刚石楔形切削齿；
[0012]烧结程序中温度为985～1040℃、压力为20～30MPa、保温保压时间为7.0～9.0min，保温、保压后随炉冷却至650～700℃出炉；
[0013]烧结程序中前4min升温速度为100℃/min，之后以110℃/min速度升温，温度达到600℃时压力升至6MPa。
[0014]非常规热压方法极大地提高了对楔形齿的高温、高压作用，提高了金属粉末颗粒的相对滑动、破碎和塑性变形，加快颗粒的重排、体积扩散机制，加速切削齿胎体的致密化进程，因而大大加强了金属粉末之间以及金属粉末与金刚石之间的交互作用和有效融合，孕镶金刚石楔形齿性能优良，有利于提高本专利技术钻头高效破碎岩石。
[0015]具体的，楔形切削齿包括一体成型的非金刚石层固结部和金刚石层楔形工作部，所述非金刚石层固结部镶嵌在钻头的底唇面扇形体内，所述非金刚石层固结部的直径为10～16mm，所述金刚石层楔形工作部底部直径为10
‑
16mm、顶部宽度为5
‑
8mm、高度为12～15mm、楔形角度α为15～22
°
，所述切削齿的全高为25～30mm。
[0016]由于楔形切削齿的形状与结构参数优化，切入硬而致密岩石的阻力小，切入岩石较深，孔底岩石以分环、分别方式得以破碎，可以实现体积方式破碎岩石，提高钻进效果。
[0017]利用楔形切削齿的科学结构与参数以及有利切入岩石的形状，能够实现有效破碎坚硬致密岩石，并且随着钻进的进行，楔形齿能够实现自锐的作用与效果，可实现高效、长寿命的钻进目标。
[0018]优选的是，所述楔形齿分为Ⅰ型齿和Ⅱ型齿(见图2与图3)，所述Ⅰ型齿上部一侧向内发生倾斜为单侧楔面，所述Ⅱ型齿上部两侧均向内发生倾斜为双侧楔面。
[0019]Ⅰ型以切削岩石为主，同时兼顾本钻头必要的内外保径作用，不致影响整个钻头钻进效果与使用寿命；Ⅱ型位于钻头工作体环形中部，起着掏槽、破碎岩石的作用，两者完美配合(图1)，可以实现高效破碎岩石的效果。
[0020]具体的，所述非金刚石层固结部由胎体材料制备而成，所述金刚石层楔形工作部由胎体材料和金刚石混合制备而成；
[0021]所述胎体材料为300～320目的金属粉末，包括YG12、Ni、Cu
‑
Re、Fe四种金属粉；
[0022]所述金刚石包括粒度为30
‑
40目的金刚石和40
‑
50目的金刚石。
[0023]该胎体材料与金刚石有很好的亲和性，在非常规热压条件下能够与金刚石发生有效的交互作用，实现有效融合。
[0024]与普通热压金刚石钻头不同的是，本专利技术钻头的胎体材料中Cu
‑
Re合金含量低，YG12骨架材料含量高，Ni与Fe可以替代金属Co，能够确保孕镶金刚石楔形齿必须具备的高硬度与耐磨性。Cu
‑
Re合金指的是Cu与稀土金属镧和锶的合金材料。
[0025]胎体成份YG12、Ni、Cu
‑
Re、Fe四种超细金属粉在钻头胎体中有很好的互补作用，起着提高钻头胎体综合机械强度的作用；同时起着有效粘结和包镶金刚石的作用，孕镶金刚石楔形齿的综合力学性能优良。
[0026]本专利技术钻头的切削齿胎体中不含普通热压方法制造孕镶金刚石钻头时所必需的Cu
‑
Sn合金或Cu
‑
Sn
‑
Zn合金，有利于在非常规热压条件下胎体金属材料实现固相烧结成型，不仅实现孕镶金刚石钻头的耐磨性高，同时兼顾金刚石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，其特征在于，将楔形切削齿的制备材料按照要求装入三高石墨模具内，置于中频热压烧结炉中，启动烧结程序，出炉，成型，脱模，得孕镶金刚石楔形切削齿；烧结程序中温度为985～1040℃、压力为20～30MPa、保温保压时间为7.0～9.0min，保温、保压后随炉冷却至650～700℃出炉；烧结程序中前4min升温速度为100℃/min，之后以110℃/min速度升温，温度达到600℃时压力升至6MPa。2.如权利要求1所述的钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，其特征在于，包括一体成型的非金刚石层固结部和金刚石层楔形工作部，所述非金刚石层固结部镶嵌在钻头的底唇面扇形体内，所述非金刚石层固结部的直径为10～16mm，所述金刚石层楔形工作部底部直径为10
‑
16mm、顶部宽度为5
‑
8mm、高度为12～15mm、楔形角度α为15～22
°
，所述切削齿的全高为25～30mm。3.如权利要求2所述的钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，其特征在于，所述楔形切削齿分为Ⅰ型齿和Ⅱ型齿，所述Ⅰ型齿上部一侧向内发生倾斜为单侧楔面，所述Ⅱ型齿上部两侧均向内发生倾斜为双侧楔面。4.如权利要求2所述的钻头用孕镶金刚石楔形切削齿的制备方法，其特征在于，所述非金刚石层固结部由胎体材料制备而成，所述金刚石层楔形工作部由胎体材料和金刚石混合制备而成；所述胎体材料为300～320目的金属粉末，包括YG12、Ni、Cu
‑
Re、Fe四种金属粉；所述金刚石包括粒度为30
‑
40目的金刚石和40
‑
50目的金刚石。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨展，方小红，谭松成，段隆臣，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：