CN1005344B - 低温电镀金刚石异形钻头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为用于“打滑”地层低温电镀金刚石异形钻头，采用低温电镀把人造金刚石的胎体包镶于钻头上，选用镍基等不同的软胎体配合，以不同的钻头底唇形状，通过特殊的电镀溶液配方及加工工艺，在室温的条件下制造出特型或新型电镀金刚石钻头。在典型的坚硬致密“打滑”地层钻进，使该类钻头平均寿命延长，平均小时效率提高，把电镀复合片镶焊新技术用于钻头上，也同样取得上述的显著经济效果。

Description

低温电镀金钢石异形钻头及其制造方法

本发明与地质勘探领域内寿命长、时效高的人造金刚石钻头有关，尤其适用于典型的坚硬致密“打滑”地层。

常规钻头在“打滑地层”使用，很难钻进，时效极低而且寿命短。不同性能的钻头在同样地层钻进其打滑程度并不一样，说明打滑与钻头性能有关常规钻头在坚硬、致密、研磨性弱的地层钻进之所以打滑，主要原因是金刚石与胎体消耗不匹配，突出表现是钻头底唇金刚石不能自动出刃或出刃高度不够。

本发明的目的是提供一种在坚硬致密打滑地层钻进时具有长寿命和高效率的电镀金刚石异形钻头以及一种制造上述钻头等金刚石切削工具时使用的低温电镀方法。

要克服钻头打滑，一方面必须改变钻头性能，使胎体易于消耗而促使金刚石出刃;既降低钻头胎体耐磨性同时，环状孔底的岩石性能也是可以改变的，因为岩石的基本性质是单向应力最小，二向应力次之，三向应力最大。而且岩石的抗拉强度大大地小于岩石的抗压强度。利用这些性质改变钻头结构，能够达到改变破碎岩石的性质，即部分转化或降低岩石的力学性能，使之易于破碎岩石。改进就从这二方面着手。在“打滑”地层钻进，主要矛盾首先是时效，因此新型、改进的钻头要具有较高的时效，同时也应当指出在这种“打滑”地层中不可望有较高的机械钻速，而且时效与寿命或其乘积在一定条件下是一个常数，这就决定了钻头性能的各参数间须有一个合理的搭配，达到即能有效地克服钻头打滑又能使钻头具有一定的寿命，获得较好的经济效益。

综上所述，首先是降低钻头胎体耐磨性，亦即提高其磨损率或磨料的磨损率，因此在相同条件下要促使钻头底唇金刚石出露，就得设法降低包镶金刚石的胎体硬度，也就是提高其磨损速率。

按照本发明的低温电镀金刚石异形钻头的形状包括有：

高低锯齿形钻头，它具有垂直圆周方向的高和低两排锯齿，并由数目相等的若干高低锯齿相间组成，它们在圆周上均匀分布;

单边凸起型钻头，它具有垂直圆周方向的内凸块和外凸块，并由数目相等的若干内、外凸块相间组成，它们在圆周上均匀分布;

凹凸型钻头，它具有垂直圆周方向的正常凸块和凸凹形凸块，并由数目相等的若干正常凸块和凸凹形凸块相间组成，它们在圆周上均匀分布;

低温电镀复合片钻头，它采用低温电镀方法制成的金刚石-硬质合金片镶合在钻头本体的镶嵌槽内，再用低温电镀把复合片牢牢镶焊在钻头本体的槽内。

在按照本发明的低温电镀金刚石异形钻头制造方法中，对上述钻头进行低温电镀时所采用的镍钴溶液配方中，通过控制钴离子和镍离子的浓度比值，可以控制电镀层或胎体合金的成分比值，试验表明合金成分比值改变，其胎体硬度性能也相应改变。这样，根据电镀工艺的不同，便可获得坚硬致密“打滑”地层中所需的钻头胎体性能。

现在对照以下简图对本发明的低温电镀金刚石异形钻头的结构进行详细描述：

图1是高低锯齿型钻头剖视图;

图2是图1的端视图;

图3是单边凸起型钻头剖视图;

图4是图3的端视图;

图5是图3所示单边凸起型钻头剖视图;

图6是图5的A-A剖面图（内凸块）;

图7是图5的B-B剖面图（外凸块）;

图8是凹凸型钻头剖视图;

图9是图8的端视图。

图2中的1为高低锯齿型钻头第一排垂直圆周方向的高锯齿，2为第二排垂直圆周方向的低锯齿，它是由若干个高低锯齿相间组成且数目相等，在圆周上均匀分布。低锯齿2离孔底还有4～5毫米高，略小于孕镶层厚度，只有高齿的金刚石层磨耗将尽时，低齿才能逐渐参加工作，以提高钻头寿命。这种高低齿底唇结构，大大地减少了与岩石的接触面积，图1中的3是锯齿唇面倾角约10°～15°所以其面积是逐步增大，最大时也只占钻头底唇圆环面积的38～42%，由于只是若干个高齿尖端接触岩石，则破碎岩石的压力更大，因此提高了摩擦系数和摩擦力，有利于岩石体积粉碎，产生较大颗粒岩粉，研磨胎体能力增强，促使金刚石出露，提高机械钻速。图3中的4为单边凸起型钻头的内凹块（见图6）5为它的外凸块（见图7），它是由若干个垂直于圆周方向的内外凸块相间组成且数目相等在圆周上均匀分布。图6中的6为内凸块孕镶的金刚石层。图7中的7为外凸块孕镶的金刚石层，所以该钻头底唇面约有30～40%面积孕镶有金刚石层用它来破碎岩石与普通钻头相比就大大地提高了金刚石破碎岩石的压力，有利于提高切入深度。

钻头底唇约有25～30%的面积是始终不接触孔底岩石的空白部分，这部分岩石是靠相邻内、外两边凸块侧面的振动挤压作用来破碎的，这些被挤碎的岩屑较粗，有利于研磨胎体促使金刚石出露，同时该钻头底唇水路面积实际上为65%大大改善了冷却条件，充分地保护了金刚石免受高温损伤，有利于提高钻头寿命。

特别指出该钻头由于底唇内、外凸块是相隔交错变化，使孔底环状岩石的台阶自由面也内外相应变更，造成孔底岩石始终不平整，与钻头唇面接触始终不吻合，这对于钻进坚硬地层克服钻头打滑是很有利的。

图6中的8为凹凸型钻头的正常凸块，9为凹凸型钻头的凹凸型凸块，它有若干个垂直圆周方向的正常凸块和凸凹型凸块相间组成且数目相等，并在圆周上均匀分布。

凹凸型钻头和单边凸起型钻头碎岩过程基本相似，所不同的是凹凸型钻头能在孔底留下两处金刚石破碎不到的空白部分，因而有两处靠钻头振动挤压作用产生岩屑，同时在孔底能形成两个台阶，＊个自由面，有利于破碎岩石，克服钻头打滑。

现在详细介绍按照本发明的低温电镀钻头的制造方法，如前所述，在所用镍钴溶液配方中，通过控制钴离子和镍离子的浓度比值，可以控制电镀层或胎体合金的成分比值。试验表明合金成分比值改变，其胎体硬度性能也相应改变。这样，根据电镀工艺的不同，便可获得坚硬致密“打滑”地层中所需钻头胎体性能。

电镀过程中，若不随时添加钴盐，补充钴离子，硫酸钴将随电镀时间的增长而降低其浓度，因为钴离子在阴极还原沉积后，得不到补充。而硫酸镍的含量基本上不受电镀时间的影响。

根据上述的规律所研制的钻头胎体通过化学分析得出下图的规律。

Ⅰ为硫酸镍浓度变化曲线

Ⅱ为硫酸钴浓度变化曲线

从上图测知硫酸钴的含量基本上匀速递减，递减速率均为1.5克/72小时，硫酸镍的含量基本不变。

若改变溶液成分比，如降低硫酸钴浓度，所测定的硫酸镍或硫酸钴的变化曲线，其变化趋势与上图相仿所不同的只是硫酸钴的递减速率降低约0.4克/72小时下图为硫酸钴、硫酸镍溶液所沉积胎体金属成分连续变化时的硬度变化曲线。

Ⅰ为钴含量较高时的硬度化曲线

Ⅱ为钴含量较高低时的硬度变化曲线

从上述图表说明改变溶液成分可以获得性能不同的胎体金属，胎体硬度H_RC45和H_RC35两种电镀钻头分别适用于坚硬、研磨性强和研磨性中等的岩石而H_RC25的电镀人造金刚石孕镶钻头适用于坚硬、致密、研磨性弱的“打滑”地层。

根据所需的胎体性能要求及上述试验测定的变化规律便可确定溶液配方、电镀规范及工艺规程如下：

对用于研磨性弱的岩石胎体的电镀溶液成分及配比。

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 100～200克/升

硫酸钴（CoSO₄·7H₂O） 10～20克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

对用于研磨中等的岩石，胎体的电镀溶液成分及配比

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 150～300克/升

硫酸钴（CoSO₄·H₂O） 20～40克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

对用于研磨性强的岩石胎体的电镀溶液成分及配比

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 150～300克/升

硫酸锰（MnSO₄·7H₂O） 10～20克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

电镀规范

上述三种溶液成分均采用统一的电镀规范：

电流密度 0.8～1.6安培/公分²

酸度 3.5～4.1

温度 30～40℃

其次是改变钻头底唇形状，对于各种打滑地层，软胎体钻头并不都能行之有效或者说采用耐磨性低的软胎体钻头不是适应“打滑”层钻进的唯一途径。

钻头胎体的磨损主要靠岩粉的冲蚀与研磨，而在某些打滑地层钻进，岩粉很细很少，甚至根本不产生岩粉，因此即使软胎体也难磨损而使金刚石出露，为此在这种地层钻进，须设法增加作用在金刚石上的比压，同时还须设法提高钻头回转时的摩擦阻力，也就是提高岩石与钻头之间的摩擦系数。

在钻进过程中加增底唇金刚石的比压或单位压力，单靠增加钻机给进的轴向载荷并不是合理的办法，因为这不仅受到了钻具管材强度、机械性能和功率大小的限制，而不能过大地增加轴向载荷来满足压入坚硬岩石的压力需要，同时，根据摩擦学原理知道，钻头上金刚石的比压（或压力）并不与轴载成正比。另外，由于提高了金刚石与岩石接触面上的比压;对于提高其摩擦系数是有利的，虽然摩擦系数与表现接触面积无关因而与轴向载荷无关。这是指单位压力很小时，摩擦系数保持常数，但是当单位压力增加到一定值以后，其摩擦系数将与摩擦付两偶件的接触状态有关。

因为，单位压力增加到一定值以后，两偶件接触表面的氧化膜破坏，冷却润滑剂也会挤掉，岩石与金刚石间的分子吸附作用增强，此时摩擦系数会随着压力的增加而有所增加。同时由于压力增加，接触温度会升高，金刚石与岩石接触处的强度会有所降低，亦即其物理学性质会有所改变，因而摩擦系数也随之增大。

根据以上原理，有三种不同底唇形状适用于打滑地层钻进的人造金刚石孕镶钻头实例。

另一个新的突破是采用低温电镀方法制造金刚石-硬质合金片复合片，以及用电镀方法把复合片镶焊在钻头的本体上。

这种新方法的主要优点

1.金刚石层与硬合金属粘结牢固，金刚石不受热损伤，有耐磨损，耐冲击且韧性高。

2.采用低温电镀复合片工艺，设备简单，成本低只有国外复合片单价的十分之一的成本，而且成形方便可生产半圆形、方形、椭圆形等。

3.低温电镀复合片石油钻头（或地质钻头等）国内外目前均采用银焊等焊结工艺来镶嵌固定复合片，它的缺点是温度高，容易使复合片的金刚石层与硬合金金属层产生裂纹，因为它们的热膨胀系数不同，高温下的热应力使它产生微裂纹，因而在使用中容易使金刚石层与硬合金的电镀层开裂。

我们采用低温电镀工艺镶焊复合片钻头完全克服了高温的不良影响，而且镶焊牢固，不仅保证了金刚石层不开裂，而且保证复合片不脱落使其充分发挥作用。

Claims (32)

1、低温电镀金刚石异形钻头，其特征在于，这种钻头的形状包括有：

高低锯齿型钻头，它具有垂直圆周方向的高和低两排锯齿，并由数目相等的若干高低锯齿相间组成，它们在圆周上均匀分布;

单边凸起型钻头，它具有垂直圆周方向的内凸块和外凸块，并由数目相等的若干个内、外凸块相间组成，它们在圆周上均匀分布;

凹凸型钻头，它具有垂直圆周方向的正常凸块和凹凸形凸块，并由数目相等的若干正常凸块和凹凸形凸块相间组成，它们在圆周上均匀分布;

低温电镀复合片钻头，它采用低温电镀方法制成金刚石-硬质合金片并镶嵌在钻头本体的镶嵌槽内，再用低温电镀把复合片牢牢镶焊在钻头本体的槽内。

2、根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述高低锯齿型钻头的高低锯齿的高度相差4～5毫米，略小于孕镶层厚度。

3、根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述高低锯齿型钻头的锯齿唇面倾角约10～15°，其面积最大时钻头底唇圆环面积的38～42%。

4、根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述高低单边凸起型钻头的底唇面约30%～40%的面积孕镶有金刚石层。

5、根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，钻头底有25%～30%的面积是始终不接触孔底岩石的空白部分。

6、根据上述权利要求之一所述钻头等金刚石切削工具的制造方法，其特征在于：

（1）针对研磨性弱的岩石胎体的电镀溶液的成分及配比（重量%）为：

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 100～200克/升

硫酸钴（CoSO₄·7H₂O） 10～20克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

（2）针对研磨性中等的岩石胎体的电镀溶液的成分及配比（重量%）为：

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 150～300克/升

硫酸钴（CoSC₄·7H₂O） 20～40克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

（3）针对研磨性强的岩石胎体的电镀溶液成分及配比（重量%）为：

硫酸镍（NiSO₄·7H₂O） 150～300克/升

硫酸锰（MnSO₄·7H₂O） 10～20克/升

硼酸（H₃BO₃） 10～30克/升

氯化钠（NaCl） 15～25克/升

其余为水;

以上三种溶液成分均采用统一的电镀规范：

电流密度 0.8～1.6安培/公分²

酸度 3.5～4.1

温度 30～40℃

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