CN103015903B - 添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法。工艺为：分别将氧化铝空心球和金刚石进行制粒敷膜，再将敷膜的氧化铝空心球、金刚石和经球磨的钻头胎体粉料与胶黏剂混匀，按各规格钻头需材量称重装入石墨模具内，压上钻头钢基体送入中频电炉和压力机组合的一体机中烧结；热压压力15～16MPa，炉温950～960℃，保温4～5min，815～830℃出炉，出炉后在保温条件下缓冷至室温，脱模，制成本发明的钻头。本钻头的扇形切削工作块中金刚石体积浓度为11%～13%，氧化铝空心球体积浓度为12%～18%。制成的钻头用于硬至坚硬致密岩石中钻进，比普通金刚石钻头的钻进时效平均提高95%，使用寿命提高80%。

Description

添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，属于地质工程学科领域中土层或岩石的钻进领域。

背景技术

至今为止我国开始研制人造金刚石钻头已有半个世纪。目前的金刚石钻头具有较好的性能，可以获得较高的经济技术指标。但是，随着向深部找矿方向的发展，岩层越来越坚硬致密，钻进速度变得很低，一般均在0.5m/h以下，有时需要3个小时才能钻进一米；很多时侯一个钻孔虽然只有十几米的坚硬致密岩石，必须花上几天甚至十几天的时间钻进，才能通过这层坚硬而致密的岩层，这种状况已严重地影响了钻探工程的进度。

通常遭遇岩石坚硬致密，钻头的胎体不易被磨损，使得钻进中金刚石不易出刃，因而钻进效率极低。现有的金刚石钻头的品种少，还没有哪种钻头能够有效钻进这类硬至坚硬致密的岩层。因此，现有钻头的技术与钻进效果，已不能满足当前钻进硬至坚硬、完整致密岩层的钻探需求。故针对硬至坚硬致密岩层研制一种钻进效率较高、使用寿命较长的钻头已是地质工程学科的当务之急的研究工作。

发明内容

氧化铝空心球是粉末冶金中的造孔材料，由于添加不同粒度与数量的氧化铝空心球，使得粉末冶金材料中具有不同数量与大小的孔隙度。利用这一现象与原理，将氧化铝空心球应用到热压金刚石钻头的制造中，研制出一种热压金刚石钻头，使得钻头的工作层胎体材料中含有一定数量和大小的孔隙，降低了胎体的耐磨性能，达到提高金刚石的出刃效果和提高钻进速度的效果。

本发明的目的是为了解决现有钻头存在的技术问题，而提供一种添加氧化铝空心球的制造热压金刚石钻头的制造方法，并使应用本方法生产出的钻头在钻进硬至坚硬致密岩石中钻进效率高，使用寿命长，从而满足地质工程学科领域的迫切需求。

本发明实现上述目的采用的技术方案是：提供一种添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，工艺步骤为：

(1)准备氧化铝空心球制粒敷膜材料：选用的氧化铝空心球直径为1～3mm，敷膜材料选用铜-铁-石墨混合的粉末，胶黏剂选用三乙醇胺；

(2)准备金刚石制粒敷膜材料：选用金刚石的粒度为：40/45目占50％～65％，50/60目占35％～50％，金刚石的品级为SMD30～35，敷膜材料选用铁-镍-铜合金粉，胶黏剂选用酒精-甘油混合液，酒精与甘油的体积比为1比2；

(3)制粒敷膜机采用自行研制的无级调速制粒机，制粒敷膜机的料筒为鼓形，料筒最大处直径350mm，高200mm，料筒的中心轴线与水平角度调节至45°，制粒敷膜机转速调至60～70r/min；

(4)先装入要制粒敷膜的氧化铝空心球，启动制粒敷膜机，边转动边喷胶黏剂，接着慢慢均匀撒入铜-铁-石墨粉料，使氧化铝空心球的表面裹敷一薄层铜-铁-石墨粉膜层，敷膜层的厚度控制在0.10～0.15mm；

(5)采用上述相同的方法，对金刚石进行制粒敷膜，敷膜用胶黏剂为酒精-甘油混合液，敷膜材料为铁-镍-铜合金粉末，敷膜厚度为0.10～0.15mm；

(6)按照质量比在敷膜后的氧化铝空心球与金刚石中加入经过球磨机混磨的钻头胎体粉料，并加入酒精-甘油胶黏剂混合均匀；再按照计算好的不同规格的钻头的需材量称重，装入石墨模具内，压上钻头钢基体，送入中频电炉和压力机组合的一体机中热压烧结；所述的钻头胎体粉料按质量％为：铁32～38，镍10～14，钴3～5，YG88～10，铜合金34～45，混合后置于球磨机中球磨8h，保证各种粉料混磨均匀；

(7)热压烧结工艺为：热压压力为15～16MPa，电炉温度950～960℃，保温时间4～5min，810～830℃出炉，出炉后钻头在装有颗粒状石棉粉的保温箱中缓冷至室温，脱模，制成添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头。

所述的氧化铝空心球制粒敷膜材料中的铜-铁-石墨粉料按质量％为：铜45～50，铁30～35，石墨20～25。

所述的金刚石制粒敷膜材料中的铁-镍-铜合金粉末按质量％为：铁45～55、镍12～16，铜合金32～38。

所述的钻头胎体粉料按质量％为：铁32～38，镍10～14，钴3～5，YG88～10，铜合金34～45，混合后置于球磨机中球磨8h，保证各种粉料混磨均匀。

本发明的步骤(7)中所述制成的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头，其中在每个扇形切削工作块上均形成多层无序排列的氧化铝空心球与金刚石复合切削体结构，氧化铝空心球的体积浓度为12％～18％；金刚石的体积浓度为11％～13％。

本发明的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法具有如下优点：

1、本发明金刚石钻头的制造方法选材科学，选择了氧化铝空心球作为制造热压金刚石钻头的辅助材料，氧化铝空心球具有很好的造孔能力，钻头胎体中孔隙形成能够获得一系列的效果：①使得钻头胎体具有一定数量和大小的孔隙，适度降低胎体的耐磨性。②提高了钻头底唇面与孔底岩石的摩擦系数，胎体磨蚀得到增强。③钻头的底唇面面积减少，在相同的钻进压力下，单位面积的钻压得到提高。④形成的孔隙能够短时间储存岩粉和洗井液，对于冷却钻头和磨损胎体起着积极作用。综合作用的结果，能够有效提高金刚石的出刃效果，改变常规金刚石钻头在钻进硬至坚硬致密岩石时金刚石不出刃，出现钻进时效极低，钻头使用寿命极短的现象，因而能够取得突破性的效果。

2、采用本发明的方法制造的钻头的钻进性能好，能够在硬至坚硬致密岩石中钻进，取得钻进时效明显提高、使用寿命较长的效果，对突破坚硬致密岩石的钻进能够取得显著的进步。试验表明所获得的钻进时效比普通金刚石钻头提高75％～100％，钻头的使用寿命也提高70～95％，这是其它普通金刚石钻头所不具有的特点和优势。

3、本发明的制造方法工艺简单，操作容易。使用本发明方法制造的金刚石钻头可用于地质勘探、石油钻井、科学钻探和工程勘察中，同时还可用于地质灾害的治理。

附图说明

图1为使用本发明方法制造的热压金刚石钻头的底唇面结构示意图。

图2为图1的Ⅰ-Ⅰ剖视局部结构示意图。

上述图中：1-扇形切削工作块；2-金刚石；3-氧化铝空心球；4-水口；5-钻头保径层；6-钻头钢基体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：以采用本发明的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法制造φ77/48mm规格钻头为例，具体工艺步骤为：

(1)准备氧化铝空心球制粒敷膜的材料：选用直径为1～3mm的氧化铝空心球，敷膜材料选用铜-铁-石墨混合的粉末，铜-铁-石墨混合的粉末按质量比为：铜45％，铁35％，石墨20％；胶黏剂选用三乙醇胺。

(2)制粒敷膜机采用自行研制的无级调速制粒机，制粒敷膜机的料筒为鼓形，料筒最大处直径350mm，高200mm，料筒的中心轴线与水平角度调节至45°，制粒敷膜机转速调至60r/min。

(3)先装入要制粒敷膜的氧化铝空心球，启动制粒敷膜机使之转动，边转动边喷三乙醇胺胶黏剂，接着慢慢均匀撒入铜-铁-石墨粉料，使氧化铝空心球的表面裹敷一薄层铜-铁-石墨粉膜层，敷膜层的厚度控制在0.15mm。

(4)采用上述相同的方法，对金刚石进行制粒敷膜，敷膜用的胶黏剂为酒精-甘油混合液，撒入铁-镍-铜合金粉末，铁-镍-铜合金粉末按质量比例为：铁54％，镍12％，铜合金34％；金刚石的粒度为：40/50目占60％，50/60目占40％；敷膜厚度为0.15mm。

(5)取钻头的胎体粉料，钻头胎体粉料按质量比为：铁36％，镍粉12％，YG8粉8％，钴3％，铜合金粉41％，混合置于球磨机中球磨8h，保证各种粉料混合均匀。每个φ77/48mm规格钻头所需胎体粉料是163g。

(6)将裹敷了膜层的氧化铝空心球和金刚石以及球磨过的钻头的胎体粉料，按照质量比5∶11∶163与酒精-甘油混合液胶黏剂混合均匀，再按照计算好的每个钻头用量称重，装入制造φ77/48mm规格钻头的石墨模具内，压上钻头钢基体6，送入中频电炉和压力机组合的一体机中热压烧结。

(7)热压烧结工艺为：热压压力为15MPa，电炉温度950℃，保温时间4min，820℃出炉，出炉后钻头置于颗粒状石棉粉保温箱中缓冷至室温，脱模，制成添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头。

制成的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头参见图1、图2，钻头包括有钻头钢基体6和8个扇形切削工作块1、8个水口4，在钻头钢基体6下端焊有钻头保径层5，钻头扇形切削工作块1设在钻头保径层5下端，每个扇形切削工作块1均有由无序排列的氧化铝空心球3、金刚石2与胎体材料通过热压烧结形成的复合切削体结构，金刚石2的体积浓度为12％，氧化铝空心球3的体积浓度为15％。扇形切削工作块1高为10mm，钻头的保径层5高为8mm。

实施例2：采用本发明的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法制造φ95/68规格钻头，具体工艺各步骤基本同实施例1，不同的是：扇形切削工作块1、水口4为10个，扇形切削工作块1高为12mm，钻头的保径层5高为9mm。由于钻头的规格不同，口径变大，钻头胎体材料的用量随之不同，步骤(5)与步骤(6)必然不相同。

步骤(5)取钻头的胎体粉料，钻头胎体粉料按质量比为：铁36％，镍粉12％，YG8粉8％，钴3％，铜合金粉41％，称量后置于球磨机中球磨8h，保证各种粉料混磨均匀。φ95/68规格钻头每个钻头所需胎体粉料200g。

步骤(6)将裹敷了膜层的氧化铝空心球和金刚石以及钻头的胎体粉料，按照质量比7∶14∶200与酒精-甘油混合液胶黏剂混合均匀，按照计算好的用量称重，装入制造φ95/68mm规格钻头的石墨模具内，压上钻头钢基体6，送入中频电炉一体机中热压烧结。制成的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头总体结构及使用效果同实施例1。

本说明书中若有未作详细描述的内容，则属于本领域专业技术人员公知的技术，此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，其特征在于：工艺步骤为：

(1)准备氧化铝空心球制粒敷膜材料：选用的氧化铝空心球直径为1～3mm，敷膜材料选用铜-铁-石墨混合的粉末，胶黏剂选用三乙醇胺；

(2)准备金刚石制粒敷膜材料：选用金刚石的粒度为：40/45目占50％～65％，50/60目占35％～50％，金刚石的品级为SMD30～35，敷膜材料选用铁-镍-铜合金粉，胶黏剂选用酒精-甘油混合液，酒精与甘油的体积比为1比2；

(3)制粒敷膜机采用自行研制的无级调速制粒机，制粒敷膜机的料筒为鼓形，料筒最大处直径350mm，高200mm，料筒的中心轴线与水平角度调节至45°，制粒敷膜机转速调至60～70r/min；

(4)先装入要制粒敷膜的氧化铝空心球，启动制粒敷膜机，边转动边喷胶黏剂，接着慢慢均匀撒入铜-铁-石墨粉料，使氧化铝空心球的表面裹敷一薄层铜-铁-石墨粉膜层，敷膜层的厚度控制在0.10～0.15mm；

(5)采用上述相同的方法，对金刚石进行制粒敷膜，敷膜用胶黏剂为酒精-甘油混合液，敷膜材料为铁-镍-铜合金粉末，敷膜厚度为0.10～0.15mm；

(6)按照质量比在敷膜后的氧化铝空心球与金刚石中加入经过球磨机混磨的钻头胎体粉料，并加入酒精-甘油胶黏剂混合均匀；再按照计算好的不同规格的钻头的需材量称重，装入石墨模具内，压上钻头钢基体，送入中频电炉和压力机组合的一体机中热压烧结；所述的钻头胎体粉料按质量％为：铁32～38，镍10～14，钴3～5，YG88～10，铜合金34～45，混合后置于球磨机中球磨8h，保证各种粉料混磨均匀；

(7)热压烧结工艺为：热压压力为15～16MPa，电炉温度950～960℃，保温时间4～5min，810～830℃出炉，出炉后钻头在装有颗粒状石棉粉的保温箱中缓冷至室温，脱模，制成添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头。

2.根据权利要求1所述的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述的氧化铝空心球制粒敷膜材料中的铜-铁-石墨粉料按质量％为：铜45～50，铁30～35，石墨20～25。

3.根据权利要求1所述的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，其特征在于：所述的金刚石制粒敷膜材料中的铁-镍-铜合金粉末按质量％为：铁45～55、镍12～16，铜合金32～38。

4.根据权利要求1所述的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头的制造方法，其特征在于：步骤(7)中所述制成的添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头，其中在每个扇形切削工作块上均形成多层无序排列的氧化铝空心球与金刚石复合切削体结构，氧化铝空心球的体积浓度为12％～18％；金刚石的体积浓度为11％～13％。