CN103670285B - 一种高效广谱性地质钻头及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效广谱性地质钻头及制造方法，刀头分三层，两侧胎体中金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层胎体中金刚石体积比浓度为70%-80%通过热压成三明冶式刀头，刀头为分层式刀头，刀口部份宽，与地质钻钢体的连接部份窄，刀头采用纯钴粉作为胎体粉末即用纯钴粉包裹金刚石。钻头包括钻头单元（6）和地质钻钢体（8），钻头单元（6）由外侧刀头（1）和内侧刀头（2）组成；两侧刀头之间为冷却层并分布有若干个喷水口（3）。本发明高效，耐用，广谱，防斜，保径，扩孔和低阻。一种钻头适应任何地质结构，同一个孔也不需要提钻更换钻头，一钻到底；提高钻头锋利度50%以上，延长钻头使用寿命40%以上；提高生产效率35%；降低生产成本20%。

Description

一种高效广谱性地质钻头及制造方法

技术领域

本发明属于金刚石工具领域中的地质钻头生产技术领域，涉及一种高效广谱性地质钻头及制造方法。

背景技术

金刚石地质钻在我国已有近40年的研究和应用，它涉及岩石破碎学，金属材料学，粉末材料学，粉末冶金学，电化学，钻头形态学，以及钻头水力学等。现有技术中主要运用中频热压烧结机把配制好的钻头刀头粉末、钻头过渡层粉末、钻头水口粉末和初加工的钻头钢体放在一起整体烧结而成，然后再机加工钻头钢体，形成成品。这种烧结方式所用胎体配方一般都有含20%-30%碳化钨，烧结温度一般都在950度以上，对金刚石损伤很大。

而且，一种配方钻头只能适应一种硬度的地层结构，不同的地质结构需要不同硬度的钻头，“广谱性”差，因此，往往同一个孔需要更换不同的钻头，费时费力，也这给生产和库存带来很多不便。

同时，配方粉分别采用刀头配方，过渡层配方和水口配方，整体烧结好后再加工水口和钢体，需要把每一块刀齿分二层或多层均匀插入2-4根保径材料，生产效率不高，而且这种保径材料在钻头钻进的过程中起阻碍作用。由于是配方粉和钢体整体烧结，只能是把刀头粉末和钢体竖立加压，这种加压方式使得刀头上下密度不一样。

发明内容

针对以上技术问题，本发明在于改变传统地质钻刀头、过渡层和水口一起用中频热压烧结后再加工钢体，再加工出水口的生产方法，利用先单独加工钢体及出水口，用真空热压机单独生产刀头，再用热压机通过钢体和刀头间的过渡层把钢体和刀头整体烧结在一起；从而提供了一种高效广谱性地质钻头及制造方法，即提高地质钻生产效率，钻头能一钻到底，又提高钻进效率和使用寿命。

为了实现钻头的“广谱”性，刀头和钢体做了以下创造性设计，1.金刚石刀头胎体采用了适应性很强的纯钴粉做胎体配方；2.金刚石刀头横向加压生产竖立使用；3.台阶形刀头设计有效减小钻头钻进过程中岩石对钻管磨擦，从而大大减小钻进阻力，有效提高钻进效率；4.刀头分层设计，两侧金刚石浓度高，中间金刚石溶度低，不仅强化了保径，更实现了在保径的同时切割，改变了传统地质钻在刀头两侧镶欠保径材料，让钻头卸下了保径材料带来的沉重阻力，铺助钻头进尺不再拖拉后腿，可将锋利性达到最佳状态，阻力降低，钻进才更安全，大大降低了钻头跑偏的机率，孔斜可得到有效控制；5钻齿中间开孔喷水设计，提高冷却效果，从而提高钻头的使用寿命。

本发明技术方案之一：

一种高效广谱性地质钻刀头，所述刀头分三层，两侧胎体中金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层胎体中金刚石体积比浓度为70%-80%通过热压成三明冶式刀头，刀头为分层式刀头，刀口部份宽，与地质钻钢体的连接部份窄，刀头采用纯钴粉作为胎体粉末即用纯钴粉包裹金刚石。

本发明技术方案之二：

一种高效广谱性地质钻头，它包括钻头单元和地质钻钢体，所述钻头单元由外侧刀头和内侧刀头组成；钻头单元的刀口部份宽，与地质钻钢体连接部份窄，刀头采用纯钴粉作为胎体粉末即用纯钴粉包裹金刚石，外侧刀头和内侧刀头之间为冷却层并分布有若干个喷水口；所述地质钻钢体上均匀设有钻头单元连接工位与钻头单元连接，各钻头单元连接工位上设有若干条冷却水路与钻头单元中的外侧刀头和内侧刀头之间分布的喷水口分别联通，相邻的钻头单元连接工位之间设有一条或多条冷却水路、一条外水槽和一条内水槽。

优选：所述外侧刀头和内侧刀头各分三层，各刀头的两侧胎体中金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层胎体中金刚石体积比浓度为70%-80%，通过热压成三明冶式刀头。

所述外侧刀头在热压成截面为台阶分层刀头时，外表面为台阶分层弧形外侧面，内表面为平弧面；内侧刀头在热压成截面为台阶分层刀头时，内表面为台阶分层弧形内侧面，外表面为平弧面。

所述钻头单元与地质钻钢体连接方式采用高频焊接、激光焊接、磨擦焊接或热压烧结，优选所述钻头单元与地质钻钢体通过过渡层7用热压机烧结成一个整体。

所述地质钻钢体上均匀设有六个钻头单元连接工位与6个钻头单元连接，各钻头单元连接工位上设有两条冷却水路与钻头单元中的外侧刀头和内侧刀头之间分布的2个喷水口联通，相邻的钻头单元连接工位之间设有一条冷却水路、一条外水槽和一条内水槽；地质钻钢体上设有18条均匀分布的冷却水路， 6条均匀分布的外水槽和6条均匀分布的内水槽。

本发明技术方案之三：

一种高效广谱性地质钻刀头的制备方法，所述刀头的制备方法：利用纯钴粉做钻头刀头胎体粉末，刀头分三层，刀头两侧外层的金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层的金刚石体积比浓度为70%-80%，外层和中间层分别用冷压机压成薄片，再按三明冶方式把三片薄片组成单个刀头，把组成好的三层薄片放入台阶形石黑模具中，横向装模、横向加压，热压成形；热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，热压成分层式刀头，刀口部份宽，与地质钻钢体的连接部份窄。

优选：

它还包括钻头单元的制备方法和地质钻的连接方法，所述钻头单元的制备方法： 钻头单元的地质钻刀头由外侧刀头和内侧刀头组成；外侧刀头在热压成截面为台阶分层刀头时，外表面为台阶分层弧形外侧面，内表面为平弧面；内侧刀头在热压成截面为台阶分层刀头时，内表面为台阶分层弧形内侧面，外表面为平弧面；外侧刀头和内侧刀头在热压成形时之间放入石模间短圆棒，横向加压，热压成形后形成喷水口；

所述地质钻的连接方法：钻头单元与地质钻钢体连接采用高频焊接、激光焊接、磨擦焊接或热压烧结。

所述热压烧结方法为：将钻头单元、过渡层放入石墨模具中，将地质钻钢体套入石墨模芯上，上、下石墨电极压块与电源连通，石墨模芯与石墨模具形成热压烧结，钻头单元与地质钻钢体通过过渡层7用热压机烧结成一个整体。

进一步优选：

采用刀头和钢体通过中间过渡层用于热压烧结连结成一个整体：

（1）热压烧结模具包括石墨模具，上、下石墨电极压块，石墨模芯，石墨模具分底模和型模，底模设有中心孔；先将石墨模具放在下石墨电极压块上；

（2）先装石墨模芯与底模中心孔校正配合到位，再打开；

（3）在底模上均匀放入几组已烧结好的刀头，一组刀头即钻头单元分外侧刀头和内侧刀头；

（4）插入型模；

（5）在每组钻头单元的外侧刀头和内侧刀头之间放入冷却层水口石墨块和若干根石模短圆棒；

（6）在外侧刀头和内侧刀头上方放入圆环型过渡层；石模短圆棒穿过过渡层；

（7）再在过渡层上放入地质钻钢体；地质钻钢体上预先加工好冷却水路、外水槽和内水槽，每组钻头单元连接工位之间设有外水槽和内水槽；石模短圆棒插入地质钻钢体上钻头单元连接工位中的冷却水路中；

（8）放入外圆涂覆过耐高温保温材料的石墨模芯；

（9）装组装好的模具及预制件放入真空热压机热压烧结整体成形；

热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，降温降压至不发生钢体氧化之温度即可关闭真空出炉，自然冷却至室温脱模。

本发明技术方案先进性分析：

1、用纯钴粉做金刚石地质钻头刀头胎体

（1）、纯钴做地质钻头刀头胎体由于纯钴基胎体与金刚石有非常好的同步磨损性，所以纯钴基刀头胎体适应钻切软，硬，中硬，高硬等各种地质结构，钴基胎体用于做金刚石工具胎体其广谱性是其他胎体望尘莫及的。

（2）、钴包裹金刚石的包镶效果特别好，对金刚石把持力强，金刚石不易脱落，有效提高金刚石利用率，从而提高钻头钻进速度和使用寿命。

（3）、纯钴基胎体易磨损金刚石易出刃，由于胎体对金刚石把持力大，所以出刃高度高，众所周知，金刚石出刃高度越高钻进速度就越快，高出刃的金刚石又保扩后面的胎体不受磨损，所以纯钴基钻头耐磨性好。

2、利用热压机烧结机对单个刀头横向加压生产，然后把单个刀头组合与钻头钢体竖立连接，钻头钻进时刀头是从上往下磨损，而生产时刀头是两侧加压受力，所以刀头上端和下端密度均匀，质量稳定高。钻头刀头横向加压生产竖立使用比竖立加压生产竖立使用质量更稳定。

3、单个刀头台阶形设计，刀口部份宽与钢体连接部份窄，形成台阶，这种设计有利于钻头在钻进过程中始终是刀口部分在钻切并保护刀口以下刀头两侧不受阻力，同时让切屑从两侧空隙处排出，大大提高钻进速度。

4、单个刀头分层做法，两侧金刚石溶度高体积比溶度90-100%，中间溶度低体积比溶度70-80%，所以钻头在钻进过程中两侧不易磨损，中间易磨损，利用这一现象钻头在钻进过程中就具备了很好的导向作用，同时取代传统地质钻采用聚晶保径做法，镶欠聚晶保径不紧生产效率低，且镶欠在钻头侧面的聚晶对钻头的钻进有很大的阻力，这种分层做法变阻力为切割，有效提高钻进速度。

5、地质钻采用从钢体唇面钻直径3-5mm孔用于喷水冷却金刚石刀头，每一组刀头之间设有一个或多个喷水孔。喷水口位于外侧刀头和内侧刀头中间，这种钢体喷水口可在生产钢体同时加工好，无需烧结好钻头后续加工，大大提高生产效率，节约成本。

6、生产刀头时外侧刀头和内侧刀头在喷水口位置留有与水口一样大小的空间。这种底喷式出水口能及时冷却金刚石，有效解决金刚石因发热工作效率低，利用率低，同时及时带走胎体与岩石磨擦的热量，保持胎体的包镶性能，进而大大提高钻头锋利度和寿命。

本发明地质钻头高效，耐用，广谱，防斜，保径，扩孔和低阻。一种钻头适应任何地层构，同一个孔也不需要提钻更换钻头，一钻到底；提高钻头锋利度50%以上，延长钻头使用寿命40%以上；提高生产效率35%；降低生产成本20%。

附图说明

图1是本发明实施例1的钻头单元俯视结构示意图。

图2是本发明实施例1的钻头单元A-A剖面结构示意图。

图3是本发明实施例1的钻头单元左视结构示意图。

图4是本发明实施例1的地质钻主视结构示意图。

图5是本发明实施例1的地质钻俯视结构示意图。

图6是本发明实施例1的地质钻组装烧结示意图。

具体实施方式

实施例1：

一、刀头的制备方法：

利用纯钴粉做钻头刀头胎体粉末，刀头分三层，刀头两侧外层1-1、1-3，2-1、2-3的金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层1-2、2-2的金刚石体积比浓度为70%-80%，分别用冷压机压成薄片，按三明冶方式把三片薄片组成单个刀头，把组成好的三层薄片放入梯石黑模具中，横向装模、横向加压，热压成形；热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，热压成竖直方向为台阶分层刀头，刀口部份宽与钢体连接部份窄。如图1—图3。

二、钻头单元的制备方法：

所述刀头在热压成台阶分层刀头时，按成品钻头标准加工成弧形台阶分层刀头，如图1—图3。

钻头单元6由外侧刀头1和内侧刀头2组成；外侧刀头1在热压成台阶分层刀头时，按成品钻头标准加工成外表面为台阶分层弧形外侧面5，内表面为平弧面；内侧刀头2在热压成台阶分层刀头时，按成品钻头标准加工成内表面为台阶分层弧形内侧面4，外表面为平弧面；

外侧刀头1和内侧刀头2之间分布的2个∅5mm喷水口3与冷却水路10联通，两块刀头之间为冷却层，对应的面之间相距1-2mm，增加冷却效果；每块刀头的中间层1-2、2-2均为中间易磨损结构，实际钻进中与冷却层共同组成3条防斜稳定结构。

三、地质钻的制备方法：

钻头单元6与材料为45号钢的地质钻钢体8连接采用高频焊接、激光焊接、磨擦焊接及热压烧结等连接方式，本实施例1采用热压烧结方法。

热压烧结方法，如图6所示，将钻头单元6、过渡层7放入石墨模具9-2中，将地质钻钢体8套入石墨模芯9-4上，石墨电极压块9-1、9-3与电源连通，石墨模芯9-4与石墨模具9-2形成热压烧结，钻头单元6与地质钻钢体8通过过渡层7用热压机烧结成一个整体，如图4、6。

地质钻钢体底喷式水口设计：

地质钻采用从地质钻钢体唇面钻直径3-5mm孔用于喷水冷却金刚石刀头，每组钻头单元之间设有一个或多个喷水孔，一组钻头单元还设有一个或多个喷水孔，喷水口位于外侧刀头和内侧刀头中间；当采用6组钻头单元，每组钻头单元之间设有一个冷却水路10，各组钻头单元分别设有2个喷水口3时，喷水口3与冷却水路10联通；冷却水路10有18条且均匀分布，钻头单元之间设有外水槽11和内水槽12，各6条均匀分布。

具体方法如下：

采用刀头和钢体通过中间过渡层用于热压烧结连结成一个整体：

（1）热压烧结模具包括石墨模具9-2，上、下石墨电极压块9-1、9-3，石墨模芯9-4，石墨模具9-2分底模和型模，底模设有中心孔；先将石墨模具9-2放在下石墨电极压块9-3上；

（2）先装石墨模芯9-4与底模中心孔校正配合到位，再打开；

（3）在底模上均匀放入6组已烧结好的刀头，一组刀头即钻头单元分外侧刀头1和内侧刀头2；

（4）插入型模；

（5）在每组钻头单元的外侧刀头1和内侧刀头2之间放入冷却层水口石墨块和两根石模短圆棒；

（6）在外侧刀头1和内侧刀头2上方放入圆环型过渡层7；石模短圆棒穿过过渡层7；

（7）再在过渡层7上放入地质钻钢体8；地质钻钢体8上预先加工好冷却水路10、外水槽11和内水槽12，冷却水路10设有18条且均匀分布，每组钻头单元连接工位之间设有外水槽11，6条均匀分布，内水槽12，6条均匀分布；两根石模短圆棒插入地质钻钢体8上钻头单元连接工位中相邻的两条冷却水路10中；

（8）放入外圆涂覆过耐高温保温材料的石墨模芯9-4；

（9）装组装好的模具及预制件放入真空热压机热压烧结整体成形；

热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，降温降压至不发生钢体氧化之温度即可关闭真空出炉，自然冷却至室温脱模而不必按常规热压烧结那样出炉后必经过长时间冷却方可脱模。

脱模后，地质钻钢体8上通过过渡层7均匀连接6个钻头单元6，各钻头单元6中的外侧刀头1和内侧刀头2之间形成冷却层并分布有2个喷水口3，各钻头单元6之间形成6条均匀分布的外水槽11和6条均匀分布的内水槽12。外侧刀头1的外表面为台阶分层弧形外侧面5，内表面为平弧面；内侧刀头2的内表面为台阶分层弧形内侧面4，外表面为平弧面。

Claims (8)

1.一种高效广谱性地质钻头，它包括钻头单元（6）和地质钻钢体（8），其特征在于，所述钻头单元（6）由外侧刀头（1）和内侧刀头（2）组成，外侧刀头（1）和内侧刀头（2）采用高效广谱性地质钻刀头，高效广谱性地质钻刀头分三层，两侧胎体中金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层胎体中金刚石体积比浓度为70%-80%，通过热压成三明冶式刀头，刀头采用纯钴粉作为胎体粉末即用纯钴粉包裹金刚石；钻头单元（6）的刀口部份宽，与地质钻钢体（8）连接部份窄，外侧刀头（1）和内侧刀头（2）之间为冷却层并分布有若干个喷水口（3）；所述地质钻钢体（8）上均匀设有钻头单元连接工位与钻头单元（6）连接，各钻头单元连接工位上设有若干条冷却水路（10）与钻头单元（6）中的外侧刀头（1）和内侧刀头（2）之间分布的喷水口（3）分别联通，相邻的钻头单元连接工位之间设有一条或多条冷却水路（10）、一条外水槽（11）和一条内水槽（12）。

2.根据权利要求1所述的一种高效广谱性地质钻头，其特征在于，所述外侧刀头（1）在热压成截面为台阶分层刀头时，外表面为台阶分层弧形外侧面（5），内表面为平弧面；内侧刀头（2）在热压成截面为台阶分层刀头时，内表面为台阶分层弧形内侧面（4），外表面为平弧面。

3.根据权利要求1所述的一种高效广谱性地质钻头，其特征在于，所述钻头单元(6）与地质钻钢体（8）连接方式采用高频焊接、激光焊接、磨擦焊接或热压烧结。

4.根据权利要求1或3所述的一种高效广谱性地质钻头，其特征在于，所述钻头单元（6）与地质钻钢体（8）通过过渡层（7）用热压机烧结成一个整体。

5.根据权利要求3所述的一种高效广谱性地质钻头，其特征在于，所述地质钻钢体（8）上均匀设有六个钻头单元连接工位与6个钻头单元（6）连接，各钻头单元连接工位上设有两条冷却水路（10）与钻头单元（6）中的外侧刀头（1）和内侧刀头（2）之间分布的2个喷水口（3）联通，相邻的钻头单元连接工位之间设有一条冷却水路（10）、一条外水槽（11）和一条内水槽（12）；地质钻钢体（8）上设有18条均匀分布的冷却水路（10）， 6条均匀分布的外水槽（11）和6条均匀分布的内水槽（12）。

6.一种高效广谱性地质钻刀头的制备方法，其特征在于，所述刀头的制备方法：利用纯钴粉做钻头刀头胎体粉末，刀头分三层，刀头两侧外层的金刚石体积比浓度为90%-100%，中间层的金刚石体积比浓度为70%-80%，外层和中间层分别用冷压机压成薄片，再按三明冶方式把三片薄片组成单个刀头，把组成好的三层薄片放入台阶形石黑模具中，横向装模、横向加压，热压成形；热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，热压成分层式刀头，刀口部份宽，与地质钻钢体的连接部份窄；所述钻头单元（6）的制备方法： 钻头单元（6）的地质钻刀头由外侧刀头（1）和内侧刀头（2）组成；外侧刀头（1）在热压成截面为台阶分层刀头时，外表面为台阶分层弧形外侧面（5），内表面为平弧面；内侧刀头（2）在热压成截面为台阶分层刀头时，内表面为台阶分层弧形内侧面（4），外表面为平弧面；外侧刀头（1）和内侧刀头（2）在热压成形时之间放入石模间短圆棒，横向加压，热压成形后形成喷水口（3）；

所述地质钻的连接方法：钻头单元（6）与地质钻钢体（8）连接采用高频焊接、激光焊接、磨擦焊接或热压烧结。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热压烧结方法为：将钻头单元（6）、过渡层（7）放入石墨模具（9-2）中，将地质钻钢体（8）套入石墨模芯（9-4）上，上、下石墨电极压块（9-1、9-3）与电源连通，石墨模芯（9-4）与石墨模具（9-2）形成热压烧结，钻头单元（6）与地质钻钢体（8）通过过渡层7用热压机烧结成一个整体。

8.采用权利要求6所述的方法，其特征在于，采用刀头和钢体通过中间过渡层用于热压烧结连结成一个整体：

（1）热压烧结模具包括石墨模具（9-2），上、下石墨电极压块（9-1、9-3），石墨模芯（9-4），石墨模具（9-2）分底模和型模，底模设有中心孔；先将石墨模具（9-2）放在下石墨电极压块（9-3）上；

（2）先装石墨模芯（9-4）与底模中心孔校正配合到位，再打开；

（3）在底模上均匀放入几组已烧结好的刀头，一组刀头即钻头单元分外侧刀头（1）和内侧刀头（2）；

（4）插入型模；

（5）在每组钻头单元的外侧刀头（1）和内侧刀头（2）之间放入冷却层水口石墨块和若干根石模短圆棒；

（6）在外侧刀头（1）和内侧刀头（2）上方放入圆环型过渡层（7）；石模短圆棒穿过过渡层（7）；

（7）再在过渡层（7）上放入地质钻钢体（8）；地质钻钢体（8）上预先加工好冷却水路（10）、外水槽（11）和内水槽（12），每组钻头单元连接工位之间设有外水槽（11）和内水槽（12）；石模短圆棒插入地质钻钢体（8）上钻头单元连接工位中的冷却水路（10）中；

（8）放入外圆涂覆过耐高温保温材料的石墨模芯（9-4）；

（9）装组装好的模具及预制件放入真空热压机热压烧结整体成形；

热压温度为850度，压力为180KN，保温保压2分钟，降温降压至不发生钢体氧化之温度即可关闭真空出炉，自然冷却至室温脱模。