CN103691961A - 一种用于采矿的合金钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工技术领域，公开了一种采矿钻头，其由刀头和基体组合而成，所述刀头由镍粉100-120份、钛酸钡粉85-90份、钨粉70-75份、氮化硅粉69-72份、碳化铬粉65-68份、氧化铝粉50-55份、铬粉45-48份、铜粉30-32份、碳化钨粉25-28份、碳化钛粉20-22份、水玻璃5-8份以及硅胶2-3份制备而成；本发明还公开了一种钻头胎体。本发明制备的钻头具备较好的抗弯强度、冲击韧性以及磨耗比。
Description
技术领域
本发明属于机械材料加工领域，涉及一种用于采矿的合金钻头及其制备方法。
背景技术
采矿是自地壳内或地表开采矿产资源的技术和科学，一般指金属或非金属矿床的开采。采矿工业是一种重要的原料采掘工业，如金属矿石是冶金工业的主要原料，非金属矿石是化工原料和建筑材料，煤和石油是重要的能源。多数矿石需经选矿富集，方能作为工业原料。
目前，在采矿工业中，大多数矿场都使用PDC 钻头，并且随着复合片技术和钻井工艺的发展，这种趋势仍将继续。PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact bit）是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是地质钻探行业常用的一种钻井工具。PDC 钻头主要分为钢体式PDC 钻头和胎体式PDC 钻头。钢体式PDC钻头，是用镍、铬、钼合金机械加工成形。经过热处理后在钻头体上钻孔，将人造聚晶金刚石复合片压入(紧配合)钻头体内，用柱状碳化钨保径。胎体式PDC钻头是将金刚石复合片通过钎焊方式焊接在钻头胎体上的一种切削型钻头。胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成，用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石保径。两种钻头存在各自的优缺点，胎体PDC 钻头耐磨性好，其应用地层也主要在深部的坚硬岩层，但是胎体PDC 钻头体材料硬度不高以及抗弯强度差，导致钻头设计时只能采用较厚的刮刀，以增强钻头刮刀的抗冲击能力，避免断刮刀等恶性钻井事故的发生。钢体PDC 钻头采用高强度合金钢加工而成，强度高，虽然采用了表面堆焊等工艺来强化，但是和胎体钻头相比，仍然显得耐磨能力不足。因此，如果可以制备一种钻头在具有较好的耐磨性能、抗弯强度，而且具有较高的硬度，而且无需使用刮刀，并将具备广泛的市场潜力。
中国发明专利CN201110433249公开了一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其制备的胎体在抗弯强度和冲击韧性有了较大的提高，但是耐磨性能不够。现有技术制备的胎体PDC 钻头一般不能兼备各种优点，抗弯强度和冲击韧性较好，往往耐磨性能不够；而耐磨性能较好的胎体PDC 钻头往往抗弯强度和冲击韧性较差。
如何对胎体钻头进行创新性改进，提高胎体的抗弯强度、冲击韧性以及磨耗比是现有技术需要克服的技术缺陷。
发明内容
为了克服现有技术中PDC 钻头存在的技术障碍，本发明在现有技术的基础上，尝试了多种原料以及原料配比，最终制备出了一种性能较佳的采矿钻头。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种采矿钻头，由刀头和基体组合而成，所述刀头由如下重量份的原料制备而成；
镍粉100-120份、钛酸钡粉85-90份、钨粉70-75份、氮化硅粉69-72份、碳化铬粉65-68份、氧化铝粉50-55份、铬粉45-48份、铜粉30-32份、碳化钨粉25-28份、碳化钛粉20-22份、水玻璃（优选钠水玻璃，模数n为2.6）5-8份、硅胶2-3份；
所述镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉的粒径均大于500目；水玻璃优选钠水玻璃，模数n为2.6；所述硅胶的孔容为0.6-0.8ml/g，平均孔径为4.5-7.0nm，比表面为450-650m2/g。
所述刀头的制备方法包括如下步骤：
1）按照重量份称取上述各原料备用；
2）将镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉投入到搅拌机中，搅拌均匀得到混合物A；
3）将步骤2）获得的混合物A投入到反应器中，随后添加水玻璃，边添加边搅拌，搅拌时间为5分钟，得到混合物B，控制反应器的温度为200℃；
4）将反应器温度降低至25℃，然后往反应器中添加硅胶，搅拌均匀，得到混合物C；
5）将步骤4）得到的混合物C然后装到石墨模具中，然后放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1200℃，烧结时间为40min；
6）将石墨模具取出，冷却至25℃，出模得到胎体，最后将胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。
本发明还公开了按照上述方法制备的钻头胎体。
本发明取得的有益效果：
本发明钻头可应用于各种矿山的开采，其在抗弯强度、冲击功有了较大的提高，而且磨耗比也达到了较高的参数；
本发明采用硬度较高的各种原料，合理配伍组合，大大提高了机械强度；
本发明采用水玻璃和硅胶为粘合耐磨剂，其特殊的分子结构和孔径可以与各金属原料连接嵌合到一起，增强了耐磨性能；
本发明制备方法简单可行，可以大规模工业化生产，具备较好的市场应用前景。
具体实施方式
以下将采用具体的实施例来对本发明作进一步的解释，但是不应当看作是对本发明创新精神的限制。
实施例1
一种采矿钻头，由刀头和基体组合而成，所述刀头由如下重量份的原料制备而成；
镍粉100份、钛酸钡粉85份、钨粉70份、氮化硅粉69份、碳化铬粉65份、氧化铝粉50份、铬粉45份、铜粉30份、碳化钨粉25份、碳化钛粉20份、钠水玻璃5份、硅胶2份；
所述镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉的粒径均大于500目；钠水玻璃模数n为2.6；
所述刀头的制备方法包括如下步骤：
1）按照重量份称取上述各原料备用；
2）将镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉投入到搅拌机中，搅拌均匀得到混合物A；
3）将步骤2）获得的混合物A投入到反应器中，随后添加钠水玻璃，边添加边搅拌，搅拌时间为5分钟，得到混合物B，控制反应器的温度为200℃；
4）将反应器温度降低至25℃，然后往反应器中添加硅胶，搅拌均匀，得到混合物C；
5）将步骤4）得到的混合物C然后装到石墨模具中，然后放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1200℃，烧结时间为40min；
6）将石墨模具取出，冷却至25℃，出模得到胎体，最后将胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。
实施例2
一种采矿钻头的刀头胎体，由如下重量份的原料制备而成；
镍粉100份、钛酸钡粉85份、钨粉70份、氮化硅粉69份、碳化铬粉65份、氧化铝粉50份、铬粉45份、铜粉30份、碳化钨粉25份、碳化钛粉20份、钠水玻璃5份、硅胶2份；
所述镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉的粒径均大于500目；钠水玻璃的模数n为2.6；所述硅胶的孔容为0.6-0.8ml/g，平均孔径为4.5-7.0nm，比表面为450-650m2/g。
所述胎体的制备方法包括如下步骤：
1）按照重量份称取上述各原料备用；
2）将镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉投入到搅拌机中，搅拌均匀得到混合物A；
3）将步骤2）获得的混合物A投入到反应器中，随后添加水玻璃，边添加边搅拌，搅拌时间为5分钟，得到混合物B，控制反应器的温度为200℃；
4）将反应器温度降低至25℃，然后往反应器中添加硅胶，搅拌均匀，得到混合物C；
5）将步骤4）得到的混合物C然后装到石墨模具中，然后放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1200℃，烧结时间为40min；
6）将石墨模具取出，冷却至25℃，出模得到胎体。
实施例3
本发明钻头胎体材料的性能试验：对照组采用按照CN201110433249实施例2方法制备的聚晶金刚石复合片钻头胎体；实验组为本发明实施例2制备的胎体。
通过检测胎体的抗弯强度（采用液压式万能试验机）、抗冲击功以及磨耗比；其中磨耗比测试试验，采用砂轮摩擦胎体，秒表计时180秒，检测砂轮和胎体的质量，确定磨耗比。胎体均采用5mm×5mm×5mm尺寸；砂轮为碳化硅砂轮。具体结果参见表1：
表1
| 类型 | 抗弯强度/MPa | 冲击功(J/cm2) | 砂轮失重/g | 胎体失重/g | 磨耗比 |
| 实验组 | 1316 | 15.6 | 4.12 | 0.46 | 8.9 |
| 对照组 | 902 | 11.9 | 2.49 | 0.71 | 3.5 |
结论：通过比较数据发现，本发明实施例2制备的钻头胎体的抗弯强度、冲击功以及磨耗比等均优于对照组的钻头胎体，尤其在球磨比性能上有了较大的改进，大大减少了原料浪费，节约了成本。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采矿钻头，由刀头和基体组合而成，所述刀头由如下重量份的原料制备而成；镍粉100-120份、钛酸钡粉85-90份、钨粉70-75份、氮化硅粉69-72份、碳化铬粉65-68份、氧化铝粉50-55份、铬粉45-48份、铜粉30-32份、碳化钨粉25-28份、碳化钛粉20-22份、水玻璃5-8份、硅胶2-3份；
所述刀头的制备方法包括如下步骤：
1）按照重量份称取上述各原料备用；
2）将镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉投入到搅拌机中，搅拌均匀得到混合物A；
3）将步骤2）获得的混合物A投入到反应器中，随后添加水玻璃，边添加边搅拌，搅拌时间为5分钟，得到混合物B，控制反应器的温度为200℃；
4）将反应器温度降低至25℃，然后往反应器中添加硅胶，搅拌均匀，得到混合物C；
5）将步骤4）得到的混合物C然后装到石墨模具中，然后放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1200℃，烧结时间为40min；
6）将石墨模具取出，冷却至25℃，出模得到胎体，最后将胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。
2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉的粒径均大于500目；水玻璃优选钠水玻璃，模数n为2.6；所述硅胶的孔容为0.6-0.8ml/g，平均孔径为4.5-7.0nm，比表面为450-650m2/g。
3.一种采矿钻头的刀头胎体，其由如下重量份的原料制备而成；
镍粉100份、钛酸钡粉85份、钨粉70份、氮化硅粉69份、碳化铬粉65份、氧化铝粉50份、铬粉45份、铜粉30份、碳化钨粉25份、碳化钛粉20份、钠水玻璃5份、硅胶2份；
所述胎体的制备方法包括如下步骤：
1）按照重量份称取上述各原料备用；
2）将镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉投入到搅拌机中，搅拌均匀得到混合物A；
3）将步骤2）获得的混合物A投入到反应器中，随后添加水玻璃，边添加边搅拌，搅拌时间为5分钟，得到混合物B，控制反应器的温度为200℃；
4）将反应器温度降低至25℃，然后往反应器中添加硅胶，搅拌均匀，得到混合物C；
5）将步骤4）得到的混合物C然后装到石墨模具中，然后放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1200℃，烧结时间为40min；
6）将石墨模具取出，冷却至25℃，出模得到胎体。
4.如权利要求1-3所述的胎体，其特征在于，所述镍粉、钛酸钡粉、钨粉、氮化硅粉、碳化铬粉、氧化铝粉、铬粉、铜粉、碳化钨粉以及碳化钛粉的粒径均大于500目；所述硅胶的孔容为0.6-0.8ml/g，平均孔径为4.5-7.0nm，比表面为450-650m2/g。
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