CN104612591B

CN104612591B - 一种孕镶金刚石块体及其制备方法

Info

Publication number: CN104612591B
Application number: CN201410774687.4A
Authority: CN
Inventors: 门福民; 陈惠�; 王堃; 冯秀鹏
Original assignee: Shenzhen Haimingrun Superhard Materials Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Haimingrun Superhard Materials Co Ltd
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN104612591A

Abstract

本发明公开一种孕镶金刚石块体及其制备方法，包括用于钻探作业的工作层，所述工作层包括胎体粉和孕镶于胎体粉中的金刚石，所述金刚石包括两种不同粒径的金刚石：第一粒径金刚石和第二粒径金刚石，所述金刚石的外表面镀有一层金属镀层，所述金刚石的金属镀层上还包覆有一层金属粉。使得所述聚晶金刚石复合齿在具有良好耐磨性能的同时还具有韧性，解决现有技术中孕镶金刚石块体韧性不足，容易产生崩齿的问题。

Description

一种孕镶金刚石块体及其制备方法

技术领域

本发明涉及钻探用设备领域，尤其涉及一种孕镶金刚石块体及其制备方法。

背景技术

随着现代社会的发展，人们对资源消耗不断增加，地质找矿钻探正向深部、超深部发展，随着钻探深度的增加，地质硬度也随着增加，使得深孔地质钻探的难度越来越大。普通钻头在钻进坚硬岩石地层时，容易出现钻进效率低，钻头寿命短、采取率比较低等情况，很大程度上阻碍了钻探工作的进行。而孕镶金刚石钻头可以有效解决普通钻头所遇到的困难，其通过孕镶在胎体中的金刚石对地层的磨削完成钻进。然而在钻进过程中，孕镶钻头上的金刚石会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。

现有技术中一般是从钻头的结构设计、孕镶金刚石块体组成成分等方面入手进行改进，例如钻头唇部的结构设计、水口设计、仿生设计、调节胎体各组分配比等增强胎体强度，而鲜有对金刚石不同粒径配比进行研究的。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种孕镶金刚石块体及其制备方法，其通过添加两种不同粒径的金刚石并在其表面镀上金属镀层并和包裹金属粉，使得金刚石和胎体粉之间的结合力有效提高，且能有效延缓胎体的磨损，解决了现有技术中因胎体磨损过快而使大粒径金刚石过早脱落，从而导致钻头寿命短且钻进效率低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种孕镶金刚石块体，包括用于进行钻探作业的工作层，其中，所述工作层包括胎体粉和孕镶于胎体粉中的金刚石，所述金刚石包括两种不同粒径的金刚石：第一粒径金刚石和第二粒径金刚石，所述金刚石的外表面镀有一层金属镀层，所述金刚石的金属镀层上还包覆有一层金属粉。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述胎体粉包括WC、W、Co、Ni、Ti、Mn、Cu、Cr、Mo、P、Si中的一种或多种金属粉体。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述金属镀层中的金属包括Ti、Cr、Mo、Ni中的一种或多种。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述金属粉包括胎体粉中的一种或多种金属粉体。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述金属粉的厚度为50-500μm。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述第一粒径金刚石的浓度为50-200%，其粒度为15-75目。

所述的一种孕镶金刚石块体，其中，所述第二粒径金刚石的浓度为25-125%。其粒度为75-500目。

一种孕镶金刚石块体的制备方法，其中，包括以下步骤：

A、选取2种不同粒径的金刚石，并在所选取的金刚石表面镀附一层厚度为1-100μm的金属镀层；

B、在已经镀附金属镀层的金刚石表面包裹一层厚度为50-500μm的金属粉并进行造粒，将已造粒的金刚石与胎体粉混合，使金刚石均匀分散在胎体粉中形成工作层胎原料；

C、向热压烧结模具中加入非工作层胎体粉和工作层胎原料，冷压形成孕镶金刚石毛坯；并将孕镶金刚石毛坯与热压烧结模具一同放入真空热压炉中烧结，；D、烧结完成后，待孕镶金刚石块体自然冷却后热压烧结模具，修整孕镶金刚石块体。

有益效果：本发明所述的一种孕镶金刚石块体及其制备方法，其通过将两种不同粒径的金刚石添加于胎体粉中，并对金刚石表面进行金属镀层和包裹金属粉处理，改善了金刚石和胎体的结合性，且添加粒径较小的第二粒径金刚石可以延缓胎体的磨损，使得所制备出的孕镶金刚石块体在具有良好研磨性能的同时还能有效延长用孕镶金刚石块体所制备出的钻头使用寿命，有效地降低了钻进成本。

附图说明

图1-4为本发明实施中上半部分为工作层、下半部分为非工作层的孕镶金刚石块体的结构示意图。

图5为图1-4的孕镶金刚石块体的俯视图。

图6-8为本发明实施例中工作层与非工作层的结合面平行于圆柱体的轴心或与轴心重合的孕镶金刚石块体的结构示意图。

图9-11分别为图6-8的孕镶金刚石块体的俯视图。

图12为本发明实施例中工作层与非工作层的过渡面与圆柱型块体的轴心成一定角度的孕镶金刚石块体的俯视图。

图13、14分别为图12的孕镶金刚石块体的俯视图。

图15为本发明实施例中少部分为工作层、大部分为非工作层的孕镶金刚石块体的俯视图。

图16、17分别为图15的孕镶金刚石块体的俯视图。

图18为本发明实施例中大部分为工作层、少部分为非工作层的孕镶金刚石块体的俯视图。

图19、20分别为图18的孕镶金刚石块体的俯视图。

图21-23为本发明其他优选实施例的结构示意图。

图24为本发明实施例中孕镶金刚石块体的制备方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种孕镶金刚石块体及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1-23，图1-23为本发明孕镶金刚石不同实施例的结构示意图。本发明一种孕镶金刚石块体，包括工作层100和非工作层200，其中，所述工作层100包括胎体粉和孕镶于胎体粉中的金刚石，所述金刚石包括两种不同粒径的金刚石：第一粒径金刚石和第二粒径金刚石，其中第一粒径金刚石的粒径大于第二粒径金刚石的粒径，所述金刚石的外表面镀有一层金属镀层，所述金刚石的金属镀层上还包覆有一层金属粉。

本发明在孕镶金刚石块体的工作层100中添加两种粒径的金刚石，其在进行钻探工作时，大粒径的第一粒径金刚石负责进行强研磨性地层磨削，小粒径的第二粒径金刚石延缓胎体磨损，从而使第一粒径金刚石工作时间延长。此外两种粒径的金刚石表面上还镀有一层金属镀层和金属粉，其在高温下能形成一层与金刚石和胎体润湿性良好的强碳化合物，保护金刚石，并且使得胎体对金刚石的把持力有效增强，延长孕镶金刚石块体的使用寿命。

较佳的是，本发明实施例中孕镶金刚石块体的形状可以为圆柱体、长方形、正方形及其他多面体或复杂不规则形状。进一步地，本发明所述孕镶金刚石块体的形状为圆柱形，其在钻孔过程中能有效减少与矿壁的摩擦，减少对孕镶金刚石块体的磨损。

优选地，本实施例中孕镶金刚石块体可以只由工作层100组成，其也可以由工作层100和非工作层200组成，工作层100包括胎体粉和孕镶于胎体粉中的金刚石，非工作层200由胎体粉组成。采用工作层100和非工作层200相结合，可以有效增强孕镶金刚石的强度。以圆柱型块体为例，图1-23为圆柱型块体的剖面图，圆柱型块体直径为D，D取值10-30um，圆柱型块体高度为H，取值10-50um。如图1-3所述，圆柱形块体上半部分为工作层100，高度为h，取值范围0-25um，下半部分为非工作层200，具体地，图1中h=H/2；图2中h<H/2；图3中h>H/2。而图4为圆柱型块体的剖面图，圆柱型块体内工作层100与非工作层200间的过渡面不与圆柱型块体底面平行，即h1≠h2，h1取值0-25um，h2取值0-25um，而图5为图4的端面A示意图。另外图6-图8中工作层100与非工作层200的结合面平行于圆柱体的轴心，或与轴心重合，而图9-图11分别是图6-图8的端面B、C、D的示意图，具体地，图6中d=D/2，图7中d>D/2，图8中d<D/2。图12中工作层100与非工作层200的过渡面与圆柱型块体的轴心成一定角度，图13、14分别是图12端面F、G的示意图。图15中圆柱型块体少部分为工作层100，大部分为非工作层200，图16、17分别是图15端面J、I的示意图，具体地，L1取值0-D，L2取值0-H。图18中圆柱型块体大部分为工作层100，少部分为非工作层200，图19、20分别是图18端面K、M的示意图，具体地，L3取值0-H，L4取值0-A。图21-图23中，工作层100和非工作层200的过渡面为曲面结构。

更优选地，所述工作层100和非工作层200的组合可以是轴向方向分层，也可以是径向方向分层，其过渡面可以为平面，也可以为曲面，在此不再赘述。

胎体是孕镶金刚石块体中的重要组成部分，采用孕镶金刚石块体所制备出的钻头，其工作能力很大程度上取决于胎体的性质，胎体需要具有相当的强度、抗冲击韧性,特别是其硬度与耐磨性要与所钻探的岩层性质相适应。本发明中所述胎体粉包括WC、W、Co、Ni、Ti、Mn、Cu、Cr、Mo、P、Si中的一种或多种金属(或非金属)粉体作为原料，具体而言，本发明所述胎体按质量百分比计，其包括：WC：0%-75%；W：0%-30%；Co：0%-20%；Ni：0%-50%；Cu：0%-100%；Fe：0%-80%；Cr：0%-40%；Mo：0%-25%；Mn：0%-15%；Ti：0%-50%；P：0%-10%；Si：0-10%。采用本发明实施例中所述的胎体粉来制备具有双粒径的孕镶金刚石复合齿，使得所制备出的孕镶金刚石块体具有良好的的耐磨性、抗弯强度和冲击韧性。

进一步地，所述金属镀层中的金属包括Ti、Cr、Mo、Ni中的一种或多种。在金刚石表面镀上金属镀层，其在高温下能形成一层与胎体润湿性良好的强碳化合物，有效增大胎体对金刚石的把持力，使得金刚石与胎体能紧密结合，具有良好的力学强度。本实施例中采用Ti、Cr、Mo、Ni中的一种或多种金属作为金属镀层，其与金刚石具有良好的结合力。

本发明实施例中所述孕镶金刚石块体，在其金属镀层外还包裹有一层金属粉，其中，所述金属粉包括胎体粉中的一种或多种金属粉体。采用胎体粉中的金属粉体作为包裹在金刚石金属镀层外的金属粉，其有利于胎体粉成分的分散均匀，提高胎体对金刚石的把持力。

进一步地，所述金属粉的厚度为50-500μm。例如，本实施例中采用厚度为300μm的金属粉可以使其很好地附着于金刚石的金属镀层上。金属粉的厚度过小，不利于金刚石与胎体的结合；金属粉的厚度过大，其与金属镀层无法紧密结合一起。本发明实施例中在金刚石的金属镀层表面上包裹一层厚度为300μm的金属粉，可以使金属粉与金属镀层紧密结合无脱落。

另外，本实施例中采用两种粒径的金刚石，所述大粒径的第一粒径金刚石的浓度为50-200%，其粒度为15-75目；所述小粒径的第二粒径金刚石的浓度为25-125%。其粒度为75-500目。在孕镶金刚石钻头设备中，通常采用浓度来表示金刚石在胎体中的含量，它是影响孕镶金刚石钻头设备性能的重要结构参数，浓度的算法沿用砂轮制造业的"400%浓度制"，即每一立方厘米金刚石层含4.4克拉金刚石,也就是说,金刚石约占胎体的1/4作为100%的浓度,全部都是金刚石时，浓度为400%。浓度过高影响胎体的孕镶能力和金刚石复合齿的转速，浓度过低钻探时的耐磨性不足，降低孕镶金刚石块体的使用寿命。

较佳的是，所述大粒径金刚石的浓度为100%，其粒度为50目；所述小粒径金刚石的浓度为75%，粒度为130目。采用大粒径的第一粒径金刚石，可以有效增强胎体的强度，并利用小粒径的第二粒径金刚石的良好耐磨性能，将其孕镶于胎体内保护胎体，延长孕镶金刚石块体的使用寿命。

另外，如图24所示，本发明还提供一种孕镶金刚石块体的制备方法，其包括以下步骤：

S100、选取2种不同粒径的金刚石，并在所选取的金刚石表面镀附一层厚度为1-100μm的金属镀层；

S200、在已经镀附金属镀层的金刚石表面包裹一层厚度为50-500μm的金属粉并进行造粒，将已造粒的金刚石与胎体粉混合，使金刚石均匀分散在胎体粉中形成工作层胎原料；

S300、向热压烧结模具中加入工作层胎原料，冷压形成孕镶金刚石毛坯；并将孕镶金刚石毛坯与热压烧结模具一同放入真空热压炉中烧结；

S400、烧结完成后，待孕镶金刚石块体自然冷却后热压烧结模具，修整孕镶金刚石块体。

本发明实施例采用真空热压技术来制备孕镶金刚石块体，其将孕镶金刚石毛坯与热压烧结模具一同放入真空热压炉中密封，在烧结前期将炉膛抽真空，可以有效避免胎体粉被空气中的氧气氧化，使所制备出的孕镶金刚石块体的稳定性、耐磨性能良好。

本发明还提供所述孕镶金刚石块体的具体实施例：

实施例1

一种孕镶金刚石块体，按质量百分比计，其胎体粉组成为：

WC:30%； Ni:10%；

Cu:16%； Fe：30%；

Mn:3%； P：1%；

Co:10%；

其金属镀层为：Ti：100%；

其金属粉为：WC：100%；

其第一粒径金刚石浓度为：200%；粒度为：75目；

其第二粒径金刚石浓度为：25%；粒度为：500目。

本实施例1中的孕镶金刚石制备方法，包括以下步骤：

S100、选取上述2种不同粒径的金刚石，并在所选取的金刚石表面镀附一层厚度为100μm的金属镀层；

S200、在已经镀附金属镀层的金刚石表面包裹一层厚度为500μm的金属粉并进行造粒，将已造粒的金刚石与胎体粉混合，使金刚石均匀分散在胎体粉中形成工作层胎原料；

通过本实施例制备出的孕镶金刚石复合齿，其胎体硬度能达到31HRC，适用于坚硬、致密、弱研磨性岩层，坚硬，中等研磨性岩层。工作层的磨耗为0.020mm/m，未加第二粒径金刚石的样品磨耗为0.035mm/m。

实施例2

一种孕镶金刚石块体，按质量百分比计，其胎体粉组成为：

WC:40%； Ni:20%；

Mo:5%； Cu:30%；

Si:5%；

其金属镀层为：Ti：50%；Ni：50%；

其金属粉为：Cu： 60%；Ni： 40%；

其第一粒径金刚石浓度为：100%；粒度为：50目；

其第二粒径金刚石浓度为：50%；粒度为：250目。

本实施例中的孕镶金刚石制备方法与实施例1中的相同，其中金属镀层的厚度为1μm，金属粉的厚度为50μm。

通过本实施例制备出的孕镶金刚石复合齿，其硬度能达到35HRC，适用于硬、弱研磨性岩层，硬、中等研磨性岩层。工作层的磨耗为0.010mm/m，未加第二粒径金刚石的样品磨耗为0.020mm/m。

实施例3

一种孕镶金刚石块体，其胎体粉组成为：

WC:50%； Mn:4%；

Co:10%； Cu:16%；

Ni:10%； Ti:10%；

其金属镀层为：Ti：40%；Ni：30%；Cr：30%；

其金属粉为：Ti： 50%；Ni：50%；

其第一粒径金刚石浓度为：50%；粒度为：15目；

其第二粒径金刚石浓度为：25%；粒度为：75目。

本实施例中的孕镶金刚石制备方法与实施例1中的相同，其中金属镀层的厚度为50μm，金属粉的厚度为300μm。

通过本实施例制备出的孕镶金刚石复合齿，其硬度能达到40HRC，适用于中硬、中等研磨性岩层，中硬、强研磨性岩层。工作层的磨耗为0.030mm/m，未加第二粒径金刚石的样品磨耗为0.050mm/m。

实施例4

一种孕镶金刚石块体，其胎体粉组成为：

WC100%；

其金属镀层为：Ti：25%，Cr：25% ，Mo：25%，Ni：25%

其金属粉种类和组成与胎体粉相同。

其第一粒径金刚石浓度为：100%；粒度为：50目；

其第二粒径金刚石浓度为：30%；粒度为：130目。

本实施例中的孕镶金刚石制备方法与实施例1中的相同，其中金属镀层的厚度为60μm，金属粉的厚度为200μm。

通过本实施例制备出的孕镶金刚石复合齿，其硬度能达到20HRC，适用于坚硬、致密、弱研磨性岩层。工作层的磨耗为0.040mm／m，未加第二粒径金刚石的样品磨耗为0.065mm/m。

综上所述，本发明一种孕镶金刚石块体及其制备方法，通过采用两种不同粒径的金刚石作为原料添加于胎体粉中，并对金刚石表面进行金属镀层和包裹金属粉处理，使得金刚石与胎体紧密结合一起。其中所述金属镀层可以提高金刚石与胎体之间的结合力；而包裹金属粉可以使金刚石在胎体中分散均匀；另外所添加的小粒径的第二粒径金刚石可以延缓胎体的磨损，使大粒径的第一粒径金刚石的工作时间延长，相比与现有技术中的孕镶金刚石，其耐磨损性能和抗冲击韧性等得到明显提高。本发明实施例中所制备出的孕镶金刚石块体在具有良好研磨性能的同时还能有效保护胎体不受破坏，有效地延长用孕镶金刚石块体所制备出的钻头使用寿命，并能有效提高钻进效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种孕镶金刚石块体，包括用于钻探作业的工作层，其特征在于，所述工作层包括胎体粉和孕镶于胎体粉中的金刚石，所述金刚石包括两种不同粒径的金刚石：第一粒径金刚石和第二粒径金刚石，所述金刚石的外表面镀有一层金属镀层，所述金刚石的金属镀层上还包覆有一层金属粉；

所述金属粉包括胎体粉中的一种或多种金属粉体；

所述金属粉的厚度为50-500μm；

所述孕镶金刚石块体的形状为圆柱形。

2.根据权利要求1所述的孕镶金刚石块体，其特征在于，所述胎体粉包括WC、W、Co、Ni、Ti、Mn、Cu、Cr、Mo、P、Si中的一种或多种金属或非金属粉体。

3.根据权利要求1所述的一种孕镶金刚石块体，其特征在于，所述金属镀层中的金属包括Ti、Cr、Mo、Ni、中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种孕镶金刚石块体，其特征在于，所述金属粉的厚度为270μm。

5.根据权利要求1所述的一种孕镶金刚石块体，其特征在于，所述第一粒径金刚石的浓度为50-200%，其粒度为75-200目。

6.根据权利要求1所述的一种孕镶金刚石块体，其特征在于，所述第二粒径金刚石的浓度为25-125%，粒度为35-75目。

7.一种孕镶金刚石块体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

C、向热压烧结模具中加入非工作层胎体粉和工作层胎原料，冷压形成孕镶金刚石毛坯；并将孕镶金刚石毛坯与热压烧结模具一同放入真空热压炉中烧结；

D、烧结完成后，待孕镶金刚石块体自然冷却后热压烧结模具，修整得到孕镶金刚石块体。