CN104847276B - 一种用于地质勘探的合金钻头 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，公开了一种用于地质勘探的合金钻头，其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：钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份。本发明的钻头在抗弯强度、冲击韧性、磨耗比以及耐腐蚀性能均表现出较好的性能。

Description

一种用于地质勘探的合金钻头

技术领域本发明属于机械加工领域，涉及一种用于地质勘探的合金钻头。

背景技术

“地质勘探”即是通过各种手段、方法对地质进行勘查、探测，确定合适的持力层，根据持力层的地基承载力，确定基础类型，计算基础参数的调查研究活动。是在对矿产普查中发现有工业意义的矿床，为查明矿产的质和量，以及开采利用的技术条件，提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料，对一定地区内的岩石、地层、构造、矿产、水文、地貌等地质情况进行调查研究工作。

钻头是地质勘探中用的较多的工具之一。目前，大多数地质勘探工作都使用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。

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、磨耗比以及耐腐蚀性能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合金钻头。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于地质勘探的合金钻头，其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：

钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份；

所述纳米氧化钇或纳米氧化铈的粒径为10nm；所述玻璃纤维或石墨纤维的直径为5μm，长度为50μm；钢粉，镍粉，铜粉，锰粉，钼粉，钒粉以及碳化钨粉的粒径均为200目。

上述钻头的制备方法包括如下步骤：

1）制备改性高岭土：将硅烷偶联剂KH-560和高岭土依次添加到乙醇中，500转/min搅拌30min，再将混料80℃烘干5小时，研磨至粒径为200目，即得；所述硅烷偶联剂KH-560、乙醇以及高岭土的质量比为1：20：10。

2）制备改性凹凸棒土：将凹凸棒土添加到搅拌反应器中，然后添加2倍重量的1M盐酸，200转/min搅拌5min，80℃烘干，最后研磨至粒径为200目，即得。

3）制备改性碳化硅：将碳化硅送至球磨机，磨至粒径为200目粉末，然后将粉末置于容器中，随后添加改性剂，1000转/min离心搅拌10min，即得；所述改性剂由钛酸异丙酯、水以及丙酮按照1：2：1的重量比混合均匀制得；所述改性剂的添加量为碳化硅质量的百分之一；

4）混合和烧结：将钢粉，镍粉，铜粉，改性碳化硅，锰粉，钼粉，钒粉，碳化钨粉，改性高岭土，改性凹凸棒土，纳米氧化钇，纳米氧化铈，玻璃纤维以及石墨纤维混合搅拌均匀，静置12h，然后装到石墨模具中，进入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30min；

5）冷却和焊接：将石墨模具取出，冷却至30℃，出模得到刀头胎体，最后将刀头胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。

本发明还公开了一种用于钻头的刀头胎体，原料组成和制备方法同上。

本发明取得的有益效果主要包括：

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；本发明使用纳米氧化钇和纳米氧化铈组分均匀，粒度小，形成弥漫强化，可提高强度，还具备一定的润滑作用；本发明通过对碳化硅进行改性，提高了碳化硅的分散效果，避免了堆积；改性高岭土和改性凸凹棒土对基体材料填充增强、提高抗磨减摩能力和软化温度的作用；本发明通过添加玻璃纤维和石墨纤维，使得产品内部组织结构的纵横均匀度，合金粉末分散均匀，并且大大提高了耐磨性和抗腐蚀性能。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请具体实施例，对本发明进行更加清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种用于地质勘探的合金钻头，其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：

钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份；

所述纳米氧化钇或纳米氧化铈的粒径为10nm；所述玻璃纤维或石墨纤维的直径为5μm，长度为50μm；钢粉，镍粉，铜粉，锰粉，钼粉，钒粉以及碳化钨粉的粒径均为200目。

上述钻头的制备方法包括如下步骤：

1）制备改性高岭土：将硅烷偶联剂KH-560和高岭土依次添加到乙醇中，500转/min搅拌30min，再将混料80℃烘干5小时，研磨至粒径为200目，即得；所述硅烷偶联剂KH-560、乙醇以及高岭土的质量比为1：20：10。

2）制备改性凹凸棒土：将凹凸棒土添加到搅拌反应器中，然后添加2倍重量的1M盐酸，200转/min搅拌5min，80℃烘干，最后研磨至粒径为200目，即得。

3）制备改性碳化硅：将碳化硅送至球磨机，磨至粒径为200目粉末，然后将粉末置于容器中，随后添加改性剂，1000转/min离心搅拌10min，即得；所述改性剂由钛酸异丙酯、水以及丙酮按照1：2：1的重量比混合均匀制得；所述改性剂的添加量为碳化硅质量的百分之一；

4）混合和烧结：将钢粉，镍粉，铜粉，改性碳化硅，锰粉，钼粉，钒粉，碳化钨粉，改性高岭土，改性凹凸棒土，纳米氧化钇，纳米氧化铈，玻璃纤维以及石墨纤维混合搅拌均匀，静置12h，然后装到石墨模具中，进入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30min；

5）冷却和焊接：将石墨模具取出，冷却至30℃，出模得到刀头胎体，最后将刀头胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。

实施例2

一种用于地质勘探合金钻头的刀头胎体，其由如下重量份的原料制备而成：

钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份；

所述纳米氧化钇或纳米氧化铈的粒径为10nm；所述玻璃纤维或石墨纤维的直径为5μm，长度为50μm；钢粉，镍粉，铜粉，锰粉，钼粉，钒粉以及碳化钨粉的粒径均为200目。

上述刀头胎体的制备方法包括如下步骤：

1）制备改性高岭土：将硅烷偶联剂KH-560和高岭土依次添加到乙醇中，500转/min搅拌30min，再将混料80℃烘干5小时，研磨至粒径为200目，即得；所述硅烷偶联剂KH-560、乙醇以及高岭土的质量比为1：20：10。

2）制备改性凹凸棒土：将凹凸棒土添加到搅拌反应器中，然后添加2倍重量的1M盐酸，200转/min搅拌5min，80℃烘干，最后研磨至粒径为200目，即得。

3）制备改性碳化硅：将碳化硅送至球磨机，磨至粒径为200目粉末，然后将粉末置于容器中，随后添加改性剂，1000转/min离心搅拌10min，即得；所述改性剂由钛酸异丙酯、水以及丙酮按照1：2：1的重量比混合均匀制得；所述改性剂的添加量为碳化硅质量的百分之一；

4）混合和烧结：将钢粉，镍粉，铜粉，改性碳化硅，锰粉，钼粉，钒粉，碳化钨粉，改性高岭土，改性凹凸棒土，纳米氧化钇，纳米氧化铈，玻璃纤维以及石墨纤维混合搅拌均匀，静置12h，然后装到石墨模具中，进入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30min；

5）冷却和出模：将石墨模具取出，冷却至30℃，出模即得刀头胎体。

实施例3

本发明实施例2制备的刀头胎体材料的性能试验：

机械性能测试：检测了抗弯强度（采用WE-10B液压式万能试验机）、洛氏硬度测试（采用洛氏硬度测试仪）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。具体见表1：

表1

类型	抗弯强度/MPa	洛氏硬度	砂轮失重/g	胎体失重/g	磨耗比
						本发明胎体	1223	43	3.96	0.59	6.71
PDC钻头胎体	1100	40	2.78	0.61	4.57

通过表1的比较发现，本发明刀头胎体的抗弯强度、洛氏硬度以及磨耗比等均优于常规的PDC胎体，可作为PDC钻头胎体的替代品。

海水腐蚀性能测试：

在天然海水中腐蚀500小时：

本发明实施例2：表面极轻微腐蚀，99％以上保持光亮；1％左右区域成灰褐色斑点；PDC钻头胎体材料：表面轻微腐蚀，90％左右保持光亮；10％左右区域成灰褐色斑点。

上述实施例仅为本发明优选的实施案例，不能以此来限定本发明所要求保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明多要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于地质勘探的合金钻头，由刀头和基体组合而成，其特征在于，所述刀头由如下重量份的原料制备而成：

钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份；

所述钻头的制备方法包括如下步骤：

1）制备改性高岭土：将硅烷偶联剂KH-560和高岭土依次添加到乙醇中，500转/min搅拌30min，再将混料80℃烘干5小时，研磨至粒径为200目，即得；所述硅烷偶联剂KH-560、乙醇以及高岭土的质量比为1：20：10；

2）制备改性凹凸棒土：将凹凸棒土添加到搅拌反应器中，然后添加2倍重量的1M盐酸，200转/min搅拌5min，80℃烘干，最后研磨至粒径为200目，即得；

3）制备改性碳化硅：将碳化硅送至球磨机，磨至粒径为200目粉末，然后将粉末置于容器中，随后添加改性剂，1000转/min离心搅拌10min，即得；所述改性剂由钛酸异丙酯、水以及丙酮按照1：2：1的重量比混合均匀制得；所述改性剂的添加量为碳化硅质量的百分之一；

4）混合和烧结：将钢粉，镍粉，铜粉，改性碳化硅，锰粉，钼粉，钒粉，碳化钨粉，改性高岭土，改性凹凸棒土，纳米氧化钇，纳米氧化铈，玻璃纤维以及石墨纤维混合搅拌均匀，静置12h，然后装到石墨模具中，进入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30min；

5）冷却和焊接：将石墨模具取出，冷却至30℃，出模得到刀头胎体，最后将刀头胎体加工成刀头，焊接到基体上即得。

2.一种用于地质勘探合金钻头的刀头胎体，其特征在于，所述刀头胎体由如下重量份的原料制备而成：

钢粉100份，镍粉30份，铜粉20份，改性碳化硅8份，锰粉6份，钼粉4份，钒粉4份，碳化钨粉3份，改性高岭土2份，改性凹凸棒土2份，纳米氧化钇1份，纳米氧化铈1份，玻璃纤维1份，石墨纤维1份；

所述纳米氧化钇或纳米氧化铈的粒径为10nm；所述玻璃纤维或石墨纤维的直径为5μm，长度为50μm；所述钢粉，镍粉，铜粉，锰粉，钼粉，钒粉以及碳化钨粉的粒径均为200目；

所述刀头胎体的制备方法包括如下步骤：

1）制备改性高岭土：将硅烷偶联剂KH-560和高岭土依次添加到乙醇中，500转/min搅拌30min，再将混料80℃烘干5小时，研磨至粒径为200目，即得；所述硅烷偶联剂KH-560、乙醇以及高岭土的质量比为1：20：10；

2）制备改性凹凸棒土：将凹凸棒土添加到搅拌反应器中，然后添加2倍重量的1M盐酸，200转/min搅拌5min，80℃烘干，最后研磨至粒径为200目，即得；

3）制备改性碳化硅：将碳化硅送至球磨机，磨至粒径为200目粉末，然后将粉末置于容器中，随后添加改性剂，1000转/min离心搅拌10min，即得；所述改性剂由钛酸异丙酯、水以及丙酮按照1：2：1的重量比混合均匀制得；所述改性剂的添加量为碳化硅质量的百分之一；

4）混合和烧结：将钢粉，镍粉，铜粉，改性碳化硅，锰粉，钼粉，钒粉，碳化钨粉，改性高岭土，改性凹凸棒土，纳米氧化钇，纳米氧化铈，玻璃纤维以及石墨纤维混合搅拌均匀，静置12h，然后装到石墨模具中，进入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30min；

5）冷却和出模：将石墨模具取出，冷却至30℃，出模即得刀头胎体。