CN108570590B - 一种孕镶金刚石胎体、孕镶金刚石材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孕镶金刚石胎体、孕镶金刚石材料及其制备方法，孕镶金刚石胎体包含以下组分或者由以下组分组成：30wt.％‑70wt.％TiC、10wt.％‑45wt.％Ni粉、5wt.％‑30wt.％Cu粉和0.01wt.％‑20wt.％WC。本发明使用TiC作为胎体硬质相，采用纳米WC增韧，在保证具有高的致密度、抗弯强度和耐磨性的同时降低成本。

Description

一种孕镶金刚石胎体、孕镶金刚石材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钻探复合材料技术领域，涉及一种孕镶金刚石胎体、孕镶金刚石材料及其制备方法。
背景技术
孕镶金刚石钻进在硬岩、研磨性岩石中，尤其是在中深井中，具有高效、钻孔质量高等一系列优点，是一种广泛应用的钻探工艺。孕镶金刚石钻头钻进时，当向孕镶金刚石钻头施加轴载和扭矩时，金刚石钻头的唇部开始磨损，在金刚石没有足够的出刃量时，胎体这一较软的组分比金刚石颗粒磨损快，于是金刚石渐渐出露，吃入并破碎岩石。
目前常用的孕镶金刚石钻头胎体主要成分为硬质相WC和粘结相Cu/青铜，再加入Co、Ni等提高胎体粘结相的强度和硬度。由于孕镶金刚石钻头常采用热压法生产，胎体中通常加入某些活泼金属如Mn，使其在烧结过程中生成MnO，起到脱除胎体中氧和弥散强化胎体的作用。孕镶金刚石钻头胎体中硬质相WC含量通常在50wt.％左右，由于WC的密度为15.63g/cm3，比重高使得孕镶金刚石钻头单位体积成本高。
另外，传统的孕镶金刚石采用热压法制造，热压法是将置于模具内的金刚石和胎体粉末的压制与烧结合并在同一过程中进行，生产效率较高，但由于热压模具常采用石墨模具，其生产的产品尺寸精度较低，而且热压通常在没有保护性气氛中进行，产品的质量波动较大。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种新的孕镶金刚石胎体材料，使用TiC作为胎体硬质相，采用纳米WC增韧，在保证具有高的致密度、抗弯强度和耐磨性的同时降低成本。此外，本发明采用常规硬质合金生产工艺代替传统的热压法来制备孕镶金刚石材料，保证了材料的质量稳定性。
根据本发明的第一方面，提供一种孕镶金刚石材料，其包括以下组分或者由以下组分组成：30wt.％-70wt.％TiC、10wt.％-45wt.％Ni粉、5wt.％-30wt.％Cu粉和0.01wt.％-20wt.％WC粉。
根据本发明的优选实施方式，所述胎体还包括0-20wt.％Co粉，优选5-15wt.％。Ni粉与Co粉的加入有助于提高胎体粘结相的强度和硬度。优选地，Co粉的质量占Ni粉质量的1/3-1。
根据本发明的优选实施方式，所述胎体进一步还包括0-5wt.％Mo2C粉，优选0-2wt.％。
根据本发明的优选实施方式，所述TiC的粒径为1-4μm。
根据本发明的优选实施方式，所述Ni粉的粒径为0.5-2.5μm。
根据本发明的优选实施方式，所述Cu粉的粒径为5-20μm。
根据本发明的优选实施方式，所述Co粉的粒径为0.5-1.5μm。
根据本发明的优选实施方式，所述Mo2C粉的粒径为0.5-2μm。
根据本发明的优选实施方式，所述WC的粒径≤0.3μm，例如，可以为0.05μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm，优选WC的粒径为0.1-0.2μm。金刚石在常压高温下为亚稳状态，会发生石墨化转变，同时金刚石的强度、硬度等性能也大幅下降，所以降低烧结温度成为保证金刚石性能的关键，孕镶金刚石材料通常在800-1100℃热压烧结，以保证胎体的合金化和抑制金刚石的石墨化转变。本发明除采用熔点较低的Cu(熔点1083.4℃)作为主要粘结相，还采用纳米WC，优选粒径0.1-0.2μm的WC来提高粉末的活性和降低材料的烧结温度。本文中所述纳米WC是指粒径≤0.3μm的WC。
另外，WC以纳米WC的形式加入不仅可以提高WC在胎体材料中的分散度，还可以对胎体产生复合强化作用：1)弥散强化：胎体中的纳米WC起到弥散强化的作用，当材料发生变形时，纳米WC在材料受到横向外力作用时由于钉扎作用将阻止纵向伸长，要达到与基体相同的纵向变形，就需增大横向外力，这样就可使材料消耗更多能量，起到增强效果；2)固溶强化：由于纳米WC颗粒易在粘结相如Ni中溶解和扩散，使粘结相中的W含量升高，从而强化合金中的粘结相。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，TiC的含量为30wt.％-70wt.％，例如，可以为30wt.％、40wt.％、50wt.％、60wt.％、70wt.％以及它们之间的任意值，优选地，TiC的含量为40wt.％-60wt.％。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，Ni粉的含量为10wt.％-45wt.％，例如，可以为10wt.％、15wt.％、20wt.％、30wt.％、35wt.％、40wt.％、45wt.％以及它们之间的任意值，优选地，Ni粉的含量为15wt.％-35wt.％。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，Cu粉的含量为5wt.％-30wt.％，例如，可以为5wt.％、7wt.％、10wt.％、15wt.％、20wt.％、25wt.％、30wt.％以及它们之间的任意值，优选地，Cu粉的含量为7wt.％-20wt.％。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，WC的含量为0.01wt.％-20wt.％，例如，可以为0.01wt.％、1wt.％、3wt.％、5wt.％、8wt.％、10wt.％、12wt.％、15wt.％、18wt.％、20wt.％以及它们之间的任意值，优选地，WC粉的含量为1wt.％-18wt.％。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，Co粉的含量为0-20wt.％，例如，可以为0wt.％、0.1wt.％、5wt.％、10wt.％、15wt.％、20wt.％以及它们之间的任意值，优选地，Co粉的含量为5wt.％-15wt.％。
根据本发明的优选实施方式，在所述孕镶金刚石胎体中，Mo2C粉的含量为0-5wt.％，例如，可以为0wt.％、0.1wt.％、1wt.％、2wt.％、3wt.％、4wt.％、5wt.％以及它们之间的任意值，优选地，Mo2C粉的含量为0wt.％-2wt.％。
根据本发明的优选实施方式，所述孕镶金刚石胎体包括以下组分或由以下组分组成：40wt.％-60wt.％TiC、15wt.％-35wt.％Ni粉、7wt.％-20wt.％Cu粉、1wt.％-18wt.％WC、5-15wt.％Co粉和0-2wt.％Mo2C粉。
根据本发明的另一方面，还提供了一种孕镶金刚石材料，其包括上述胎体以及孕镶在所述胎体中的金刚石。
根据本发明的优选实施方式，所述金刚石为镀镍金刚石。由于胎体中含Ni，为了使金刚石和胎体界面结合较好，金刚石以镀镍金刚石的形式加入胎体中，从而增强胎体对金刚石的把持力。
根据本发明的优选实施方式，所述金刚石的粒径为230-270目。
本发明还提供了上述孕镶金刚石材料的制备方法，其包括：
步骤S1、取所需量的TiC、Ni粉、Cu粉、WC粉、Co粉和Mo2C粉进行混合，配制胎体；
步骤S2、向胎体中加入成型剂和金刚石进行湿磨；然后进行干燥、模压、烧结，得到孕镶金刚石材料。
根据本发明的优选实施方式，湿磨时采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨。根据本发明的优选实施方式，球料比为3:1-12:1，优选地，球料比为6:1。
根据本发明的优选实施方式，所述成型剂为石蜡。
根据本发明的优选实施方式，湿磨时研磨介质采用酒精，优选地，湿磨时间为20-40h。
根据本发明的优选实施方式，在步骤S2中，在湿磨结束前的0.5-3h加入金刚石。
根据本发明的优选实施方式，金刚石的浓度为30-120％，优选50-90％。本发明中金刚石的浓度为单位体积工作层内金刚石磨料的含量，工作层内金刚石磨料所占体积比为25％，规定为100％浓度。
根据本发明的优选实施方式，所述烧结的温度为1000-1200℃.
根据本发明的优选实施方式，所述烧结的压力为4-8MPa。
根据本发明的优选实施方式，所述烧结时的保温时间为5-60min。
传统的孕镶金刚石材料采用热压法制造，它是将置于模具内的金刚石和胎体粉末的压制与烧结合并在同一过程中进行，生产效率较高，但由于热压模具常采用石墨模具，其生产的产品尺寸精度较低，而且热压通常在没有保护性气氛中进行，产品的质量波动较大。本发明孕镶金刚石材料的制备方法不采用超硬材料行业常用的热压法生产，而采用常规硬质合金生产工艺生产。然而一般的硬质合金生产工艺中烧结温度较高，在高温下金刚石容易发生石墨化转化，本发明通过调整孕镶金刚石胎体材料的配方，降低了烧结温度，提高了材料的性能和尺寸的稳定性。
本发明采用TiC代替孕镶金刚石钻头胎体中常用硬质相WC，由于WC的密度为15.63g/cm3，比重高使得孕镶金刚石钻头单位体积成本高，而TiC的密度仅有4.92g/cm3，且TiC原料资源丰富，成本低，每千克TiC的市场售价仅为每千克WC的售价的1/3左右，综合密度和售价两方面的因素考虑，TiC单位体积的成本仅为WC单位体积成本的10％，大幅降低孕镶金刚石钻头的单件成本。此外，本发明通过调整胎体配方，在胎体中添加纳米WC增韧以及采用硬质合金工艺生产提高材料的性能和质量的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1的TiC基胎体孕镶金刚石材料金相样SEM照片(25倍)。
图2是本发明实施例1的TiC基胎体孕镶金刚石材料金相样SEM照片(500倍)。
图3是本发明实施例1的TiC基胎体孕镶金刚石材料断口SEM照片(200倍)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不受下述实施例限定。
实施例1
按质量百分比45％TiC-1％WC(粒径0.2μm左右)-32％Ni-7％Cu-15％Co称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨28h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度50％-70％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制，最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
4.7 25.4 6.43 1350
实施例2
按质量百分比40％TiC-1％WC(粒径0.2μm左右)-35％Ni-9％Cu-15％Co称取原料制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨20h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度60％-80％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
4.2 27.7 6.60 1300
实施例3
按质量百分比42％TiC-18％WC(粒径0.2μm左右)-16％Ni-10％Cu-14％Co称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨25h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度70％-90％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
5.6 19.7 6.93 1220
实施例4
按质量百分比30％TiC-2％WC(粒径0.2μm左右)-40％Ni-28％Cu称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨30h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度50％-70％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1180℃，压力4MPa，保温30min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
0 0.4 7.10 1040
实施例5
按质量百分比60％TiC-10％WC(粒径0.2μm左右)-12％Ni-11％Cu-6％Co-1％Mo2C称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨40h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度60％-80％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
12.8 9.2 6.09 1015
实施例6
按质量百分比60％TiC-10％WC(粒径0.2μm左右)-12％Ni-9％Cu-6％Co-3％Mo2C称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨30h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度90％-110％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
13.1 9.3 5.96 700
实施例7
按质量百分比49.5％TiC-1.5％WC(粒径0.2μm左右)-29％Ni-6％Cu-13％Co-1％Mo2C称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨28h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度60％-80％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
4.8 22.3 6.27 1320
实施例8
按质量百分比55％TiC-5％WC(粒径0.2μm左右)-16％Ni-9％Cu-14％Co-1％Mo2C称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨28h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度60％-80％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，得到孕镶金刚石材料，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
4.9 23.8 6.15 1295
对比例1
按质量百分比80％TiC-1％WC(粒径0.2μm左右)-12％Ni-1％Cu-6％Co称取原料配制胎体，采用硬质合金生产用球磨机进行湿磨，球料比为6:1，研磨介质采用酒精，成型剂为石蜡，湿磨28h后，滤出研磨棒，在料浆中加入镀镍金刚石，其中金刚石的浓度50％-70％，混合1h后干燥得到的混合粉末。然后将混合粉末进行压制；最后进行烧结，烧结温度1200℃，压力6MPa，保温40min，按硬质合金行业国标检测其性能，结果如下表所示：
磁力(kA/m) 钴磁(％) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa)
0 0 5.02 270
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (14)

1.一种孕镶金刚石胎体，由以下组分组成：30wt.％-70wt.％TiC、10wt.％-45wt.％Ni粉、5wt.％-30wt.％Cu粉和0.01wt.％-20wt.％WC。
2.根据权利要求1所述的胎体，其特征在于，所述胎体还包括0-20wt.％Co粉，和/或，0-5wt.％Mo2C粉。
3.根据权利要求2所述的胎体，其特征在于，所述Co粉为所述胎体质量的5-15wt.％。
4.根据权利要求2所述的胎体，其特征在于，所述Mo2C粉为所述胎体质量的0-2wt.％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的胎体，其特征在于，所述WC的粒径≤0.3μm。
6.根据权利要求5所述的胎体，其特征在于，所述WC的粒径为0.1-0.2μm。
7.一种孕镶金刚石材料，其包括权利要求1-6中任一项所述的胎体以及孕镶在所述胎体中的金刚石。
8.根据权利要求7所述的孕镶金刚石材料，其特征在于，所述金刚石为镀镍金刚石。
9.根据权利要求7或8所述的孕镶金刚石材料，其特征在于，所述金刚石的粒径为230-270目。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的孕镶金刚石材料的制备方法，其包括：
步骤S1、取所需量的TiC、Ni粉、Cu粉、WC粉、Co粉和Mo2C粉进行混合，配制胎体；
步骤S2、向胎体中加入成型剂和金刚石进行湿磨，然后进行干燥、模压、烧结，得到孕镶金刚石材料。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在湿磨结束前的0.5-3h加入金刚石。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，金刚石的浓度为30-120％；所述金刚石的浓度为单位体积工作层内金刚石磨料的含量。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石的浓度为50-90％。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1000-1200℃，和/或，烧结的压力为4-8MPa，和/或，烧结时的保温时间为5-60min。
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