CN115401197A - 孕镶金刚石钻头制造模具、制造方法及孕镶金刚石钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种孕镶金刚石钻头制造模具及制造方法，该制造模具包括由外至内依次同轴套接布置的绝缘外芯、钢质底模和绝缘内芯，所述钢质底模包括环状圆柱段和沿环状圆柱段上表面周向间隔分布的若干钢叉，相邻两个钢叉之间安装有石墨压头，所述石墨压头下端面与环状圆柱段上表面之间具有一定间距，形成用于放置胎体粉末的装料空间。该发明通过设计石墨压头，在进行电阻加热时，可相当于电阻烧结的电主体，电流依次流经石墨压头‑胎体粉末‑钢质底模，热量自上向下传导，有效解决了现有对于大直径孕镶金刚石钻头难以保障热压烧结的均质性的问题；并且石墨压头可承受大于50MPa的高压力，充分压密胎体粉末，提高对金刚石的握裹能力。

Description

孕镶金刚石钻头制造模具、制造方法及孕镶金刚石钻头
技术领域
本发明属于岩心钻探技术领域，具体涉及一种孕镶金刚石钻头制造模具、制造方法及孕镶金刚石钻头。
背景技术
孕镶金刚石钻头一般采用中频感应电炉进行烧结制造，其主要存在如下不足：(1)中频感应电炉由于频率受限，加热时由石墨模具中的涡流效应产生热量，并由外向内传导，当钻头壁厚大时，沿钻头径向的升温梯度和温度分布差别较大，导致胎体粉末金属化程度产生差异，难以保障热压烧结的均质性；(2)外模在高温下强度会降低，当施加高压力时外模会损坏，因此一般压力控制在15~18MPa的范围内，很难达到50MPa，导致胎体密度很难提高，金刚石握裹能力难以提高；(3)由于外模高温变形大，损耗大，成本相对较高；(4)大直径钻头用中频感应电炉烧结较为困难，质量控制难度大，价格也很高。
目前出现了先用电阻炉烧结节块，再将节块焊接到钻头钢体上，形成大直径钻头的方法；这种方法的优势是用模框烧结，胎体配方调节容易，节块质量稳定，通过镶焊可降低钻头制造成本，钻头钢体可重复使用等。但是，目前镶焊节块时对焊料要求、同心度要求和焊接水平要求均较高，且在钻进时经常产生钻头掉块的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种孕镶金刚石钻头制造模具，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种孕镶金刚石钻头制造模具，包括由外至内依次同轴套接布置的绝缘外芯、钢质底模和绝缘内芯，所述钢质底模包括环状圆柱段和沿环状圆柱段上表面周向间隔分布的若干钢叉，相邻两个钢叉之间安装有石墨压头，所述石墨压头下端面与环状圆柱段上表面之间具有一定间距，形成用于放置胎体粉末的装料空间。
进一步的，上述孕镶金刚石钻头制造模具还包括钢外模，所述钢外模为钢质环状圆柱体，所述钢外模套接于绝缘外芯上。
进一步的，相邻两个所述钢叉之间的环状圆柱段表面设有盲孔，用于填充粘合剂粉末。
进一步的，所述钢质底模的钢叉沿环状圆柱段周向等间距分布。
进一步的，所述石墨压头为具有一定厚度的扇形块。
进一步的，所述绝缘外芯为环状圆柱体，采用绝缘保温材料制得。
进一步的，所述绝缘内芯为圆柱体，采用绝缘保温材料制得。
进一步的，所述绝缘内芯由环状圆柱体和套装于该环状圆柱体内的铁棒组合而成，其环状圆柱体采用绝缘保温材料制得。
另外，本发明还提供了一种孕镶金刚石钻头的制造方法，采用了上述的孕镶金刚石钻头制造模具，具体包括如下步骤：
S1、将绝缘外芯、钢质底模和绝缘内芯依次同轴圈套，平放于托盘上；
S2、将粘合剂粉末填充于钢质底模的盲孔中，并将胎体粉末填充于由绝缘外芯、绝缘内芯以及钢质底模的钢叉围合形成的空间中；
S3、将石墨压头插装进钢质底模的相邻两个钢叉之间，并使石墨压头的下端面与两钢叉间胎体粉末上表面相接触；
S4、将托盘整体移放至电阻炉中进行热压烧结，其烧结压力为不小于50MPa，烧结温度为900～1150℃，烧结完成后，石墨压头与钢叉上表面齐平，胎体粉末被定容积压实；
S5、取出烧结完成的模具，拆下石墨压头、绝缘外芯、绝缘内芯，并依设计方案车去一定长度的钢叉，即得孕镶金刚石钻头。
本发明还提供了一种孕镶金刚石钻头，采用上述孕镶金刚石钻头的制造方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种孕镶金刚石钻头制造模具通过设计石墨压头，在进行电阻加热时，可相当于电阻烧结的电主体，电流依次流经石墨压头-胎体粉末-钢质底模，热量自上向下传导，有效解决了现有对于大直径孕镶金刚石钻头难以保障热压烧结的均质性的问题；并且石墨压头可承受大于50MPa的高压力，充分压密胎体粉末，提高对金刚石的握裹能力。
(2)本发明提供的这种孕镶金刚石钻头制造模具采用绝缘的外芯和内芯结构设计，有效避免了内外模的电流短路现象，并且保温效果好，加热均匀、效率高。
(3)通过本发明的孕镶金刚石钻头的制造方法制得的孕镶金刚石钻头可将钢质底模通过螺纹连接和电弧焊的方式焊接到钻头钢体上，保证了同心度，同时避免钻头钻进时发生掉块的问题。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明孕镶金刚石钻头制造模具的结构示意图；
图2是本发明中钢质底模的结构示意图；
图3是本发明中石墨压头的结构示意图；
图4是本发明中未插装石墨压头的制造模具结构示意图；
图5是本发明中未插装石墨压头的制造模具仰视图；
图6是本发明中未插装石墨压头的制造模具俯视图；
图7是本发明孕镶金刚石钻头制造模具在胎体粉末待压状态的示意图；
图8是本发明孕镶金刚石钻头制造模具在胎体粉被定容积压实状态示意图；
图9是本发明孕镶金刚石钻头的制造方法流程图。
附图标记说明：1、钢外模；2、绝缘外芯；3、石墨压头；4、钢质底模；5、绝缘内芯；6、盲孔；7、粘合剂粉末；8、胎体粉末；9、钢叉；10、环状圆柱段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
如图1-图6所示，本实施例提供了一种孕镶金刚石钻头制造模具，包括由外至内依次同轴套接布置的绝缘外芯2、钢质底模4和绝缘内芯5，其中，如图2所示，所述钢质底模4包括环状圆柱段10和沿环状圆柱段10上表面周向间隔分布的若干钢叉9，钢叉9与环状圆柱段10为一体结构，保证钢质底模4的强度，优化的，钢叉9沿环状圆柱段10周向等间距分布；在相邻两个钢叉9之间安装有石墨压头3，所述石墨压头3下端面与环状圆柱段10上表面之间具有一定间距，形成用于放置胎体粉末8的装料空间。
在本实施例中，如图3所示，所述石墨压头3为具有一定厚度的扇形块，其均匀程度和尺寸依实际需求而定，且石墨压头3上可承受大于50MPa的高压力。所述绝缘外芯2和绝缘内芯5均采用但不限于叶蜡石的绝缘保温材料制得，避免了外芯和内芯的电流短路现象，且保温效果好；所述绝缘外芯2为环状圆柱体结构，而在钻头直径较小时，所述绝缘内芯5可采用圆柱体结构，对于钻头直径较大时，可设计所述绝缘内芯5由环状圆柱体和套装于该环状圆柱体内的铁棒组合而成，其环状圆柱体采用绝缘保温材料制得，这样可节省绝缘保温材料的使用，降低成本。
优化的，相邻两个所述钢叉9之间的环状圆柱段10表面设有盲孔6，用于填充粘合剂粉末7，在后续加压烧结过程中，粘合剂粉末7用于联结胎体和钢质底模4，起到加强联结强度的作用。
优化的，本实施例的孕镶金刚石钻头制造模具还包括钢外模1，所述钢外模1为钢质环状圆柱体，所述钢外模1套接于绝缘外芯2上，用于防止后续生产加压过程中，绝缘外芯2碎裂，有效解决了现有外模施加高压力易损坏的问题。
如图9所示，采用本实施例的孕镶金刚石钻头制造模具进行制造孕镶金刚石钻头的具体过程如下：
S1、准备阶段：将钢外模1、绝缘外芯2、钢质底模4和绝缘内芯5依次同轴圈套，组成模具，平放于托盘上。
S2、粉末充填阶段：将粘合剂粉末7填充于钢质底模4的盲孔6中，并将胎体粉末8填充于由绝缘外芯2、绝缘内芯5以及钢质底模4的钢叉9围合形成的空间中。
S3、将石墨压头3插装进钢质底模4的相邻两个钢叉9之间，并使石墨压头3的下端面与两钢叉9间胎体粉末8上表面相接触，如图7所示，此时胎体粉末8处于松散待压状态。
S4、热压烧结阶段：将托盘上模具整体移放至电阻炉中进行热压烧结，其烧结压力为不小于50MPa，烧结温度为900～1150℃，其余热压烧结操作过程依常规电阻炉操作流程加压烧结；烧结完成后，石墨压头3与钢叉9上表面齐平，胎体粉末8被定容积压实，如图8所示。
S5、钻头形成阶段：取出烧结完成的模具，拆下石墨压头3、钢外模1、绝缘外芯2、绝缘内芯5，只保留钢质底模4，此时胎体已经与钢质底模4结为一体，并依设计方案车去一定长度的钢叉9，即获得具有一定水口的孕镶金刚石钻头。
在本实施例的孕镶金刚石钻头制造过程中，石墨压头3可以承受大于50MPa的高压力，从而得到更致密的胎体粉末胚体，提高对金刚石的握裹能力；同时将钢质底模4作为成型的孕镶金刚石钻头的一部分，在应用时，可利用钢质底模4通过螺纹连接和电弧焊方式将该孕镶金刚石钻头直接焊接到钻头钢体上，既能有效保证焊接同心度，同时又可避免钻头钻进时发生掉块。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：包括由外至内依次同轴套接布置的绝缘外芯、钢质底模和绝缘内芯，所述钢质底模包括环状圆柱段和沿环状圆柱段上表面周向间隔分布的若干钢叉，相邻两个钢叉之间安装有石墨压头，所述石墨压头下端面与环状圆柱段上表面之间具有一定间距，形成用于放置胎体粉末的装料空间。
2.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：还包括钢外模，所述钢外模为钢质环状圆柱体，所述钢外模套接于绝缘外芯上。
3.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：相邻两个所述钢叉之间的环状圆柱段表面设有盲孔，用于填充粘合剂粉末。
4.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：所述钢质底模的钢叉沿环状圆柱段周向等间距分布。
5.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：所述石墨压头为具有一定厚度的扇形块。
6.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：所述绝缘外芯为环状圆柱体，采用绝缘保温材料制得。
7.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：所述绝缘内芯为圆柱体，采用绝缘保温材料制得。
8.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头制造模具，其特征在于：所述绝缘内芯由环状圆柱体和套装于该环状圆柱体内的铁棒组合而成，其环状圆柱体采用绝缘保温材料制得。
9.一种孕镶金刚石钻头的制造方法，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的孕镶金刚石钻头制造模具，具体包括如下步骤：
S1、将绝缘外芯、钢质底模和绝缘内芯依次同轴圈套，平放于托盘上；
S2、将粘合剂粉末填充于钢质底模的盲孔中，并将胎体粉末填充于由绝缘外芯、绝缘内芯以及钢质底模的钢叉围合形成的空间中；
S3、将石墨压头插装进钢质底模的相邻两个钢叉之间，并使石墨压头的下端面与两钢叉间胎体粉末上表面相接触；
S4、将托盘整体移放至电阻炉中进行热压烧结，其烧结压力为不小于50MPa，烧结温度为900～1150℃，烧结完成后，石墨压头与钢叉上表面齐平，胎体粉末被定容积压实；
S5、取出烧结完成的模具，拆下石墨压头、绝缘外芯、绝缘内芯，并依设计方案车去一定长度的钢叉，即得孕镶金刚石钻头。
10.一种孕镶金刚石钻头，其特征在于：采用如权利要求9所述的制造方法制得。
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