一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法
【專利摘要】一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，涉及一種鑲金剛石鉆頭方法，步驟：a）將釬料粉末①、工作層粉末②通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4mm厚的片狀薄坯，分別作為工作層(1)和工作層(2)；b）在工作層1表面刷上一層特殊的有機(jī)膠；c）利用設(shè)計(jì)好的有序排列模板將金剛石粘貼在工作層(1)上，再將工作層(2)粘貼在其上，形成工作層(3)；d）將多層分布有有序排列金剛石的工作層(3)按同一順序疊加起來(lái)，一起放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭。本方法實(shí)現(xiàn)金剛石有序排列，進(jìn)而合理安排鉆頭不同工作結(jié)構(gòu)面的金剛石濃度，顯著提高金剛石鉆頭的鋒利度和使用壽命，降低鉆頭成本和鉆井成本。
【專利說(shuō)明】一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鑲金剛石鉆頭方法，特別是涉及一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)地質(zhì)勘探逐步向深部發(fā)展，深部鉆探所面臨的巖層更為復(fù)雜，對(duì)金剛石鉆頭性能要求也更高。傳統(tǒng)制造金剛石鉆頭的方法有熱壓法和電鍍法，熱壓法制造的金剛石鉆頭性能較難控制，難以適應(yīng)深部復(fù)雜多變地層的鉆進(jìn)；電鍍法制造的金剛石鉆頭往往內(nèi)外保徑效果較差，鉆頭的使用壽命較低，也難以適應(yīng)深部復(fù)雜地層，特別是非完整地層和強(qiáng)研磨性地層。此外，傳統(tǒng)金剛石鉆頭工作層內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為單一，也即胎體內(nèi)部的金剛石與胎體成分都是性能一致的均勻分布在工作層中，導(dǎo)致鉆頭對(duì)巖層的適應(yīng)性不理想，大大降低了鉆頭的使用性能。
[0003]運(yùn)用釬焊法制造金剛石工具是近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多的一種新方法，釬焊技術(shù)可以使得釬料中的某些活性元素與金剛石表層碳原子發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，在金剛石表面形成一層金屬碳化物層，通過(guò)這層碳化物層，金剛石、釬料與基體三者形成牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，有利于提高單顆金剛石的出刃高度和工作時(shí)間，進(jìn)而提高工具的切削效率和使用壽命。金剛石鉆頭在孔底的工作環(huán)境非常惡劣，為保證金剛石鉆頭的壽命，應(yīng)采用耐磨性較好的鎳基釬料制作金剛石鉆頭。但是，釬料包鑲金剛石強(qiáng)的同時(shí)也會(huì)使得金剛石難以出刃，所以目前研制成功的釬焊金剛石工具一般為單層釬焊金剛石工具。中國(guó)發(fā)明專利CN 101824968A公開(kāi)了一種新型孕鑲釬焊金剛石鉆頭，該發(fā)明通過(guò)對(duì)金剛石顆粒的釬焊預(yù)處理，增強(qiáng)了金剛石與胎體的結(jié)合強(qiáng)度，提高了鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效和壽命。但該專利運(yùn)用的是二次成型的工藝制造金剛石鉆頭，對(duì)金剛石的熱損傷有較大的影響。此外，中國(guó)專利CN101862834A公開(kāi)發(fā)明了一次成型多層釬焊金剛石鉆頭的制作工藝，將鎳基釬料與金剛石顆?；旌虾笤谔囟l件下燒結(jié)，制成多層釬焊金剛石鉆頭。但該發(fā)明制作出來(lái)的鉆頭，胎體太硬，金剛石難以出刃，特別不適用于深部弱研磨性硬巖的鉆進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)釬焊孕鑲金剛石的及時(shí)出刃，本發(fā)明人曾嘗試采用在胎體中添加細(xì)鐵絲來(lái)實(shí)現(xiàn)胎體的超前磨損，該方法實(shí)現(xiàn)了金剛石的及時(shí)出刃，但是鉆頭內(nèi)金剛石濃度較高且為無(wú)序排列，金剛石的利用率有待提聞。
[0004]對(duì)金剛石工具里的金剛石進(jìn)行有序化也是近些年熱門(mén)的研究話題，有序排布金剛石工具可以使得工具內(nèi)每顆金剛石得到充分利用，進(jìn)而降低工具的金剛石用量，降低成本。但是，由于難以制作具有高密度孔洞的有序排布模板，有序排布技術(shù)較適合應(yīng)用于低濃度的金剛石工具制作中。因此，有序排布技術(shù)往往應(yīng)用于金剛石鋸片、金剛石磨輪等低濃度金剛石工具中。為保證鉆頭的壽命，傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭的金剛石濃度約為90%，電鍍金剛石鉆頭甚至達(dá)120%，約為金剛石鋸片的2~4倍。發(fā)明專利CN101285371公開(kāi)了一種金剛石定位排布孕鑲地質(zhì)鉆頭，但該方法屬于傳統(tǒng)熱壓法制造的金剛石鉆頭，金剛石與胎體未能實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，金剛石的利用率還是較低，且由于金剛石濃度較低，鉆頭壽命較短。為實(shí)現(xiàn)釬焊孕鑲金剛石鉆頭的有序排列，本發(fā)明人曾嘗試采用在不銹鋼薄片上釬焊好有序排列單層金剛石后，再將多層釬焊片疊加起來(lái)，在釬焊片之間添加粘結(jié)胎體粉末，再通過(guò)熱壓法制成了釬焊-熱壓多層有序排列金剛石鉆頭，這種鉆頭實(shí)現(xiàn)了金剛石的有序排列，降低了金剛石的濃度，提高了鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效，但是由于該制造方法屬于二次成型，加重了金剛石的熱損傷，鉆頭的壽命提高不是很明顯，因此還需改進(jìn)制造釬焊孕鑲金剛石鉆頭的制造工藝。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的金剛石鉆頭難以滿足深孔鉆進(jìn)的需要，因此，研制出一種適應(yīng)于深孔繩索取心鉆進(jìn)的高時(shí)效、長(zhǎng)壽命、低成本新型金剛石鉆頭很有必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，該方法提高金剛石與胎體連接而降低金剛石鉆頭濃度、并使鉆頭內(nèi)金剛石進(jìn)行有序排列，解決了鉆頭工作齒中金剛石利用率低、金剛石不易出刃的問(wèn)題，鉆頭的鋒利度和使用壽命得到了顯著提高。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述方法包括以下步驟:
(1)將設(shè)計(jì)的釬料混合均勻后，通過(guò)冷壓成形工藝制成鉆頭唇面形狀的片狀薄坯，約
0.4mm 厚；
(2)將工作層粉末通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4mm厚的片狀薄坯；
(3)在薄坯上噴灑有機(jī)膠，將打有孔洞的有序排列模板緊貼其上，再在模板的上方撒一層金剛石，用一軟毛刷將多余的金剛石掃下并回收，揭開(kāi)模板，薄坯上便附有有序排列的金剛石；
(4)在薄坯的一面噴灑有機(jī)膠，并將其貼在附有金剛石的薄坯上，形成組合的薄坯；
(5)按照順序?qū)⒍鄬颖∨鳢B加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有一定強(qiáng)度的冷壓工作層；
(6)將工作層放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭。
[0008]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述工作層粉末采用NiCr合金釬料，或添加有Fe粉、WC粉當(dāng)中的一種或兩種。
[0009]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述工作層粉末采用Fe粉、663Cu、Ni粉、Mn按比例混合后的粉末。
[0010]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述有序排列模板的孔徑可根據(jù)需求進(jìn)行確定，但必須大于單顆金剛石的粒徑d，最好小于3倍金剛石直徑，若想孔內(nèi)只掉進(jìn)I顆金剛石，則孔徑為d~2d之間，若想提高金剛石濃度，可增大模板孔徑，使得單孔內(nèi)掉入2~3顆金剛石。
[0011]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述噴撒的有機(jī)膠要求在常溫下具有粘結(jié)性，而在較低的燒結(jié)升溫過(guò)程中能盡快揮發(fā)掉，且所剩殘留物質(zhì)低。
[0012]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，需將薄坯3按順序疊加起來(lái)，例如工作層I —金剛石一工作層2 —工作層I —金剛石一工作層2……一金剛石。
[0013]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，所述按順序疊加后的多層薄坯3，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有強(qiáng)度的冷壓工作層4。
[0014]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，鉆頭燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度不高于1050°C，真空度小于10_3Pa。
[0015]本發(fā)明制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭具有金剛石出刃及時(shí)、胎體包鑲金剛石強(qiáng)、金剛石利用率高、鉆頭壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛運(yùn)用于地質(zhì)勘探、工程鉆孔等領(lǐng)域，特別適用于深孔硬巖鉆進(jìn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭的制造工藝流程示意圖；
圖2是有序排列釬焊孕鑲石鉆頭剖面圖；
圖3 Ca)是有序排列釬焊孕鑲石鉆頭俯視圖；
圖3(b)是鉆頭切削齒內(nèi)金剛石的排列圖；
圖4是有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭切削齒的組成圖。
[0017]圖中:1 切削齒；2 水口 ；3 鉆頭鋼體；4 內(nèi)螺紋；5 金剛石；6—胎體；7—釬料層①；8—工作層②。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1:
一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭制備工藝如下:
第一步:將設(shè)計(jì)的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+Fe 30 wt %)混合均勻后,通過(guò)冷壓成形工藝制成鉆頭唇面形狀的片狀薄坯1，約0.4mm厚；
第二步:將工作層粉末②(Fe 40wt %+663Cu 30wt %+Ni 20wt %+Mn 1wt %)通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4mm厚的片狀薄還2 ；
第三步:在薄坯I上噴灑有機(jī)膠，將打有孔洞的有序排列模板緊貼其上，再在模板的上方撒一層金剛石，用一軟毛刷將多余的金剛石掃下并回收，揭開(kāi)模板，薄坯I上便附有有序排列的金剛石，金剛石濃度約為45% ；
(4)在薄坯2的一面噴灑有機(jī)膠，并將其貼在附有金剛石的薄坯I上，形成組合的薄坯
3 ；
(5)按照一定的順序?qū)⒍鄬颖∨?疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有一定強(qiáng)度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，可顯著提高單顆金剛石的出刃高度和利用率，降低鉆頭成本，提聞鉆頭的鋒利度和使用壽命。
[0020]用本發(fā)明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)IX堅(jiān)硬致密細(xì)?；◢弾r時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)速為1.2m/h,比普通熱壓金剛石鉆頭提高了 60% (0.75m/h),比電鍍金剛石鉆頭提高了 17.6% (1.02m/h)。鉆頭壽命提高了 40%以上，而鉆頭中金剛石濃度(體積濃度約為45%)的降低，大大降低了鉆頭成本。
[0021]實(shí)施例2:
一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭制備工藝如下:
第一步:將設(shè)計(jì)的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+WC 20 wt %)混合均勻后，通過(guò)冷壓成形工藝制成鉆頭唇面形狀的片狀薄坯1，約0.4mm厚；
第二步:將工作層粉末②(Fe 40wt %+663Cu 35wt %+Ni 20wt %+Mn 5wt %)通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4mm厚的片狀薄還2 ；
第三步:在薄坯I上噴灑有機(jī)膠，將打有孔洞的有序排列模板緊貼其上，再在模板的上方撒一層金剛石，用一軟毛刷將多余的金剛石掃下并回收，揭開(kāi)模板，薄坯I上便附有有序排列的金剛石，金剛石濃度約為60% ；
(4)在薄坯2的一面噴灑有機(jī)膠，并將其貼在附有金剛石的薄坯I上，形成組合的薄坯
3 ；
(5)按照一定的順序?qū)⒍鄬颖∨?疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有一定強(qiáng)度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，可顯著提高單顆金剛石的出刃高度和利用率，降低鉆頭成本，提聞鉆頭的鋒利度和使用壽命。
[0022]用本發(fā)明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)IX堅(jiān)硬致密細(xì)粒砂巖時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)速為2.35m/h,比普通熱壓金剛石鉆頭提高了 30.5% (1.8m/h),比電鍍金剛石鉆頭提高了 20.5% (1.95m/h)。鉆頭壽命提高了 30%以上，而鉆頭中金剛石濃度(體積濃度約為60%)的降低，少量WC的使用，大大降低了鉆頭成本。
[0023]實(shí)施例3:
一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭制備工藝如下:
第一步:將設(shè)計(jì)的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+WClO wt %)混合均勻后，通過(guò)冷壓成形工藝制成鉆頭唇面形狀的片狀薄坯I，約0.4mm厚；
第二步:將工作層粉末②(Fe 40wt %+663Cu 35wt %+Ni 17wt %+Mn 8wt %)通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4mm厚的片狀薄還2 ；
第三步:在薄坯I上噴灑有機(jī)膠，將打有孔洞的有序排列模板緊貼其上，再在模板的上方撒一層金剛石，用一軟毛刷將多余的金剛石掃下并回收，揭開(kāi)模板，薄坯I上便附有有序排列的金剛石，金剛石濃度約為60% ；
(4)在薄坯2的一面噴灑有機(jī)膠，并將其貼在附有金剛石的薄坯I上，形成組合的薄坯
3 ；
(5)按照一定的順序?qū)⒍鄬颖∨?疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有一定強(qiáng)度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，可顯著提高單顆金剛石的出刃高度和利用率，降低鉆頭成本，提聞鉆頭的鋒利度和使用壽命。
[0024]用本發(fā)明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)珊級(jí)硬~堅(jiān)硬中?；◢弾r時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)速為1.8m/h，比普通熱壓金剛石鉆頭提高了 50%(1.2m/h)，比電鍍金剛石鉆頭提高了 38.5%(1.3m/h)。鉆頭壽命提高了 30%以上，而鉆頭中金剛石濃度(體積濃度約為60%)的降低，少量WC的使用，大大降低了鉆頭成本。
[0025]以上實(shí)施只作對(duì)本發(fā)明說(shuō)明之例，并不是對(duì)本發(fā)明的限定，本發(fā)明還可以有其他的實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形式的技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)將設(shè)計(jì)的釬料①混合均勻后，通過(guò)冷壓成形工藝制成鉆頭唇面形狀的片狀薄坯(1),約0.4臟厚； (2)將工作層粉末②通過(guò)冷壓成形工藝制成約0.4皿厚的片狀薄坯(2)； (3)在薄坯1上噴灑有機(jī)膠，將打有孔洞的有序排列模板緊貼其上，再在模板的上方撒一層金剛石，用一軟毛刷將多余的金剛石掃下并回收，揭開(kāi)模板，薄坯(1)上便附有有序排列的金剛石； (4)在薄坯(2)的一面噴灑有機(jī)膠，并將其貼在附有金剛石的薄坯(1)上，形成組合的薄坯(3)； (5)按照順序?qū)⒍鄬颖∨?3)疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有一定強(qiáng)度的冷壓工作層(4)； (6)將工作層(4)放入裝有鉆頭鋼體和過(guò)渡層的石墨模具中，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述工作層粉末①采用附0合金釬料，或添加有粉、1(:粉當(dāng)中的一種或兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述工作層粉末②采用粉、663。、附粉、胞按比例混合后的粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述有序排列模板的孔徑可根據(jù)需求進(jìn)行確定，但必須大于單顆金剛石的粒徑么最好小于3倍金剛石直徑，若想孔內(nèi)只掉進(jìn)1顆金剛石，則孔徑為‘2(1之間，若想提高金剛石濃度，可增大模板孔徑，使得單孔內(nèi)掉入2~3顆金剛石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述噴撒的有機(jī)膠要求在常溫下具有粘結(jié)性，而在較低的燒結(jié)升溫過(guò)程中能盡快揮發(fā)掉，且所剩殘留物質(zhì)低。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，需將薄坯(3)按順序疊加起來(lái)，例如工作層(1)—金剛石一工作層工作層(1)—金剛石一工作層(2)……一金剛石。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，所述按順序疊加后的多層薄坯(3),裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個(gè)具有強(qiáng)度的冷壓工作層⑷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，其特征在于，鉆頭燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度不高于10501，真空度小于10—3？3。
【文檔編號(hào)】E21B10/46GK104453722SQ201410714056
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】章文姣, 曲艷東, 孔祥清, 譚松成 申請(qǐng)人:遼寧工業(yè)大學(xué)