新型高品級鑿巖金剛石復合齒生產方法

專利名稱：新型高品級鑿巖金剛石復合齒生產方法
技術領域：
本發明涉及一種新型高品級金剛石復合齒，主要是用在三牙輪鉆頭、潛孔鉆具、截 煤齒、挖路齒等工具上使用的金剛石復合齒。
背景技術：
近年來，隨著現代工業的迅速發展，對機械產品的性能要求越來越高，希望其能在 高溫、高壓、高速條件下長期穩定的工作，因而對材料的性能提出了很高的要求。特別是對 硬地層及耐磨性地層的鉆進工具，更希望其具有高硬度、高耐磨性和高耐腐性的性能。作為 石油、天然氣、礦山鑿巖開采等的主要鑿巖工具，其品質直接影響鑿巖的進尺、速度、成本因ο而目前在石油、地質勘探、礦山開采、工程施工等領域使用的硬質合金牙輪鉆頭、 潛孔鉆具的金剛石硬質合金齒，其生產方法如下原料金剛石選用230/270、270/325目粒度各50%，結合劑選用金屬Co，粒度為325 目，按90%的金剛石和10%的Co進行配制，球磨介質為硬質合金球，球料比為15 1，球磨 筒轉速為150轉/分鐘，時間3h，容易產生材料混配不均的問題。內合成模的組裝是在金剛石混合料經過單獨真空處理，或者是結合劑進行氫氣保 護還原后經過混配后再進行組裝工藝。金屬杯采用0.076mm厚的鉬杯與硬質合金基體組 成。組裝方式為將金剛石混合料稱重后裝入單層鉬杯，加入硬質合金基體，然后在手搬壓機 上壓實成內合成模。因采用手動工藝，材料組裝不夠致密。內合成模組裝之前，首先將Co粉進行氫氣還原凈化處理，再將Co粉與金剛石混配 后進行真空處理，然后進行組裝內合成模。其不足之處是凈化不徹底，在組裝工序中，由于 組裝時間過長，會對凈化過的材料產生重復氧化和污染，造成合成中產品產生裂紋，嚴重時 造成金剛石層與硬度合金界面分層脫落。在合成模總成裝配中，采用葉臘石塊、葉臘石環、白云石襯套、導電鋼碗、導電鈦片 做傳壓、密封介質組成外合成模。將內合成模放入NdC1球狀襯模中，另一頭采用NdC1片封 口，然后裝入石墨加熱管，套上白云石襯套，裝入葉臘石合成塊中，上下兩頭先放入鈦片，再 放入導電鋼碗、葉臘石環，組裝成一個完整的合成模總成。采用碳管旁熱式加熱，腔體內部 的溫度場沿徑向周邊高、中心低，沿軸向中心高、兩端低，當周邊燒結好時，中心部位常常出 現“欠燒”，而當中心部位燒結好時，周邊部分常常會發生晶粒異常生長現象，在合成中造成 了很大的難度。高溫超高壓合成半成品，合成工藝流程為先將壓機預熱-設置合成壓力、功率、 時間，升壓升溫，保壓保溫，保壓降溫，保壓等待，降壓，合成結束。半成品粗加工。粗加工粗磨外圓在無芯磨機床上進行，選用80/100目金剛石砂 輪，控制好進刀量，金剛石層向前進方向，粗磨外圓，冷卻液流量適中。粗磨外圓要求保留余 量0. 1mm。硬質合金平面粗加工在平面磨床上進行，選用80/100目金剛石砂輪，將半成品用 專用夾具固定后磨平面轉下道工序。3
半成品精加工，半成品精加工同樣在無芯磨、平面磨機床上加工，只是將金剛石砂 輪換成了 160/180目在精磨前必需將磨床清洗一遍，被免粗顆廢物影響產品光潔度，同時 用碳化硅砂輪修整無芯磨導輪后才能進入精磨加工程序。精磨時要求進刀量要小，冷卻液 流量要大。生產出的金剛石硬質合金齒的硬度不夠高、抗沖擊韌性不夠高、使用壽命短等缺 點，嚴重影響工作效率和鉆井成本，特別是在中硬巖層以上，強磨性地層和非均質地層，更 跟不上發展速度的需要，已成為制約我國鉆井、礦山開采、施工中的瓶頸。為了適應鉆井、礦 山開采工程施工中的需要，提高金剛石復合齒的抗沖擊韌性和耐磨性很有必要。

發明內容
本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種抗沖擊韌性高、耐磨性強，適于在中 硬以上地質及復雜地層中鉆進，使用壽命長、工作效率高的新型高品級鑿巖金剛石復合齒 生產方法。本發明目的的實現方式為，新型高品級鑿巖金剛石復合齒生產方法，具體步驟如 下1)將金剛石微分與金屬Co、Ni、碳化物和碳氮化物作結合劑，并加入高純度乙醇 和硬質合金球，攪拌20-24h，混均，倒出廢液，于100-120°C溫度下烘干，加入2C成型劑，繼 續混配l_2h，清理硬質合金球，金剛石粒度選擇為5-20μπι，結合劑各成分的重量比為Co Ni 碳化物 碳氮化物10% 3% 4% 1%，結合劑粒度5-10μπι，金剛石與結合劑的重量比為 80% 20%,高純度乙醇的加入量應超過材料50mm以上，硬質合金球的加入量與混料量的重 量比為15 1，硬質合金球球徑<i)5-12mm，2C成型劑加入量為物料量的1-5%，2)清潔金屬鉬、鈮雙層套杯和硬質合金基體，將金剛石混合料加入鉬杯中，裝入硬 質合金基體，再加套上金屬鈮杯，而后放入專用鋼模中，在5T兩面頂壓機上壓實，組成內合 成模組元，3)真空，氫、氬氣體連續凈化處理，將內合成模組元裝入專用鉬舟內，依次擺放，不要重疊，以30-50為一組，放入真 空爐中抽真空1. 0X104pa，600°C保溫lh，進行氫氬氣體還原處理，800°C保溫lh，4)合成模總成裝配內合成模組元取出放入NdCl球狀襯模中，另一頭采用NdCl 片封口，然后裝入一支石墨加熱管內，石墨加熱管上下方各擺放一片石墨加熱片，在石墨加 熱管外壁上組裝一套氧化鎂套杯，氧化鎂套杯裝上白云石襯套，裝入葉臘石合成塊中，上下 兩端先放入導電鈦片，再放入導電鋼碗，葉臘石環，組裝成合成模總成，5)高溫超高壓合成合成工藝流程為壓機預熱、設置合成壓力、功率、時間，升壓 升溫、保壓保溫、保壓降溫、保壓等待、降壓、合成結束，合成溫度控制在金剛石穩定區域內。6)半成品粗加工，粗磨外圓在無芯磨機床上進行，用80-100目金剛石砂輪，粗磨 外圓要求保留余量0. 1mm，平面粗加工在平面磨床上進行，選用80-100目金剛石砂輪，7)半成品機械精加工，在無芯磨、平面磨床上精磨外圓、平面，用160-180目金剛 石砂輪，
在萬能工具磨床上用120/140目金剛石砂輪進行硬質合金倒角，倒角為 18° X2. 5mm，8)在球磨機上球磨IOh進行拋光整形，用水清洗，用甲醇進行脫水處理，烘干得產PΡΠ O本發明在混料中高純度乙醇和硬質合金球，由傳統干混工藝，改變為濕混工藝，材 料混配更均勻，組裝更方便準確；采用真空脫氧和對金屬結合劑的還原處理，材料凈化更徹 底；又對雙層金屬杯、硬質合金基體表層進行了同樣的凈化處理，減少了原材料及零件在后 序組裝過程中的重復氧化和污染；采用了鉬、鈮雙層金屬杯，金屬鈮杯厚0. 2mm.，用壓機在 鋼模中壓實，材料組裝更致密；用氧化鎂材料制作保護屏障，由于氧化鎂材料具有很高的耐 熱性能、密封性能和保溫效果，能給合成模腔體內提供一個均衡而又穩定的壓力、溫度場， 提高了產品的質量和合格率。用本發明生產的產品產品合格率> 90%，抗沖擊韌性、耐磨性、熱穩定性好，使用 壽命長，可在石油鉆井、鉆探用三牙輪鉆頭、礦山開采鑿巖鉆具、截煤齒及挖路齒等其他開 采領域的鉆井工具上使用，能在耐磨性巖層或破碎性地層中使用。
具體實施例方式本發明選用MBDlO優質金剛石制作成微粉，粒度控制為5/20 μ m,經過酸堿凈化處 理后與金屬Co、Ni、碳化物和碳氮化物作結合劑，結合劑各成分的重量比為Co Ni 碳化 物碳氮化物10% 3% 4% 1%。金剛石與結合劑的重量比為80% 20%。加入高純度乙醇和硬質合金球在球磨機中混料。高純度乙醇的加入量應超過材料 50mm以上。球磨介質為硬質合金球，硬質合金球的加入量與混料量的重量比為15 1，球 徑<i)5-12mm。球磨筒轉數為150轉/分鐘。攪拌20-Μι，混均，倒出廢液，于100-120°C溫 度下烘干，加入2C成型劑，繼續混配l_2h，清理硬質合金球。本發明在混料中高純度乙醇和硬質合金球，由傳統干混工藝，改變為濕混工藝，材 料混配更均勻，組裝更方便準確。將金剛石混合料取出，在1/1000天平上，放入五只鉬杯將金剛石混合料加入每只 杯中，然后取出放入硬質合金基體，再加套上金屬鈮杯，鈮杯壁厚為0. 2mm。將組裝后的內合 成模組元放入專用鋼模中，在5T兩面頂壓機上壓實組成內合成模組元。用墊塊控制壓制高 度和壓力。組裝中用了金屬鈮杯，用5T壓機在鋼模中壓實，使材料組裝更致密。將金屬鉬、鈮雙層套杯在超聲波設備內加入稀硫酸進行除油、除銹清洗，然后用脫 離子水反復沖洗成中性用電吹風吹干備用，硬質合金基體采用同樣方式進行凈化清洗。減 少了原材料及零件在后序組裝過程中的重復氧化和污染。凈化處理是將內合成模組元裝入專用鉬舟內，依次擺放，不要重疊，按產品尺寸規 格大小以30-50為一組，放入真空爐中抽真空1. 0X104pa，60(TC保溫lh，進行氫氬氣體還 原處理，嚴格控制氫氣流量為3升/分鐘，800°C保溫lh，本發明采用真空脫氧和對金屬結合劑的還原處理，材料凈化更徹底；對雙層金屬 杯、硬質合金基體表層進行了同樣的凈化處理，減少了原材料及零件在后序組裝過程中的 重復氧化和污染問題；采用了鉬、鈮雙層金屬杯，用壓機在鋼模中壓實，材料組裝更致密。5
合成模總成裝配內合成模組元取出放入NdCl球狀襯模中，另一頭采用NdCl片封 口，然后裝入一支石墨加熱管內，石墨加熱管上下方各擺放一片石墨加熱片，在石墨加熱管 外壁上組裝一套氧化鎂套杯，氧化鎂套杯裝上白云石襯套，裝入葉臘石合成塊中，上下兩端 先放入導電鈦片，再放入導電鋼碗，葉臘石環，組裝成合成模總成，本發明在石墨加熱管與內合成模組元之間加了氧化鎂氧化鎂套杯，作為內外合成 交界處的保護屏障，防止了在高溫超高壓下內合成模材料中的NdCl溶液對石墨加熱管的 浸漬，同時也防止了溫度的波動。加之采用了氧化鎂套杯，內壁將NdCl密封在套杯內，外部 可控制石墨加熱管的發熱源，使合成模腔體內溫度達到了均衡的效果。同時也保證了石墨 加熱管良好的導電性能，更有利于合成工藝的進行。在石墨加熱管上下方各增加了 1片石 墨加熱片，以提高軸向兩端的燒結溫度，使合成模腔體內溫度更均衡。高溫超高壓合成，合成工藝流程為先將壓機預熱-設置合成壓力、功率、時間，升 壓升溫，保壓保溫，保壓降溫，保壓等待，降壓，合成成半成品。合成參數設置如下壓力85/90mpa，功率第一功率d950/3000w(100% )，第二功率1600/1650w(56% )；時間升壓60s第一功率保壓保溫6min第二功率保壓保溫2min。合成溫度控制在金剛石穩定區域內。半成品進行初檢分類后進行粗加工，粗磨外圓在無芯磨機床上進行，用80-100目 金剛石砂輪。要求控制好進刀量，金剛石層向前進方向，冷卻液流量適中。粗磨外圓要求保 留余量0. 1mm，平面粗加工在平面磨床上進行，選用80-100目金剛石砂輪，半成品精加工同樣在無芯磨、平面磨機床上加工，只是將金剛石砂輪換成了 160-180目，在精磨前必需將磨床清洗一遍，被免粗顆廢物影響產品光潔度，同時用碳化硅 砂輪修整無芯磨導輪后才能進入精磨加工程序。精磨時要求進刀量要小，冷卻液流量要大。 加工直徑公差士0. 05，高度公差士0. 1完成精加工后，在萬能工具磨床上，用120/140目金剛石砂輪進行硬質合金倒角， 倒角為 18° X 2. 5mm。在上球磨IOh進行拋光整形，用水清洗，用甲醇進行脫水處理，烘干得產品。精加工后的產品放入球磨機內，加入水、清洗液、砂球磨10h，進行拋光整形。球磨 完成后用水清洗，最后用甲醇進行脫水處理，電吹風烘干后轉入檢驗程序。將所有的產品逐個進行檢驗，外觀、尺寸檢驗至合格，合格產品包裝入庫。產品質量標準(企業標準)A抗沖擊韌性800/1000J國標400J (優秀級)B 耐磨性15/20 X IO4國標 15 X IO4 (優秀級)C熱穩定性彡700°C國標。
權利要求
1.新型高品級鑿巖金剛石復合齒生產方法，其特征在于具體步驟如下1)將金剛石微分與金屬Co、Ni、碳化物和碳氮化物作結合劑，并加入高純度乙醇和硬 質合金球，攪拌20-24h，混均，倒出廢液，于100-12(TC溫度下烘干，加入2C成型劑，繼續混 配l_2h，清理硬質合金球，金剛石粒度選擇為5-20 μ m，結合劑各成分的重量比為Co Ni 碳化物碳氮化物 10% 3% 4% 1%，結合劑粒度5-10 μ m，金剛石與結合劑的重量比為80% 20%,高純度乙醇的加入量應超過材料50mm以上，硬質合金球的加入量與混料量的重量比 為15 1，硬質合金球球徑<i)5-12mm，2C成型劑加入量為物料量的1_5%，2)清潔金屬鉬、鈮雙層套杯和硬質合金基體，將金剛石混合料加入鉬杯中，裝入硬質合 金基體，再加套上金屬鈮杯，而后放入專用鋼模中，在5T兩面頂壓機上壓實，組成內合成模 組元，3)真空，氫、氬氣體連續凈化處理，將內合成模組元裝入專用鉬舟內，依次擺放，不要重疊，以30-50為一組，放入真空爐 中抽真空1. 0Xl(^pa，600°C保溫lh，進行氫氬氣體還原處理，800°C保溫lh，4)合成模總成裝配內合成模組元取出放入NdCl球狀襯模中，另一頭采用NdCl片封 口，然后裝入一支石墨加熱管內，石墨加熱管上下方各擺放一片石墨加熱片，在石墨加熱管 外壁上組裝一套氧化鎂套杯，氧化鎂套杯裝上白云石襯套，裝入葉臘石合成塊中，上下兩端 先放入導電鈦片，再放入導電鋼碗，葉臘石環，組裝成合成模總成，5)高溫超高壓合成合成工藝流程為壓機預熱、設置合成壓力、功率、時間，升壓升溫、 保壓保溫、保壓降溫、保壓等待、降壓、合成結束，合成溫度控制在金剛石穩定區域內。6)半成品粗加工，粗磨外圓在無芯磨機床上進行，用80-100目金剛石砂輪，粗磨外圓 要求保留余量0. 1mm，平面粗加工在平面磨床上進行，選用80-100目金剛石砂輪，7)半成品機械精加工，在無芯磨、平面磨床上精磨外圓、平面，用160-180目金剛石砂輪，在萬能工具磨床上用120/140目金剛石砂輪進行硬質合金倒角，倒角為18° X2. 5mm,8)在球磨機上球磨IOh進行拋光整形，用水清洗，用甲醇進行脫水處理，烘干得產品。
全文摘要
本發明涉及一種新型高品級鑿巖金剛石復合齒生產方法。將金剛石微分與金屬Co、Ni、碳化物和碳氮化物作結合劑，加高純度乙醇和硬質合金球，混配成金剛石混合料，由金剛石混合料、雙層金屬鉬、鈮杯、硬質合金基體組成內合成模組元，對內合成模組元進行真空，氫、氬氣體凈化處理，凈化后的內合成模放入NdCl球狀襯模中，裝入石墨加熱管，石墨加熱管外壁上組裝一套氧化鎂套杯，裝入葉臘石合成塊中，放入導電鋼碗，葉臘石環，組裝成合成模總成，高溫超高壓合成，合成溫度控制在金剛石穩定區域內，半成品粗加工、精加工、拋光整形得產品。用本發明生產的產品產品合格率＞90％，抗沖擊韌性、耐磨性、熱穩定性好，使用壽命長，能在耐磨性巖層或破碎性地層中使用。
文檔編號E21B10/46GK102052058SQ20101051225
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者戴世倫, 涂煥斌 申請人:潛江市江漢鉆具有限公司