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膠；c）利用設計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，一起放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭。本方法實現金剛石有序排列，進而合理安排鉆頭不同工作結構面的金剛石濃度，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。
【專利說明】一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法
【技術領域】
[0001]本發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】
[0002]目前，我國地質勘探逐步向深部發展，深部鉆探所面臨的巖層更為復雜，對金剛石鉆頭性能要求也更高。傳統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，難以適應深部復雜多變地層的鉆進；電鍍法制造的金剛石鉆頭往往內外保徑效果較差，鉆頭的使用壽命較低，也難以適應深部復雜地層，特別是非完整地層和強研磨性地層。此外，傳統金剛石鉆頭工作層內部結構較為單一，也即胎體內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，導致鉆頭對巖層的適應性不理想，大大降低了鉆頭的使用性能。
[0003]運用釬焊法制造金剛石工具是近些年國內外學者研究較多的一種新方法，釬焊技術可以使得釬料中的某些活性元素與金剛石表層碳原子發生化學冶金反應，在金剛石表面形成一層金屬碳化物層，通過這層碳化物層，金剛石、釬料與基體三者形成牢固的化學冶金結合，有利于提高單顆金剛石的出刃高度和工作時間，進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境非常惡劣，為保證金剛石鉆頭的壽命，應采用耐磨性較好的鎳基釬料制作金剛石鉆頭。但是，釬料包鑲金剛石強的同時也會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。中國發明專利CN 101824968A公開了一種新型孕鑲釬焊金剛石鉆頭，該發明通過對金剛石顆粒的釬焊預處理，增強了金剛石與胎體的結合強度，提高了鉆頭的鉆進時效和壽命。但該專利運用的是二次成型的工藝制造金剛石鉆頭，對金剛石的熱損傷有較大的影響。此外，中國專利CN101862834A公開發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粒混合后在特定條件下燒結，制成多層釬焊金剛石鉆頭。但該發明制作出來的鉆頭，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。為了實現釬焊孕鑲金剛石的及時出刃，本發明人曾嘗試采用在胎體中添加細鐵絲來實現胎體的超前磨損，該方法實現了金剛石的及時出刃，但是鉆頭內金剛石濃度較高且為無序排列，金剛石的利用率有待提聞。
[0004]對金剛石工具里的金剛石進行有序化也是近些年熱門的研究話題，有序排布金剛石工具可以使得工具內每顆金剛石得到充分利用，進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，有序排布技術較適合應用于低濃度的金剛石工具制作中。因此，有序排布技術往往應用于金剛石鋸片、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120%，約為金剛石鋸片的2~4倍。發明專利CN101285371公開了一種金剛石定位排布孕鑲地質鉆頭，但該方法屬于傳統熱壓法制造的金剛石鉆頭，金剛石與胎體未能實現化學冶金結合，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。為實現釬焊孕鑲金剛石鉆頭的有序排列，本發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，在釬焊片之間添加粘結胎體粉末，再通過熱壓法制成了釬焊-熱壓多層有序排列金剛石鉆頭，這種鉆頭實現了金剛石的有序排列，降低了金剛石的濃度，提高了鉆頭的鉆進時效，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，因此還需改進制造釬焊孕鑲金剛石鉆頭的制造工藝。
[0005]綜上所述，現有的金剛石鉆頭難以滿足深孔鉆進的需要，因此，研制出一種適應于深孔繩索取心鉆進的高時效、長壽命、低成本新型金剛石鉆頭很有必要。
【發明內容】
[0006]本發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、并使鉆頭內金剛石進行有序排列，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題，鉆頭的鋒利度和使用壽命得到了顯著提高。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
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)將設計的釬料混合均勻后，通過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)按照順序將多層薄坯疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個具有一定強度的冷壓工作層；
(6)將工作層放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，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需求進行確定，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，若想孔內只掉進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，所述噴撒的有機膠要求在常溫下具有粘結性，而在較低的燒結升溫過程中能盡快揮發掉，且所剩殘留物質低。
[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，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，使之成為一個具有強度的冷壓工作層4。
[0014]所述的一種有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭方法，鉆頭燒結在真空爐中進行，燒結溫度不高于1050°C，真空度小于10_3Pa。
[0015]本發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、胎體包鑲金剛石強、金剛石利用率高、鉆頭壽命長等優點，可廣泛運用于地質勘探、工程鉆孔等領域，特別適用于深孔硬巖鉆進。
【專利附圖】
【附圖說明】
[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 內螺紋；5 金剛石；6—胎體；7—釬料層①；8—工作層②。
【具體實施方式】
[0018]下面結合實施例對本發明作進一步說明。
[0019]實施例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:將設計的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+Fe 30 wt %)混合均勻后,通過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)按照一定的順序將多層薄坯3疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個具有一定強度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，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]用本發明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進IX堅硬致密細粒花崗巖時，鉆進時速為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:將設計的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+WC 20 wt %)混合均勻后，通過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)按照一定的順序將多層薄坯3疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個具有一定強度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，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]用本發明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進IX堅硬致密細粒砂巖時，鉆進時速為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:將設計的釬料①(NiCrBSi合金釬料70 wt %+WClO wt %)混合均勻后，通過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)按照一定的順序將多層薄坯3疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個具有一定強度的冷壓工作層4 ；
(6)將工作層4放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，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]用本發明工藝制備的有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭，在鉆進珊級硬~堅硬中粒花崗巖時，鉆進時速為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]以上實施只作對本發明說明之例，并不是對本發明的限定，本發明還可以有其他的實施方式，凡采用等同替換或等效變換形式的技術方案，均屬于本發明要求的保護范圍。
【權利要求】
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)將設計的釬料①混合均勻后，通過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)按照順序將多層薄坯(3)疊加在一起，裝入冷壓模具中，再冷壓一次，使之成為一個具有一定強度的冷壓工作層(4)； (6)將工作層(4)放入裝有鉆頭鋼體和過渡層的石墨模具中，在真空爐中進行燒結，得到有序排列釬焊孕鑲金剛石鉆頭。
2.根據權利要求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(:粉當中的一種或兩種。
3.根據權利要求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.根據權利要求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需求進行確定，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，若想孔內只掉進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，使得單孔內掉入2~3顆金剛石。
5.根據權利要求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，所述噴撒的有機膠要求在常溫下具有粘結性，而在較低的燒結升溫過程中能盡快揮發掉，且所剩殘留物質低。
6.根據權利要求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，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.根據權利要求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，使之成為一個具有強度的冷壓工作層⑷。
8.根據權利要求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，鉆頭燒結在真空爐中進行，燒結溫度不高于10501，真空度小于10—3？3。
【文檔編號】E21B10/46GK104453722SQ201410714056
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】章文姣, 曲艷東, 孔祥清, 譚松成 申請人:遼寧工業大學