一种金刚石钻头及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于地质勘探、石油钻井和工程勘察以及地质灾害治理的金刚石钻头及其制造方法。
背景技术
从我国开始研制人造金刚石钻头开始，制造金刚石钻头主要采用热压方法和电镀方法。热压方法制造的金刚石钻头与电镀金刚石钻头相比，具有较高的硬度和耐磨性，具有一定的适应性。但是，由于地层的多样性，要求不同的地层要有相应性能的钻头去适应，才能取得好的钻进效果。加上普通金刚石钻头的工作层性能与结构单一，钻头的广谱性较差。随着地质找矿向地层深部发展，岩层的性质越来越复杂，在一个钻孔中，甚至一个钻进回次没有钻进完，岩性就发生变化，需要频繁的更换不同性能的钻头，严重地影响着地质钻探的进程，提高了钻探的成本。而热压方法制造的普通金刚石钻头具有较高的硬度和耐磨性，可以适应多数岩层钻进的需要。但是，对于钻进卵砾石地层与硬-脆-碎等强研磨性岩层却显得适应性差，钻进速度不高，钻头的寿命也不长。随着地质找矿向地层深部发展，岩层越来越硬，岩性越来越复杂，强研磨性岩层出现的几率越来越高，几乎所有的金属矿钻探，都会遇到这类岩层，严重地影响着地质勘探的进程，提高了钻探的成本。
【发明内容】
本发明其目的就在于提供一种金刚石钻头及其制造方法，具有硬度高，耐磨性强，使用寿命长的特点，特别适宜在砂卵石地层和硬-脆-碎岩层中钻进。实现本发明所采用的技术方案，包括普通金刚石钻头的工作层和分布在工作层上的烧结体，所述的烧结体为热稳定性聚晶体，包括方柱状和圆柱状热稳定性聚晶体，所述的方柱状热稳定性聚晶体分布排列在钻头的工作层的内外径部位，所述的圆柱状热稳定性聚晶体分布排列在钻头工作层靠近中心的部位。其制造方法包括包括中频电炉热压烧结成金刚石钻头，烧结工艺为温度985℃，压力18MPa，保温时间6min，出炉温度800℃。
与现有技术相比本发明具有以下优点。
由于采用了热稳定性聚晶体在钻头的切削单元中按照一定规律分布、排列的技术设计，与金刚石共体组成破碎岩石的主体，因而具有具有硬度高，耐磨性强，使用寿命长的特点，在砂卵石地层和硬-脆-碎岩层中钻进效果好。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明热压金刚石钻头的结构示意图一；
图2为本发明热压金刚石钻头的结构示意图二。
图中，1-方柱状热稳定性聚晶体；2-圆柱状热稳定性聚晶体；3-工作层胎体；4-水口。
【具体实施方式】
包括普通金刚石钻头的工作层3和分布在工作层上的烧结体，如图1、2所示，所述的烧结体为热稳定性聚晶体，包括方柱状和圆柱状热稳定性聚晶体1、2，所述的方柱状热稳定性聚晶体1分布排列在钻头的工作层3的内外径部位，所述的圆柱状热稳定性聚晶体2分布排列在钻头工作层3靠近中心的部位。
所述的方柱状热稳定性聚晶体1的规格为3×3×10mm，圆柱状热稳定性聚晶体2的规格为φ2×8mm或φ2.5×8mm。
所述的圆柱状热稳定性聚晶体2中的φ2×8mm聚晶分布排列在靠近钻头工作层3内径方向，而φ2.5×8mm聚晶分布排列在钻头工作层3靠近外径方向。同一切削单元内分布排列3～4颗热稳定性聚晶体，同一圆周切削方向的热稳定性聚晶体重叠为1％～2％。
钻头工作层3胎体材料采用碳化钨、YG8、镍、钴、锰、钛以及铜合金；钻头工作层3胎体硬度为HRC40～45，耐磨性为(0.35～0.40)×10-5ML，钻头工作层3胎体内金刚石品级为SMD30～35，金刚石的浓度为88％，金刚石的粒度及其含量分别为：40/45占30％、45/50占40％、60/70占20％、80/100占10％。
其制造方法，包括中频电炉热压烧结成金刚石钻头，所述的中频电炉烧结工艺为，温度985℃，压力18MPa，保温时间6min，出炉温度800℃。
实施例
本发明的内容如下：
(1)采用一种提高钻头耐磨性的思维与设计方法，在提高胎体耐磨性的同时，加强钻头工作层的保径效果，实现钻头运转平稳和工作层的均衡磨损，以达到提高钻头寿命的目的。
(2)在普通热压金刚石钻头的基础上，将热稳定性聚晶体有规律、有序地分布、排列在钻头的工作层中。热稳定性聚晶体既起着破碎岩石的作用，又起着强化钻头的耐磨性的作用和保径效果，有力地提高了钻头的稳定性和使用寿命。
(3)提高钻头的耐磨性不仅仅采用高耐磨性的胎体，往往采用高耐磨性的胎体不利于金刚石出刃，钻头容易出现“打滑”，钻进效率很低。本专利采用了较高耐磨性能的胎体，配合热稳定性聚晶，可以实现钻头的耐磨性高和钻进效果好的双重效果。
(4)采用方柱状聚晶体分布在紧靠钻头的内外径部位，其长度取10mm，有利于提高钻头的保径效果和有效防止钻头的内外径部位偏磨。采用圆柱状聚晶体分布在钻头工作层的中心部位，有利于提高钻进速度和钻头均衡磨损。见图1。
(5)圆柱状聚晶体2沿钻头切削圆周方向排列，完成一部分孔底环状岩石的破碎；同一切削单元内的聚晶允许重叠1％～2％；同一切削单元的聚晶体共体完成整个钻头环状孔底的岩石破碎。
(6)图1、2中所示的两种分布、排列方式，其中的A型结构图1适应于强研磨性地层，例如砂卵石地层；而B型结构图2适应于较强研磨性地层，例如硬-脆-碎地层。
本发明为一种新结构热压金刚石钻头。新结构表现为钻头的工作层部分由普通金刚石工作层和热稳定性聚晶体组成。通过不同规格、形状与数量的聚晶体，有规律分布在钻头工作层的不同部位，可以获得不同的耐磨性，满足不同程度的研磨性岩层的钻进需要。
(1)金刚石钻头的工作层：
本发明从强研磨性岩石的物理力学性质出发，研究其结构特点和在钻头作用下的破碎机理，认识到钻进该类岩石既不能采用大的钻压，也不能采用高的转速。而且，钻头的工作层既要经得起岩石的磨损，又要使得金刚石能够有效地切入岩石中，这样才能实现高的钻进速度和低的磨损量。
通过试验与分析，金刚石钻头的工作层胎体性能必须保持在：其硬度HRc40～HRc45范围，其耐磨性为(0.35～0.40)×10-5ML范围，才能够保证金刚石有好的出刃效果和保证钻头有很好的耐磨性。金刚石钻头硬度与耐磨性主要通过调节胎体的成分含量比与金刚石参数(粒度与浓度)来实现。
(2)本发明金刚石钻头的胎体成分及其含量为：碳化钨38％～40％，YG815％～12％，镍8％～12％，钴3％～5％，锰3％～4％，钛2％～3％，铜合金33％～35％。
(3)本发明钻头的工作层胎体内金刚石品级为SMD30～35，金刚石的浓度为88％，金刚石的粒度及其含量分别为：40/45占30％、45/50占40％、60/70占20％、80/100占10％。
(4)热稳定性聚晶体：
热稳定性聚晶体采用方柱状和圆柱状两种类型，其规格是：方柱状为3×3×10mm，圆柱状为φ2×8mm及φ2.5×8mm。磨耗比是热稳定性聚晶体的主要性能，其值不能低于1∶5万。方柱状聚晶体分布在钻头的内外径部位有利于提高钻头的保径效果；而圆柱状聚晶体分布在钻头工作层的中间部位有利于切削岩石，保证钻进速度。
(5)钻头组装与热压成型：
①采用高强度、高密度与高纯度的石墨材料，按照设计要求，经机械加工制成热压金刚石钻头的烧结模具。
②按配方设计，将各种金属粉末称量好置于球磨筒内进行球磨混料；混料时间不能少于12h。混合好的粉料中加入一定的金刚石和粘结剂，再一次混合均匀。
③将热稳定性聚晶体按设计的方案，有规律地固定在钻头石墨模具内。然后，将混合均匀的含金刚石的胎体粉料按计算的重量称量好，倒入石墨模具内；再加入保径层金属粉料，压实，即完成钻头烧结模具的组装。
④组装好的模具送入中频炉内，送水，启动中频电炉进行热压烧结。在设定的工艺条件下：温度985℃，压力18MPa，保温时间6min。经过该热压工艺的烧结后，炉温下降到800℃时，即可卸压出炉，完成钻头的烧结制作。
⑤烧结好的钻头再经机械加工，外表面装饰，即为该专利热压金刚石钻头成品。