專利名稱：添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，屬于地質(zhì)工程學(xué)科領(lǐng)域中土層或巖石的鉆進領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
至今為止我國開始研制人造金剛石鉆頭已有半個世紀(jì)。目前的金剛石鉆頭具有較好的性能，可以獲得較高的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。但是，隨著向深部找礦方向的發(fā)展，巖層越來越堅硬致密，鉆進速度變得很低，一般均在O. 5m/h以下，有時需要3個小時才能鉆進一米；很多時侯一個鉆孔雖然只有十幾米的堅硬致密巖石，必須花上幾天甚至十幾天的時間鉆進，才能通過這層堅硬而致密的巖層，這種狀況已嚴(yán)重地影響了鉆探工程的進度。通常遭遇巖石堅硬致密，鉆頭的胎體不易被磨損，使得鉆進中金剛石不易出刃，因 而鉆進效率極低?，F(xiàn)有的金剛石鉆頭的品種少，還沒有哪種鉆頭能夠有效鉆進這類硬至堅硬致密的巖層。因此，現(xiàn)有鉆頭的技術(shù)與鉆進效果，已不能滿足當(dāng)前鉆進硬至堅硬、完整致密巖層的鉆探需求。故針對硬至堅硬致密巖層研制一種鉆進效率較高、使用壽命較長的鉆頭已是地質(zhì)工程學(xué)科的當(dāng)務(wù)之急的研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
氧化鋁空心球是粉末冶金中的造孔材料，由于添加不同粒度與數(shù)量的氧化鋁空心球，使得粉末冶金材料中具有不同數(shù)量與大小的孔隙度。利用這一現(xiàn)象與原理，將氧化鋁空心球應(yīng)用到熱壓金剛石鉆頭的制造中，研制出一種熱壓金剛石鉆頭，使得鉆頭的工作層胎體材料中含有一定數(shù)量和大小的孔隙，降低了胎體的耐磨性能，達到提高金剛石的出刃效果和提高鉆進速度的效果。本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有鉆頭存在的技術(shù)問題，而提供一種添加氧化鋁空心球的制造熱壓金剛石鉆頭的制造方法，并使應(yīng)用本方法生產(chǎn)出的鉆頭在鉆進硬至堅硬致密巖石中鉆進效率高，使用壽命長，從而滿足地質(zhì)工程學(xué)科領(lǐng)域的迫切需求。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是提供一種添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，工藝步驟為
(1)準(zhǔn)備氧化鋁空心球制粒敷膜材料選用的氧化鋁空心球直徑為I 3mm，敷膜材料選用銅-鐵-石墨混合的粉末，膠黏劑選用三乙醇胺；
(2)準(zhǔn)備金剛石制粒敷膜材料選用金剛石的粒度為40/45目占50% 65%，50/60目占35°/Γ50%，金剛石的品級為SMD3(T35，敷膜材料選用鐵-鎳-銅合金粉，膠黏劑選用酒精-甘油混合液，酒精與甘油的體積比為I比2 ;
(3)制粒敷膜機采用自行研制的無級調(diào)速制粒機，制粒敷膜機的料筒為鼓形，料筒最大處直徑350mm，高200mm，料筒的中心軸線與水平角度調(diào)節(jié)至45°，制粒敷膜機轉(zhuǎn)速調(diào)至60 70r/min ；
(4)先裝入要制粒敷膜的氧化鋁空心球，啟動制粒敷膜機，邊轉(zhuǎn)動邊噴膠黏劑，接著慢慢均勻撒入銅-鐵-石墨粉料，使氧化鋁空心球的表面裹敷一薄層銅-鐵-石墨粉膜層，敷膜層的厚度控制在O. 10 O. 15mm ；
(5)采用上述相同的方法，對金剛石進行制粒敷膜，敷膜用膠黏劑為酒精-甘油混合液，敷膜材料為鐵-鎳-銅合金粉末，敷膜厚度為O. 10 O. 15mm ；
(6)按照質(zhì)量比在敷膜后的氧化鋁空心球與金剛石中加入經(jīng)過球磨機混磨的鉆頭胎體粉料，并加入酒精-甘油膠黏劑混合均勻；再按照計算好的不同規(guī)格的鉆頭的需材量稱重，裝入石墨模具內(nèi)，壓上鉆頭鋼基體，送入中頻電爐和壓力機組合的一體機中熱壓燒結(jié)；
(7)熱壓燒結(jié)工藝為熱壓壓力為15 16MPa，電爐溫度950 960°C，保溫時間4 5min,810 830°C出爐，出爐后鉆頭在裝有顆粒狀石棉粉的保溫箱中緩冷至室溫，脫模，制成添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭。 所述的氧化鋁空心球制粒敷膜材料中的銅-鐵-石墨粉料按質(zhì)量％為銅45 50，鐵30 35，石墨20 25。所述的金剛石制粒敷膜材料中的鐵-鎳-銅合金粉末按質(zhì)量％為鐵45 55、鎳12 16，銅合金32 38。所述的鉆頭胎體粉料按質(zhì)量％為鐵32 38，鎳10 14，鈷3 5，YG8 8 10，銅合金34 45，混合后置于球磨機中球磨8h，保證各種粉料混磨均勻。本發(fā)明的步驟(7)中所述制成的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭，其中在每個扇形切削工作塊上均形成多層無序排列的氧化鋁空心球與金剛石復(fù)合切削體結(jié)構(gòu)，氧化鋁空心球的體積濃度為12% 18%;金剛石的體積濃度為11% 13%。本發(fā)明的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明金剛石鉆頭的制造方法選材科學(xué)，選擇了氧化鋁空心球作為制造熱壓金剛石鉆頭的輔助材料，氧化鋁空心球具有很好的造孔能力，鉆頭胎體中孔隙形成能夠獲得一系列的效果①使得鉆頭胎體具有一定數(shù)量和大小的孔隙，適度降低胎體的耐磨性。②提高了鉆頭底唇面與孔底巖石的摩擦系數(shù)，胎體磨蝕得到增強。③鉆頭的底唇面面積減少，在相同的鉆進壓力下，單位面積的鉆壓得到提高。④形成的孔隙能夠短時間儲存巖粉和洗井液，對于冷卻鉆頭和磨損胎體起著積極作用。綜合作用的結(jié)果，能夠有效提高金剛石的出刃效果，改變常規(guī)金剛石鉆頭在鉆進硬至堅硬致密巖石時金剛石不出刃，出現(xiàn)鉆進時效極低，鉆頭使用壽命極短的現(xiàn)象，因而能夠取得突破性的效果。2、采用本發(fā)明的方法制造的鉆頭的鉆進性能好，能夠在硬至堅硬致密巖石中鉆進，取得鉆進時效明顯提高、使用壽命較長的效果，對突破堅硬致密巖石的鉆進能夠取得顯著的進步。試驗表明所獲得的鉆進時效比普通金剛石鉆頭提高759^100%，鉆頭的使用壽命也提高7(Γ95%，這是其它普通金剛石鉆頭所不具有的特點和優(yōu)勢。3、本發(fā)明的制造方法工藝簡單，操作容易。使用本發(fā)明方法制造的金剛石鉆頭可用于地質(zhì)勘探、石油鉆井、科學(xué)鉆探和工程勘察中，同時還可用于地質(zhì)災(zāi)害的治理。


圖1為使用本發(fā)明方法制造的熱壓金剛石鉆頭的底唇面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的1-1剖視局部結(jié)構(gòu)示意圖。上述圖中1-扇形切削工作塊；2_金剛石；3_氧化鋁空心球；4-水口 ；5_鉆頭保徑層；6-鉆頭鋼基體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例1 :以采用本發(fā)明的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法制造Φ 77/48mm規(guī)格鉆頭為例，具體工藝步驟為
(I)準(zhǔn)備氧化鋁空心球制粒敷膜的材料選用直徑為I 3mm的氧化鋁空心球，敷膜材料選用銅-鐵-石墨混合的粉末，銅-鐵-石墨混合的粉末按質(zhì)量比為銅45%，鐵35%，石墨20% ;|父黏劑選用二乙醇胺。
(2)制粒敷膜機采用自行研制的無級調(diào)速制粒機，制粒敷膜機的料筒為鼓形，料筒最大處直徑350mm，高200mm，料筒的中心軸線與水平角度調(diào)節(jié)至45°，制粒敷膜機轉(zhuǎn)速調(diào)至 60r/mino(3)先裝入要制粒敷膜的氧化鋁空心球，啟動制粒敷膜機使之轉(zhuǎn)動，邊轉(zhuǎn)動邊噴三乙醇胺膠黏劑，接著慢慢均勻撒入銅-鐵-石墨粉料，使氧化鋁空心球的表面裹敷一薄層銅-鐵-石墨粉膜層，敷膜層的厚度控制在O. 15mm。(4)采用上述相同的方法，對金剛石進行制粒敷膜，敷膜用的膠黏劑為酒精-甘油混合液，撒入鐵-鎳-銅合金粉末，鐵-鎳-銅合金粉末按質(zhì)量比例為鐵54%,鎳12%,銅合金34% ;金剛石的粒度為40/50目占60%，50/60目占40% ;敷膜厚度為O. 15mm。(5)取鉆頭的胎體粉料，鉆頭胎體粉料按質(zhì)量比為鐵36%，鎳粉12%，YG8粉8%，鈷3%，銅合金粉41%，混合置于球磨機中球磨8h，保證各種粉料混合均勻。每個Φ 77/48mm規(guī)格鉆頭所需胎體粉料是163g。(6)將裹敷了膜層的氧化鋁空心球和金剛石以及球磨過的鉆頭的胎體粉料，按照質(zhì)量比5 11 163與酒精-甘油混合液膠黏劑混合均勻，再按照計算好的每個鉆頭用量稱重，裝入制造Φ 77/48mm規(guī)格鉆頭的石墨模具內(nèi)，壓上鉆頭鋼基體6，送入中頻電爐和壓力機組合的一體機中熱壓燒結(jié)。(7)熱壓燒結(jié)工藝為熱壓壓力為15MPa，電爐溫度950°C，保溫時間4min，820°C出爐，出爐后鉆頭置于顆粒狀石棉粉保溫箱中緩冷至室溫，脫模，制成添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭。制成的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭參見圖1、圖2，鉆頭包括有鉆頭鋼基體6和8個扇形切削工作塊1、8個水口 4，在鉆頭鋼基體6下端焊有鉆頭保徑層5，鉆頭扇形切削工作塊I設(shè)在鉆頭保徑層5下端，每個扇形切削工作塊I均有由無序排列的氧化鋁空心球3、金剛石2與胎體材料通過熱壓燒結(jié)形成的復(fù)合切削體結(jié)構(gòu)，金剛石2的體積濃度為12%，氧化鋁空心球3的體積濃度為15%。扇形切削工作塊I高為10mm，鉆頭的保徑層5高為8謹(jǐn)。實施例2 :采用本發(fā)明的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法制造Φ95/68規(guī)格鉆頭，具體工藝各步驟基本同實施例1，不同的是扇形切削工作塊1、水口 4為10個，扇形切削工作塊I高為12mm，鉆頭的保徑層5高為9mm。由于鉆頭的規(guī)格不同，口徑變大，鉆頭胎體材料的用量隨之不同，步驟(5)與步驟(6)必然不相同。步驟(5)取鉆頭的胎體粉料，鉆頭胎體粉料按質(zhì)量比為鐵36%，鎳粉12%，YG8粉8%，鈷3%，銅合金粉41%，稱量后置于球磨機中球磨8h，保證各種粉料混磨均勻。Φ 95/68規(guī)格鉆頭每個鉆頭所需胎體粉料200g。步驟(6)將裹敷了膜層的氧化鋁空心球和金剛石以及鉆頭的胎體粉料，按照質(zhì)量比7 : 14 : 200與酒精-甘油混合液膠黏劑混合均勻，按照計算好的用量稱重，裝入制造Φ95/68πιπι規(guī)格鉆頭的石墨模具內(nèi)，壓上鉆頭鋼基體6，送入中頻電爐一體機中熱壓燒結(jié)。制成的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭總體結(jié)構(gòu)及使用效果同實施例1。
本說明書中若有未作詳細(xì)描述的內(nèi)容，則屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的技術(shù)，此處不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，其特征在于工藝步驟為 (1)準(zhǔn)備氧化鋁空心球制粒敷膜材料選用的氧化鋁空心球直徑為I 3mm，敷膜材料選用銅-鐵-石墨混合的粉末，膠黏劑選用三乙醇胺； (2)準(zhǔn)備金剛石制粒敷膜材料選用金剛石的粒度為40/45目占50% 65%，50/60目占359^50%，金剛石的品級為SMD3(T35，敷膜材料選用鐵-鎳-銅合金粉，膠黏劑選用酒精-甘油混合液，酒精與甘油的體積比為I比2 ; (3)制粒敷膜機采用自行研制的無級調(diào)速制粒機，制粒敷膜機的料筒為鼓形，料筒最大處直徑350mm，高200mm，料筒的中心軸線與水平角度調(diào)節(jié)至45°，制粒敷膜機轉(zhuǎn)速調(diào)至60 70r/min ； (4)先裝入要制粒敷膜的氧化鋁空心球，啟動制粒敷膜機，邊轉(zhuǎn)動邊噴膠黏劑，接著慢慢均勻撒入銅-鐵-石墨粉料，使氧化鋁空心球的表面裹敷一薄層銅-鐵-石墨粉膜層，敷膜層的厚度控制在0. 10 0. 15mm ； (5)采用上述相同的方法，對金剛石進行制粒敷膜，敷膜用膠黏劑為酒精-甘油混合液，敷膜材料為鐵-鎳-銅合金粉末，敷膜厚度為0. 10 0. 15mm ； (6)按照質(zhì)量比在敷膜后的氧化鋁空心球與金剛石中加入經(jīng)過球磨機混磨的鉆頭胎體粉料，并加入酒精-甘油膠黏劑混合均勻；再按照計算好的不同規(guī)格的鉆頭的需材量稱重，裝入石墨模具內(nèi)，壓上鉆頭鋼基體，送入中頻電爐和壓力機組合的一體機中熱壓燒結(jié)； (7)熱壓燒結(jié)工藝為熱壓壓力為15 16MPa，電爐溫度950 960°C，保溫時間4 5min，810 830°C出爐，出爐后鉆頭在裝有顆粒狀石棉粉的保溫箱中緩冷至室溫，脫模，制成添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，其特征在于所述的氧化鋁空心球制粒敷膜材料中的銅-鐵-石墨粉料按質(zhì)量％為銅45 50，鐵30 35，石墨20 25。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，其特征在于所述的金剛石制粒敷膜材料中的鐵-鎳-銅合金粉末按質(zhì)量％為鐵45 55、鎳12 16，銅合金32 38。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，其特征在于所述的鉆頭胎體粉料按質(zhì)量％為鐵32 38，鎳10 14，鈷3 5，YG8 8 10，銅合金34 45，混合后置于球磨機中球磨8h，保證各種粉料混磨均勻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法，其特征在于步驟(7)中所述制成的添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭，其中在每個扇形切削工作塊上均形成多層無序排列的氧化鋁空心球與金剛石復(fù)合切削體結(jié)構(gòu)，氧化鋁空心球的體積濃度為12% 18% ;金剛石的體積濃度為11% 13%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鉆頭的制造方法。工藝為分別將氧化鋁空心球和金剛石進行制粒敷膜，再將敷膜的氧化鋁空心球、金剛石和經(jīng)球磨的鉆頭胎體粉料與膠黏劑混勻，按各規(guī)格鉆頭需材量稱重裝入石墨模具內(nèi)，壓上鉆頭鋼基體送入中頻電爐和壓力機組合的一體機中燒結(jié)；熱壓壓力15～16MPa，爐溫950～960℃，保溫4～5min，815～830℃出爐，出爐后在保溫條件下緩冷至室溫，脫模，制成本發(fā)明的鉆頭。本鉆頭的扇形切削工作塊中金剛石體積濃度為11%～13%，氧化鋁空心球體積濃度為12%～18%。制成的鉆頭用于硬至堅硬致密巖石中鉆進，比普通金剛石鉆頭的鉆進時效平均提高95%，使用壽命提高80%。
文檔編號E21B10/46GK103015903SQ20121050491
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者楊展, 朱恒銀, 王強, 楊凱華 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)