强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法
阅读说明：本技术 强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法 (Enhanced hot-pressing columnar diamond complex impregnated bit and manufacturing method thereof ) 是由 叶宏煜 谢涛 杨凯华 邹盛树 金钟铃 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法。它包括钻头钢体、设置在钻头钢体端部的多个支撑体、焊接钻头钢体和支撑体的保径焊接层及水口,所述水口位于相邻的支撑体之间,所述保径焊接层位于钻头钢体与支撑体之间,所述支撑体内设有多个金刚石复合体,所述金刚石复合体按二环或三环排列,分布于支撑体中,所述金刚石复合体占钻头的工作底唇面积的55～80％；所述金刚石复合体内复合金刚石采用SMD-(40)金刚石,所述支撑体内复合金刚石采用SMD-(30)金刚石。本发明钻头结构独特,在正常钻进规程条件下,在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进,钻进比压大,金刚石出刃好,可以取得钻进效率高与钻头使用寿命长的特点。(The invention discloses a reinforced hot-pressing columnar diamond complex impregnated bit and a manufacturing method thereof. The diamond composite drill bit comprises a drill bit steel body, a plurality of supporting bodies arranged at the end part of the drill bit steel body, gauge protection welding layers for welding the drill bit steel body and the supporting bodies, and water gaps, wherein the water gaps are positioned between the adjacent supporting bodies, the gauge protection welding layers are positioned between the drill bit steel body and the supporting bodies, a plurality of diamond composites are arranged in the supporting bodies, the diamond composites are arranged in two rings or three rings and distributed in the supporting bodies, and the diamond composites account for 55-80% of the area of a working bottom lip of the drill bit; the composite diamond in the diamond composite body adopts SMD 40 Diamond, composite diamond mining in the supportBy SMD 30 Diamond. The drill bit has a unique structure, and can drill in a hard, compact and weak-abrasiveness rock stratum under the condition of a normal drilling regulation, the specific drilling pressure is large, the diamond edge is good, and the characteristics of high drilling efficiency and long service life of the drill bit can be achieved.)
技术领域
本发明属于地质勘探、石油钻井或工程勘察
技术领域
，具体涉及一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法。也用于地质灾害的防治，特别地应用于坚硬致密岩石钻进的金刚石钻头。背景技术
现有技术制造金刚石钻头仍然采用热压方法和电镀方法为主。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，对于钻进坚硬致密弱研磨性岩层却表现为钻进时效极低，一般为0.3～0.4m/h；钻头的使用寿命短，只有5～8m左右。电镀方法制造的钻头虽然具有适应性较好，钻进速度较高，但在钻进硬至坚硬致密性岩层中，同样表现出时效低与寿命短。
随着地质找矿向地层深部发展，岩层越来越硬，坚硬致密弱研磨性岩层出现的几率越来越高，几乎所有的金属矿钻探中，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，成为了长期困扰探矿工程技术人员的一大难题。
为了解决这类岩层的钻进难的问题，现有技术采用软而耐磨性低的胎体，工作层内部为均质结构，期望钻头中的金刚石出刃快、出刃好，以此达到提高钻进速度的目的。然而，事实表明软而耐磨性低的胎体不能适应该类岩层钻进，其主要原因是这种胎体不能适应高钻压的条件，软胎体出现塑性蠕变不能使金刚石有效出刃，金刚石不能有效地切入岩石，不能达到预期目的。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法。
本发明采用的技术方案是：一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头及其制造方法，包括钻头钢体、设置在钻头钢体端部的多个支撑体、焊接钻头钢体和支撑体的保径焊接层及水口，所述水口位于相邻的支撑体之间，所述保径焊接层位于钻头钢体与支撑体之间，所述支撑体内设有多个金刚石复合体，所述金刚石复合体按二环或三环排列，分布于支撑体中，所述金刚石复合体占钻头的工作底唇面积的55～80％；所述金刚石复合体的胎体硬度为HRc38～48，耐磨性为ML(0.32～0.45)×10-5；所述支撑体的胎体的硬度为HRc13～HRc16，耐磨性为ML(0.62～0.76)×10-5，抗弯强度达到750MPa°；所述金刚石复合体内复合金刚石采用SMD40金刚石，所述支撑体内复合金刚石采用SMD30金刚石；
所述金刚石复合体的胎体组成成分及质量百分比为：40～45％的WC、12～18％的YG12、8～10％的Ni、3～6％的Mn、25～32％的660-Cu；
所述支撑体的胎体组成成分及质量百分比为：45～54％的Fe、10～15％的Ni、4～6％的Mn、30～35％的660-Cu；
所述SMD40金刚石的百分比浓度为86～100％，其30/40目粒度占55～70％、50/60目粒度占30～45％；所述SMD30金刚石的百分比浓度为45～55％，粒度40/50目。
支撑体中复合金刚石的目的是提高钻头均匀磨损程度，提高钻头的钻进效果。
所述金刚石复合体的形状为方柱状或圆柱状，其边长或直径为4.5～7.0mm，长度为10～14mm。
一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用强化热压方法预制金刚石复合体，所述金刚石复合体的胎体材料按下列比例：40～45％的WC、12～18％的YG12、8～10％的Ni、3～6％的Mn、25～32％的660-Cu；所述金刚石复合体内复合金刚石采用SMD40金刚石，所述SMD40金刚石的百分比浓度为86～100％，其30/40目粒度占55～70％、50/60目粒度占30～45％；胎体材料和金刚石分别按比例称量后经球磨混合均匀，然后一次性装入模具内，进行强化热压烧结，经冷却、脱模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体；
步骤2：支撑体的胎体材料按下列比例：45～54％的Fe、10～15％的Ni、4～6％的Mn、30～35％的660-Cu；所述支撑体中复合金刚石采用SMD30金刚石，所述SMD30金刚石的百分比浓度为45～55％，粒度40/50目；将含有SMD30金刚石的金属粉末装入石墨模具中，将金刚石复合体呈二环或三环排列，分布和定位于支撑体金属粉末中，经过热压烧结，支撑体的金属粉末将金刚石复合体和钻头钢体融合成一个整体钻头。
上述步骤(1)中，强化热压工艺参数：压力18～22MPa，温度980～995℃，保温、保压7.5～9.0min，出炉温度750～780℃。
上述步骤(1)中，预制的金刚石复合体形状为方柱状或圆柱状，边长或直径为4.5～7.0mm，长度为10～14mm；金刚石复合体的硬度为HRc38～48，耐磨性为ML(0.32～0.45)×10-5。
上述步骤(2)中，热压工艺参数：温度935～950℃，压力15～16MPa，当温度升至860℃中间保温、保压30S；设定温度与压力到，保温、保压4.5～5.5min，随炉冷却至780-800℃出炉。
本发明金刚石钻头由破碎岩石的金刚石复合体与支撑体两部分组合而成；金刚石复合体部分的硬度高，耐磨性强；支撑体部分的硬度较低，能有效地固结、支撑金刚石复合体工作，并与钻头钢体牢固结合；金刚石复合体按二环或三环排列、有规律地分布于支撑体中，金刚石复合体占钻头的工作底唇面积的55％～80％。钻头结构独特，在正常钻进规程条件下，在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进，钻进比压大，金刚石出刃好，可以取得钻进效率高与钻头使用寿命长的特点。
本发明采用逆向思维方法，对于钻进坚硬致密弱研磨性岩层的钻头，不是采用软而耐磨性低的胎体，而是采用硬而高耐磨性的胎体制备成钻头的主体部分，即金刚石复合体部分，用于破碎岩石的主体。金刚石复合体在钻头的工作层中占55～80％的底唇面积，比普通金刚石钻头工作层少20～45％的受力面积，在相同的钻进压力下提高了钻头的单位面积钻压，而且能够实现多刀多刃的效果以及破碎穴效应，有利于排除岩粉与冷却钻头，有效克服坚硬岩石的钻进难题。
支撑体用以包镶和支撑金刚石复合体，提高钻头的整体结合强度；支撑体的胎体中复合有金刚石，胎体的硬度较低、耐磨性也较低，金刚石出刃较好，具有辅助破碎岩石的能力。设计支撑体的目的，解决了金刚石复合体的规格较小、其抗弯强度较小以及与钻头钢体的结合强度不够等问题。
支撑体中复合有金刚石，其目的是提高钻头磨损的均衡程度，可以提高钻头的钻进效果和钻头的使用寿命。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明钻头结构新颖、独特，钻头的金刚石复合体的硬度高、耐磨性强，金刚石的质量好、浓度高，与岩石的接触面积小，这种结构与特征十分有利于破碎岩石，获得好的钻进效果。
(2)、钻头支撑体的硬度低、耐磨性不强，钻进中消耗钻压小，有效地提高了主工作体的钻进压力，有利于提高钻头的钻进效率；支撑体起着固结金刚石复合体、并与钻头钢体牢固焊接的作用。钻头的结构特点以及产生的钻进优势，可确保实现钻头钻进硬至坚硬、致密岩石的优势。
(3)、本发明钻头的金刚石复合体采用的胎体材料中，铜合金元素含量低，骨架材料的含量高，配合铁、镍、锰等金属在强化热压作用下，不会出现铜合金的流失，钻头胎体的力学性能稳定，不仅包镶金刚石的牢固度提高，而且金刚石能够适时、有效出刃，这是实现钻头高效、长寿命钻进的基础。
(4)、普通热压法制造的钻头胎体主要依靠铜合金的粘结作用而实现胎体的整体强度，铜合金的粘结力有限，热压的温度与压力有限，钻头缺乏性能与效果的优势；而本发明钻头的结构与胎体的力学性能优势明显，钻头胎体与岩石的接触状态不同，提高了钻头与岩石间的摩擦系数，改变了普通钻头胎体与岩石的摩擦磨损状态，改变了金刚石钻头破碎岩石的机理和金刚石破碎岩石的方式，有利于提高金刚石的有效、适时出刃，提高钻头的钻进效果。
(5)、制造出高致密化的金刚石复合体，这样既能够提高胎体金属与金刚石表面的有效结合，以实现对金刚石的强力包镶，胎体材料还能够保持金刚石的自锐出刃效果；钻头的支撑体中含有金刚石，与金刚石复合体实现了优化配合，解决了钻头的平稳钻进和均衡磨损，实现良性互补，有效提高了钻进速度，这些优势是普通金刚石钻头所不具备的条件与优势。
(6)、金刚石复合体的规格为：边长(或直径)为4.5～7.0mm，长度为10～14mm；其边长(或直径)可以依据钻头的类型与规格，在一个扇形工作体中实现灵活的选择与配合，可以大小结合，也可以实现一环至三环排列，产生不同的效果；14mm高的工作层可以提高钻头的使用寿命。
(7)、试验结果表明，本发明金刚石复合体钻头，在钻进硬至坚硬致密岩石时，与普通钻头相比，钻进速度能提高约2.4倍，使用寿命提高约2倍，在可钻性9～10级坚硬岩石中钻进，该发明钻头的钻进小时效率达到1.16m/h，钻头的使用寿命平均达到41.8m/个；钻头的每米钻进成本下降约3.2元，从根本上解决了长期以来这类岩层钻进难的问题。
(8)、本发明钻头与普通钻头相比，实验室与野外钻进试验均表明：钻进效率能够提高32％～35％，使用寿命延长18％～20％，钻头能够适应可钻性6级至10级五大类岩石的钻进；特别对于钻进硬至坚硬而致密的、难以钻进的岩石，效果更加明显。
(9)、综上所述，本发明钻头设计了科学而切合实际的结构，采用了强化热压的先进成形工艺技术；钻头的制造精度高，性能稳定，钻头的整体效果优良。
附图说明
图1为本发明钻头的底唇面结构图；
图2为图1的D-D方向剖面图，即钻头纵向剖面图；
图3为本发明金刚石圆柱状体钻头支撑体二环结构图；
图4(1)为本发明金刚石弧面梯形柱状体钻头支撑体二环结构图；
图4(2)为本发明金刚石弧面梯形柱状金刚石复合体结构图；
图5为本发明金刚石圆柱状体钻头支撑体三环结构图。
图中，1-支撑体、2-金刚石复合体、3-金刚石、4-水口、5-保径焊接层、6-钻头保径聚晶体、7-钻头钢体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1-5所示，一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头，包括钻头钢体7、设置在钻头钢体7端部的多个支撑体1、焊接钻头钢体7和支撑体1的保径焊接层5及水口4，所述水口4位于相邻的支撑体1之间，所述保径焊接层5位于钻头钢体7与支撑体1之间，所述支撑体1内设有多个金刚石复合体2，所述金刚石复合体2按二环或三环排列，分布于支撑体1中，所述金刚石复合体2占钻头的工作底唇面积的55～80％；所述金刚石复合体2的胎体硬度为HRc38～48，耐磨性为ML0.32～0.45×10-5；所述支撑体1的胎体的硬度为HRc13～HRc16，耐磨性为ML0.62～0.76×10-5；所述金刚石复合体2内复合金刚石采用SMD40金刚石，所述支撑体1内复合金刚石采用SMD30金刚石；
所述金刚石复合体2的胎体组成成分及质量百分比为：40～45％的WC、12～18％的YG12、8～10％的Ni、3～6％的Mn、25～32％的660-Cu；
所述支撑体1的胎体组成成分及质量百分比为：45～54％的Fe、10～15％的Ni、4～6％的Mn、30～35％的660-Cu；
所述SMD40金刚石的百分比浓度为86～100％，其30/40目粒度占55～70％、50/60目粒度占30～45％；所述SMD30金刚石的百分比浓度为45～55％，粒度40/50目。
所述金刚石复合体2的形状为方柱状或圆柱状，其边长或直径为4.5～7.0mm，长度为10～14mm。
一种强化热压柱状金刚石复合体孕镶钻头的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用强化热压方法预制金刚石复合体2，所述金刚石复合体2的胎体材料按下列比例：40～45％的WC、12～18％的YG12、8～10％的Ni、3～6％的Mn、25～32％的660-Cu；所述金刚石复合体2内复合金刚石采用SMD40金刚石，所述SMD40金刚石的百分比浓度为86～100％，其30/40目粒度占55～70％、50/60目粒度占30～45％；胎体材料和金刚石分别按比例称量后经球磨混合均匀，然后一次性装入模具内，进行强化热压烧结，经冷却、脱模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体2；
步骤2：支撑体1的胎体材料按下列比例：45～54％的Fe、10～15％的Ni、4～6％的Mn、30～35％的660-Cu；所述支撑体1中复合金刚石采用SMD30金刚石，所述SMD30金刚石的百分比浓度为45～55％，粒度40/50目；将含有SMD30金刚石的金属粉末装入石墨模具中，将金刚石复合体2呈二环或三环排列，分布和定位于支撑体1金属粉末中，经过热压烧结，支撑体1的金属粉末将金刚石复合体2和钻头钢体7融合成一个整体钻头。
上述步骤1中，强化热压工艺参数：压力18～22MPa，温度980～995℃，保温、保压7.5～9.0min，出炉温度750～780℃。
上述步骤1中，预制的金刚石复合体2形状为方柱状或圆柱状，边长或直径为4.5～7.0mm，长度为10～14mm；金刚石复合体2的硬度为HRc38～48，耐磨性为ML0.32～0.45×10-5。
上述步骤2中，热压工艺参数：温度935～950℃，压力15～16MPa，保温、保压4.5～5.5min，出炉温度780-800℃。
本发明钻头由金刚石复合体与支撑体两部分构成，金刚石复合体的形状为方柱状或圆柱状，采用强化热压工艺方法预制；金刚石复合体按二环或三环排列，有规律地分布在支撑体中，金刚石复合体占钻头的工作底唇面积的55％～80％；金刚石复合体的硬度高，耐磨性强，金刚石品级与金刚石浓度高，起着主体破碎岩石的作用；支撑体的硬度较低，耐磨性较低，起着包镶、固定金刚石复合体和辅助破碎岩石的作用，支撑体中复合有金刚石；通过中频电炉或电阻炉热压烧结成金刚石钻头；制得的钻头在钻进硬至坚硬、致密岩层时，具有钻进效率高，使用寿命长的特点。
金刚石复合体和支撑体。金刚石复合体采用强化热压方法预制成，可以通过调整金刚石复合体的材料组合与金刚石参数，获得不同的工作性能，满足钻进硬至坚硬-致密岩石的需要；金刚石复合体有规律地排列、分布在钻头支撑体中，支撑体的材料由铁、镍、锰与铜合金组成，它的硬度较低、耐磨性较弱；主要作用是在热压条件下牢固地包镶金刚石复合体并和钻头钢体实现强力结合，最终制成能满足钻探要求的金刚石钻头。
(1)、金刚石复合体
本发明从坚硬致密弱研磨性岩石的力学性质出发，研究其岩石破碎机理，认识到钻进该类岩石必须采用大而合理的钻压，使得金刚石能够有效地出刃并切入岩石中；由于钻杆柱的结构特点，只能优化设计钻头的工作层面积及其科学的结构形式，使得钻头单位面积上的钻压值能够达到金刚石有效切入岩石中，才能确保钻头高效钻进。通过计算和优化后，得出钻头的金刚石复合体面积为钻头工作层面积的55～80％为最佳，能满足钻头在可钻性8～12级岩石中获得好的钻进效果。
通过分析与试验，金刚石复合体的硬度在HRC38～HRC48范围合理，其耐磨性为ML(0.32～0.45)×10-5范围，能确保金刚石有好的出刃和切入效果。金刚石复合体的性能调节主要通过调整金刚石复合体的成分及其含量比以及金刚石参数(粒度与浓度)来实现；同时还可以配合调节热压工艺参数实现。
由于地质勘探用的钻头规格多，对金刚石复合体的规格必定有不同要求，为了满足不同规格钻头的需要，设计出几种规格的金刚石复合体，由不同规格的复合体组合使用，比较灵活、方便；同时，还能提高复合体在支撑体中的联结强度，实现多刀、多刃的作用效果，提高破碎岩石的能力。依据钻头的类型与规格，金刚石复合体的规格设计如下：①方柱状，其边长：4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0，其高均为10～14mm；②圆柱状，其直径：φ4.5，φ5.0，φ5.5，φ6.0，φ6.5、φ7.0；其高均为10～14mm。
金刚石复合体采用强化热压方法预制。采用高强度、高密度的石墨为模具材料，加工出模具。按照设计，将胎体材料和金刚石分别称量后装入球磨筒内进行球磨混料，混合均匀后，再分别称量出每个复合体的重量一次性装入石墨模具内，接着置于自动烧结炉内热压烧结，经冷却、脱模和去除表面氧化皮后即为金刚石复合体。
金刚石复合体采用强化热压工艺参数：压力18～22MPa，温度980～995℃，保温、保压7.5～9.0min，出炉温度750～780℃；在温度升至860℃时，保温保压30S。
(2)、支撑体
支撑体在该申请发明钻头中是包镶金刚石复合体和联结钻头钢体的重要结构部分，它在钻头热压成型时才体现出它的作用和价值。它的基本成分为：铁占45～52％，镍占10～15％，锰占3～5％，铜合金占30～35％，支撑体的硬度较低HRC13～HRC16，耐磨性亦较低ML(0.63～0.75)×10-5。调节基本成分的含量比例，可以适当调整支撑体的硬度与耐磨性，以适应岩石变化的要求。
支撑体材料中，必须复合金刚石：粒度40/50目，品级SMD30，百分比浓度45～55％；金刚石与胎体材料经球磨机混合均匀，备用。
(3)、钻头组装与热压成型
采用高强度、高密度的石墨材料，经机械加工制成热压钻头的模具。采用类似普通热压钻头的装模方法，将金刚石复合体按设计的方案，有选择和有规律地固定在模具内，加入保径材料并用粘结剂固牢，然后加入支撑体金属粉末，即完成烧结钻头的模具组装。
组装好的模具送入智能中频热压电炉内，送水，启动中频电炉进行热压烧结。热压工艺参数：温度935～950℃，压力15～16MPa，保温、保压4.5～5.5min，出炉温度780-800℃，出炉后冷却至室温，完成热压烧结金刚石复合体钻头的制造。
实施例1：
以直径77/49mm规格钻头为例进一步说明。
(1)、钻头设计为8个扇形工作体，即钻头有8个对应的水口；
(2)、圆柱状金刚石复合体规格，直径6.5mm，高12mm；
(3)、圆柱状金刚石复合体的胎体材料：YG12含量15％，WC含量45％，Ni含量8％，Mn含量4％，660-Cu含量28％；
(4)、圆柱状金刚石复合体中金刚石参数：35/40目占68％，50/60目占32％，全部为SMD40级金刚石；
(5)、强化热压圆柱状金刚石复合体工艺参数：压力20MPa，温度990℃，保温、保压7.5min，出炉温度780℃；
(6)、支撑体胎体材料：Fe含量46％，Ni含量15％，Mn含量5％，660-Cu含量34％；
(7)、在支撑体胎体材料中复合金刚石：粒度40/50目，品级SMD30，百分比浓度50％，金刚石与胎体材料经球磨机混合均匀，备用；
(8)、钻头烧结模具组装，将柱状金刚石复合体按设计的方案，有选择和有规律地固定在模具内，加入保径材料并用粘结剂粘牢，然后加入含金刚石的支撑体胎体金属粉末，压上钻头钢体，即完成烧结钻头的模具组装；
(9)、热压柱状金刚石复合体钻头工艺参数为：温度945℃，压力16MPa，保温、保压5.0min，出炉温度800℃；
(10)、本发明柱状金刚石复合体钻头出炉后，在保温条件下缓冷至室温，进行机加工，装饰，即本发明钻头成品。
实施例2：
以直径95/68mm规格钻头为例进一步说明。
(1)、钻头设计为10个扇形工作体，即钻头有10个对应的水口；
(2)、弧面梯形柱状金刚石复合体规格，直径6.5×5.0mm，高13mm；
(3)、弧面梯形柱状金刚石复合体的胎体材料：YG12含量15％，WC含量42％，Ni含量9％，Mn含量4％，660-Cu含量30％；
(4)、圆柱状金刚石复合体中金刚石参数：35/40目占70％，50/60目占30％，全部为SMD40级金刚石；
(5)、强化热压弧面梯形柱状金刚石复合体工艺参数：压力19MPa，温度995℃，保温、保压8.0min，出炉温度750℃；
(6)、支撑体胎体材料：Fe含量47％，Ni含量13％，Mn含量5％，660-Cu含量35％；
(7)、在支撑体胎体材料中复合金刚石：粒度40/50目，品级SMD30，百分比浓度55％，金刚石与胎体材料经球磨机混合均匀，备用；
(8)、钻头烧结模具组装，将柱状金刚石复合体按设计的方案，有选择和有规律地固定在模具内，加入保径材料并用粘结剂粘牢，然后加入含金刚石的支撑体胎体金属粉末，压上钻头钢体，即完成烧结钻头的模具组装；
(9)、热压弧面梯形柱状金刚石复合体钻头工艺参数为：温度950℃，压力16MPa，保温、保压5.5min，出炉温度780℃；
(10)、本发明柱状金刚石复合体钻头出炉后，在保温条件下缓冷至室温，出炉，进行机加工，装饰，即本发明钻头成品。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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