专利名称：一种金刚石定位排布孕镶地质钻头及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于一种钻头，尤其是涉及勘探、能源开采用的地质钻头。本发明还涉 及该地质钻头的制作工艺。
背景技术：
我国自20世纪60年代起开始研究金刚石钻头，至今仅用了不到40年的时间， 却已经取得了巨大的成就，金刚石钻头的设计制造在我国已经形成了一门独立的学 科。该学科的理论基础是岩石破碎学、金属材料学、粉末冶金学、电化学、钻头形 态学以及钻头水力学等。通过对上述各领域的深入研究而形成了这门新型学科，它 也是地质工程的一个重要分支。
结合金刚石钻头的特点，我国已经形成了一套较完整的制造工艺，并随着时间 的推移和深入研究，提出了一些新的发展方向，如采用预合金粉末作为胎体材料， 釆用电火花活化的热压烧结技术等。但是这些传统钻头中的金刚石在胎体里面都是 无序分布的。钻头中每颗金刚石的受力是不均匀的。在金刚石颗粒分布密集的地方， 单颗粒金刚石受力小，产生的切屑颗粒细，对胎体的磨损较少，导致金刚石颗粒出 刃慢，切割效率低。如果出现两颗或多颗金刚石联结在一起的情况，容易使金刚石 脱落。在金刚石颗粒分布稀少区，单颗金刚石承受的工作负荷过大，冲击力高，致 使金刚石易于碎裂与脱落。同时，胎体被暴露于切屑中，这使得胎体磨损严重，影 响对金刚石的把持效果。由于这些原因，钻头的效率和寿命受到很大的限制。
传统的钻探和钻井用孕镶金刚石钻头的制造是将胎体粉末与金刚石颗粒进行 充分混合，然后采用粉末冶金的方法压制烧结而成的。这样制造出来的钻头，胎体 内金刚石颗粒的分布呈无序排列的。在传统钻头中，金刚石不能得到充分的应用， 从而影响钻头的效率和寿命。
研究表明金刚石定位排列能够同时提高金刚石钻头的寿命和效率，同时也能
使金刚石钻头的寿命和效率保持稳定，使得产品性能得到更好的控制。该专利发明 了 一种应用于地质孕镶钻头的定位排布技术，并取得了较好的试验效果。
发明内容
本发明所要解决的第一技术问题是提供一种使用寿命长和工作效率高，同时也 能使金刚石钻头的寿命和效率保持稳定，使得产品性能得到更好的控制的金刚石定 位排布孕镶地质钻头。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供该金刚石定位排布孕镶地质钻头的 制造工艺。
为了解决上述问题，本发明提供金刚石定位排布孕镶地质钻头，包括金刚石胎 体和金刚石，所述的金刚石按照设计的规定位置有序地排列在所述的金刚石胎体中。本发明提供的制作金刚石定位排布孕镶地质钻头的方法，包括金刚石胎体粉末 混料——胎体粉末压制成薄坯——薄坯上铺排金刚石——多层薄坯组合冷压—— 冷压胎体刀头还原——装钢体烧结——冷却脱模一修整包装，其步骤如下
① 、确定金刚石胎体成分和金刚石配方
金刚石胎体含钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、锰粉、锡粉、铬粉、碳化钨、碳化二 钨，其中，钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、铬粉或他们的预合金粉末质量占10% 60%， 铜粉、锡粉或他们的预合金粉末质量占10% 40%，碳化钨、碳化二钨粉末质量占
10% 70%，所用金刚石胎体粉末颗粒直径为0. 074腿以细；所用金刚石体积浓度在 5% 50%之间，颗粒度为0. 42mm 0. 074腿；
② 、金刚石胎体压制成薄坯
根据钻头规格设计层数，计算每层的金刚石胎体粉末用量，称取所需的金刚石 胎体粉末量，放入压制胎体薄坯的冷压模具上进行冷压制成薄坯，冷压成形压力取 10 20MPa;
③ 、薄坯上铺排金刚石
按照设计的金刚石定位排布方式，如放射状排列、螺旋状排列、等距排列等，
在打孔模板—h打孔；所选择的打孔模板的厚度比金刚石的平均直径略大，打孔的大 小大于金刚石平均直径的1倍，而小于平均直径的2倍；将步骤②中压制好的薄坯
上喷洒一层压敏胶，然后把打孔模板覆在所述的薄坯上，把金刚石撒在打孔模板上，
用软毛刷子扫金刚石，使打孔模板的每一个孔里面都有一颗金刚石;揭开打孔模板， 金刚石即在薄坯上形成了定位排布；
④ 、多层薄坯组合冷压，冷压刀头还原
把步骤③4 '制得的多层带金刚石的薄坯组合在一起，用液压机压成钻头胎块刀 头形状;把冷压成型的钻头胎块刀头放入还原炉，在360-450 °C的温度下放置10_40
分钟，使压敏胶充分挥发；
◎、装刀头，放置钢体，烧结
把冷压成型的钻头胎块刀头放入加工好的石墨模具中，并放置好钢体，在中频 感应炉中加热烧结，使钻头胎块刀头和钢体烧结在一起，烧结采用的保压压力为 1 3MPa，烧结温度为900 1100。C，保温保压时间为5 15min。
上述步骤③中所述的打孔模板为紫铜板。 釆用上述技术方案的金刚石定位排布孕镶地质钻头及其制造工艺，使金刚石在胎体 中按照设计方式，形成放射状排列、螺旋状排列以及等距排列等复杂而有效的排布 方式。可根据钻进地层的条件设计不同的排布方式，使每颗金刚石发挥其最大功效， 得到充分利用，从而提高钻头寿命和钻进效率。
综上所述，本发明是一种使用寿命长和工作效率高，同时也能使金刚石钻头的 寿命和效率保持稳定，使得产品性能得到更好的控制的金刚石定位排布孕镶地质钻 头。该金刚石定位排布孕镶地质钻头的制造工艺简单可靠，便于操作。
图1是金刚石定位排列示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
参见图1，金刚石2按照设计的规定位置有序地排列在金刚石胎体1中。
金刚石定位排布孕镶地质钻头的制作方法为胎体粉末混料——胎体粉末压制 成薄片——薄坯上铺排金刚石——多层薄坯组合冷压——冷压刀头还原——装钢 体烧结——冷却脱模一修整包装，其具体过程为
① 、确定金刚石胎体成分和金刚石配方
胎体含钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、锰粉、锡粉、铬粉、碳化钩、碳化二钨等， 其中，钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、铬粉或他们的预合金粉末质量占10% 60%，铜
粉、锡粉或他们的预合金粉末质量占10% 40%，碳化钨、碳化二钨粉末质量占10% 70%，所用胎体粉末颗粒直径为0. 074mm以细；超硬磨料为金刚石，体积浓度在5% 50%之间，颗粒度为0. 42mm 0. 074mm;
② 、金刚石胎体压制成薄坯
因为冷压压制出来的薄坯厚度要求在lmm左右，压制难度较大，容易产生压制 废坯。所以，对于粉末纯度、粉末粒度及粒度组成、粉末颗粒形状等影响压制性能 的因素都有一定的要求。
根据钻头规格设计层数，计算每层的金刚石胎体粉末用量，称取所需的金刚石 胎休粉末量，放入压制胎体薄坯的冷压模具上进行冷压制成薄坯，冷压成形压力取 10 20MPa;
③ 、薄坯上铺排金刚石
按照设计的金刚石排布方式，如放射状排列、螺旋状排列、等距排列等，在紫 铜板上打孔；所选择的紫铜板的厚度要比金刚石的平均直径略大，以保证金刚石能 够完全掉进孔洞；打孔的大小应该大于金刚石平均直径的1倍，小于平均直径的2 倍，以保证每个孔洞里都能进入一颗金刚石，而不能容纳两颗金刚石。
在胎体薄坯上喷洒薄薄一层压敏胶，然后把紫铜板覆在薄坯上，把金刚石撒在 紫铜板上，用软毛刷子扫金刚石，使紫铜板的每一个孔里面都有一颗金刚石。揭开 紫铜板，金刚石即在金刚石胎体上形成了定位排布；
④ 、多层薄坯组合冷压，冷压刀头还原 把步骤(D中制得的多层带金刚石的薄坯组合在一起，用四柱液压机手工冷压成
钻头胎块刀头形状。为了尽量排除掉喷洒的压敏胶，把冷压成型的钻头胎块刀头放 入还原炉，在360-450 。C的温度下放置10-40分钟，使压敏胶充分挥发。 ◎、装刀头，放置钢体，烧结
把冷压成型的钻头胎块刀头放入加工好的石墨模具中，并放置好钢体，在中频 感应炉中加热烧结，使钻头胎块刀头和钢体烧结在一起。烧结采用的保压压力为 1 3MPa，烧结温度为900 1100。C，保温保压时间为5 10min。
权利要求
1. 一种金刚石定位排布孕镶地质钻头，包括金刚石胎体(1)和金刚石(2)，其特征在于所述的金刚石(2)按照设计的规定位置有序地排列在所述的金刚石胎体(1)中。
2、 制作权利要求1所述的金刚石定位排布孕镶地质钻头的方法，包括金刚石 胎体粉末混料——胎体粉末压制成薄坯——薄坯上铺排金刚石——多层薄坯组合 冷压——冷压胎体刀头还原——装钢体烧结——冷却脱模一修整包装，其特征在 于① 、确定金刚石胎体成分和金刚石配方金刚石胎体含钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、锰粉、锡粉、铬粉、碳化钨、碳化二鸨，其中，钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、铬粉或他们的预合金粉末质量占10% 60%， 铜粉、锡粉或他们的预合金粉末质量占10% 40%，碳化钨、碳化二钨粉末质量占 10% 70%，所用金刚石胎体粉末颗粒直径为0. 074mm以细；所用金刚石体积浓度在 5% 50%之间，颗粒度为0. 42mm 0. 074mm;② 、金刚石胎体压制成薄坯根据钻头规格设计层数，计算每层的金刚石胎体粉末用量，称取所需的金刚石 胎体粉末量，放入压制胎体薄片的冷压模具上进行冷压制成薄坯，冷压成形压力取 10 20MPa;③ 、薄坯上铺排金刚石按照设计的金刚石定位排布方式，如放射状排列、螺旋状排列、等距排列等， 在打孔模板上打 L;所选择的打孔模板的厚度比金刚石的平均直径略大，打孔的大 小大于金刚石平均直径的1倍，而小于平均直径的2倍；将步骤②中压制好的薄坯上喷洒一层压敏胶，然后把打孔模板覆在所述的薄坯上，把金刚石撒在打孔模板.卜.，用软毛刷子扫金刚石，使打孔模板的每一个孔里面都有一颗金刚石;揭开打孔模板， 金刚石即在薄坯上形成了定位排布； 、多层薄坯组合冷压，冷压刀头还原把步骤③中制得的多层带金刚石的薄坯组合在-起，用液压机压成钻头胎块刀头形状;把冷压成型的钻头胎块刀头放入还原炉，在360-450 °C的纟显度下放置10-40分钟，使压敏胶充分挥发； 、装刀头，放置钢体，烧结把冷压成型的钻头胎块刀头放入加工好的石墨模具中，并放置好钢体，在中频 感应炉中加热烧结，使钻头胎块刀头和钢体烧结在一起，烧结采用的保压压力为 1 3MPa，烧结温度为900 1100。C，保温保压时间为5 15min。
3、 根据权利耍求2所述的金刚石定位排布孕镶地质钻头的制作方法，其特征 在于卜.述歩骤③中所述的打孔模板为紫铜板。
全文摘要
本发明公开了一种金刚石定位排布孕镶地质钻头，包括金刚石胎体(1)和金刚石(2)，所述的金刚石(2)按照设计的规定位置有序地排列在所述的金刚石胎体(1)中。金刚石定位排布孕镶地质钻头的制作方法包括金刚石胎体粉末混料—胎体粉末压制成薄坯—薄坯上铺排金刚石—多层薄坯组合冷压—冷压胎体刀头还原—装钢体烧结—冷却脱模—修整包装。本发明是一种使用寿命长和工作效率高，同时也能使金刚石钻头的寿命和效率保持稳定，使得产品性能得到更好的控制的金刚石定位排布孕镶地质钻头。该金刚石定位排布孕镶地质钻头的制造工艺简单可靠，便于操作。
文档编号C22C30/00GK101285371SQ200810031420
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者张绍和, 仙 杨 申请人:中南大学