一种新型钻头的制备方法与流程

文档序号:11793209阅读:338来源:国知局

本发明涉及钻头制备领域,具体涉及一种新型钻头的制备方法。



背景技术:

目前石油勘探钻头广泛采用金刚石复合片形成。石油勘探钻头主要是应用在油气田的钻采用钻头。金刚石以其特有的高硬度、高弹性模量、高热导率。目前,加工工具以孕镶单晶金刚石为主,烧结多晶金刚石工具正蓬勃兴起。烧结多晶金刚石,则以单晶金刚石颗粒与金属粉末的混合物方式或以单晶金刚石颗粒上覆盖预制合金薄片方式形成的金刚石复合片为主。金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compound,简称为PDC)具有很好的耐磨性、热稳定性、抗压强度和抗冲击韧性。但是,利用现有技术制造金刚石复合片,进而制得石油勘探钻头的性能尚不能完全满足行业需要,亟需得到性能更好的钻头的制造方法。



技术实现要素:

本发明提供一种能够实现节能制造,并获得性能更为良好的钻头制备方法。

具体技术方案如下:一种钻头的制备方法,所述方法包括以下步骤:

a、原料选取及混配:所述原料包括金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及催化剂;

b、按照步骤a所述的原料组成称取原料,通过三维高速搅拌及电磁搅拌相互结合的方法进行搅拌,在搅拌过程中,先进行电磁搅拌,再进行三维高速搅拌;

c、然后将装有原料和催化剂的碳合成模放入真空炉内成模;

d、将步骤b抽真空加热后得到的半成品放入金刚石六面顶压力机中进行高温高压合成;

e、高温高压合成后进行卸压,卸压后覆盖在合金基体上得到金刚石复合片,加工成型获得钻头雏形;

f、对钻头雏形进行加工镀膜,将钻头雏形清洗干净后,置于真空室内,将真空室抽至低真空10-4Pa数量级,应用溅射设备进行镀膜作业,完成制备。

进一步地,步骤a中的所述金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及催化剂粉的重量份数比为100-120:80-90:0.8-1.4:8-10:9-11:4-9;

所述金刚石粉的颗粒尺寸为100-200nm,所述钛粉的颗粒尺寸为300-500nm;所述石墨烯、镍及二氧化钛的粒径不大于5×10-3mm。

进一步地,所述催化剂粉包括纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末,所述纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末的添加重量份比例为:20-30:15-17:2-3。

进一步地,所述纳米氧化铜粉末的粒径为100-200nm;所述纳米碳化硅粉末的粒径为130-150nm;所述氧化锆粉末的粒径为100-200nm。

进一步地,步骤b中所述电磁搅拌的时长为1-1.2h,所述三维高速搅拌的时长为2-2.5h。

进一步地,所述三维高速搅拌过程中的搅拌速度为500-800r/min,压强在1.3-2MPa,室温下进行搅拌;

搅拌完成后,后另外加入重量份为5-6的混合助剂,将其原料和混合助剂装入碳合成模中,所述混合助剂为硼。

进一步地,步骤c在真空炉内成模中保持30-40分钟;所述真空炉内真空度为0.002-0.01Pa,温度为80-90℃。

进一步地,步骤d高温高压合成过程中控制电流为200-300A,加热时间为40-50s,压力为0.8-1.2万公斤,保压时间为120-140s。

进一步地,所述镀膜作业包括如下步骤,注入氩气,并加热至40-50℃,真空室压力上升至100Pa数量级,开启溅射系统进行镀膜,其中溅射系统上的溅射电极为混合有铜、钛及银铜钛合金,并所述铜、钛及银铜钛合金重量比为1-3:1-3∶94-98。

一种新型钻头,应用上述的制备方法制备获得的,所述钻头由以下原料制备而成:金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及余料,所述金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及余料的重量份数比为100-120∶80-90∶0.8-1.4:8-10∶9-11∶4-9;

所述预料包括纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末,所述纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末的重量份比例为:20-30:15-17:2-3。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。

相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

以下结合说明书附图及具体实施方式,对本发明做进一步解释。如图1所示,为本发明第一实施例所提供的一种钻头的制备方法,所述方法包括以下步骤:

a、原料选取及混配:本发明提供的钻头制备原料包括金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及催化剂;所述金刚石粉、钛粉、石墨烯、镍、二氧化钛、及催化剂粉的份数比(重量份)为100-120∶80-90:0.8-1.4∶8-10∶9-11:4-9;

其中对添加的金刚石粉的颗粒尺寸(直径)要求为100-200nm,所述钛粉的颗粒尺寸(直径)要求为300-500nm;所述石墨烯、镍及二氧化钛研磨至细粒度添加即可,本发明对上述提出的细粒度不作具体限制,满足不大于5×10-3mm即可。

在步骤a中提出的催化剂粉包括纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末,所述纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末的添加比例(重量份)为:20-30∶15-17∶2-3;同时本发明所添加的纳米氧化铜粉末的粒径为100-200nm;所述纳米碳化硅粉末的粒径为130-150nm;所述氧化锆粉末的粒径为100-200nm。

将上述所要准备添加的原料研磨至需要的粒径尺寸后,并按照重量份比例准备,完成配比。

b、按照步骤a所述的原料组成称取原料,通过三维高速搅拌及电磁搅拌相互结合的方法进行搅拌,在搅拌过程中,先进行电磁搅拌,再进行三维高速搅拌,所述电磁搅拌的时长为1-1.2h,所述三维高速搅拌的时长为2-2.5h;

所述电磁搅拌可采用现有技术中能够完成磁场90°、180°、及360°旋转的电磁搅拌装置即可,应用电磁搅拌的目的仅为:通过电磁搅拌激发催化剂中的纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末的辐照催化效果,产生的辐照催化效果对石墨烯粉末进行作用,将石墨烯良好分散,申请人经过大量的试验及数据证明,通过纳米氧化铜粉末、纳米碳化硅粉末及氧化锆粉末对石墨烯的催化分散效果及分散均匀程度远高于将石墨烯在乙醇内的分散效果,同时能够保证石墨烯原有的物理特性。

所述三维高速搅拌需要满足以下条件,搅拌速度为500-800r/min,压强在1.3-2MPa,室温下进行搅拌。

搅拌完成后,后另外加入重量份为5-6的混合助剂,将其原料和混合助剂装入碳合成模中,所述混合助剂为硼;

c、然后将装有原料和催化剂的碳合成模放入真空炉内保持30-40分钟;所述真空炉内真空度为0.002-0.01Pa,温度为80-90℃;

本发明中应用的催化剂在温度升高后,仍然保持有辐照催化效果,能够提高快速成模效果,同时石墨烯在该过程中被快速还原,并与原料中的钛粉、镍及二氧化钛发生反应,调节硬质金与金刚石的碳含量,能够使得最终成模产品的碳含量更加均匀,利用石墨烯所具有优异的综合力学性能以及兼具的超高力学强度和柔韧性等特点,以残余石墨烯发挥增强增韧作用,实现对硬质合金力学性能的提升;

d、将步骤b抽真空加热后得到的半成品放入金刚石六面顶压力机中进行高温高压合成,高温高压合成过程中控制电流为200-300A,加热时间为40-50s,压力为0.8~1.2万公斤,保压时间为120-140s;

e、高温高压合成后进行卸压,卸压后覆盖在合金基体上得到金刚石复合片,加工成型获得钻头雏形。

f、对钻头雏形进行加工镀膜,将钻头雏形清洗干净后,置于真空室内,将真空室抽至低真空10-4Pa数量级,应用溅射设备进行镀膜作业;

镀膜作业包括如下步骤,注入氩气,并加热至40-50℃,真空室压力上升至100Pa数量级,开启溅射系统进行镀膜,其中溅射系统上的溅射电极为混合有铜、钛及银铜钛合金,并重量比为1-3∶1-3∶94-98。通过对钻头本体进行镀膜,可实现防腐的效果,便于存储。

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