专利名称：孕镶金刚石钻头水口材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探工具材料及制备方法，尤其是热压孕镶金刚石钻头水口材料及制备方法。
背景技术：
金刚石钻头在钻进过程中工况很复杂，因此金刚石钻头的结构、金刚石参数及胎体材料的硬度和耐磨性等的设计至关重要。水路结构是钻头主要结构，其中水口、水槽在及时排除岩粉和冷却钻头起着重要作用。常规热压孕镶金刚石钻头水口成型方法，是水口料 (或水口)与胎体料一起热压，热压烧结后通过铣床将其内水槽铣出来，外水槽可采用刚玉砂轮加工而成，水口料若是石墨可用钢锯锯开后剔除，若是金属合金则要铣出或是用砂轮磨掉。目前，主要水口材料为石墨、还有以铜粉作为粘结剂的金属粉末材料。水口材料主要不足在于由于石墨块(或水口填料)与胎体材料的物理性质不一致，导致钻头热压条件下，石墨水口不发生明显塑性形变，阻滞了胎体粉末的正常流动，造成水口上下部密度不均勻，导致孕镶金刚石钻头胎体强度、硬度不均勻，进而影响钻头整体性能；水口块、水槽块需采用高强石墨毛坯料机械加工到设计尺寸，由于水口、水槽尺寸较小(例如Φ59. 5mm钻头水口块宽一般为5-7mm，水槽块厚仅为2mm)，所以加工精度要求较高，加工稍有误差就会在装配过程中产生孔隙，容易使含有含金刚石的胎体料进入水口、水槽部位致使后续机械加工难度增大；常规金刚石钻头水口烧结前、烧结后各需要进行一次机加工，费时费工，且因受机加工工艺限制，往往只能加工成单一的直通水口，致使钻头冷却效果和排粉能力较差； 并且常规孕镶金刚石钻头水口材料为易耗品，只能使用一次，机加工后就报废了。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种无须机械加工的孕镶金刚石钻头水口材料；本发明的另一目的是提供一种孕镶金刚石钻头水口材料的制备方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的孕镶金刚石钻头水口材料，各组分按体积百分比为
WC63-73%
TiC24-30%
Al2O31.0-3.2%
活性碳1.1-1.4%
叶腊石粉0.9-2.4%孕镶金刚石钻头水口材料的制备方法，包括以下顺序和步骤a、按体积比，先将24-30%的TiC与63-73%的WC混合12—18小时；
b、再加入1. 1-1. 4%活性碳、0. 9-2. 4%叶腊石粉、1-3. 2% Al2O3，在混料桶中混合 3-6小时；C、再加入汽油-橡胶混合溶液，混合物料与汽油-橡胶混合溶液的固液比为 10 1，即混合物料每1千克加入IOOml汽油-橡胶混合溶液；d、再将18_22g石蜡加热至80°C加入其中，混合均勻；e、倒入预压模具成型，成型压力为0.7-1. 2MPa，干燥温度为130-170°C，时间为 2-3小时；f、将预压后的水口材料按钻头设计摆在石墨模具内，再装入钻头工作层和非工作层，先在中频感应炉中缓慢加热预烧至400-700°C，当没有白气或烟溢出时，快速加热到 900-980°C，加压 0. 7-1. 2MPa，保温 10-25 分钟；g、冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了水口。步骤c中的汽油-橡胶混合溶液，10-15%浓度的橡胶溶液与汽油的容量比为 1/2. 5。本发明的水口材料可以用于制造是直水口、斜水口、扇形水口、螺旋水口及各类复杂异形水口以及奇数水口钻头。有益效果该水口材料能在烧结温度下软化并与胎体材料成比例变形，使胎体密度均勻、却不与胎体粘结，使金刚石钻头胎体强度、硬度均勻，整体性能提高；并且水口材料与胎体合金熔点差足够大，920-980°C热压下不形成共晶体、金属间化合物或固溶体、不与胎体金属反应；热压烧结后脱模时很容易从水口部位脱落，省去了烧结后的机加工过程，水口材料经回收可再次利用。本发明采用冷压一次成型，免除了常规石墨水口成型的机加工过程。每个尺寸水口块只需要一套冷压钢模并且钢模可以重复使用数万次，该制造方法适合规模生产。
附图1为孕镶金刚石钻头结构立体图附图2为孕镶金刚石钻头结构剖视图附图3为附图的2仰视图1水口，2水槽，3孕镶胎块，4钢体
具体实施例方式孕镶金刚石钻水口材料是由TiC、WC、C、叶腊石粉、Al2O3及成型剂按照一定比例构成，其特征在于WC占体积的63-73%，TiC占体积的对-30%，活性碳(C)占体积的 1. 1-1. 4%，叶腊石粉占体积的0. 9-2. 4%, Al2O3占体积的1_3. 2%，成型剂为工业石蜡、汽油-橡胶溶液。先将占体积M-30 %的TiC与占体积63-73 %的WC按照比例混合12-18小时，再加入占体积的1. 1-1. 4%普通活性碳、占体积的0. 9-2. 4%的叶腊石粉、占体积的1-3.2% 的Al2O3，在混料桶中混合3-6小时。具体混合体积比例可以按照，TiC W C C 叶腊石粉Al2O3 =24 73 1. 1 0. 9 1 ；TiC W C C 叶腊石粉Al2O3 = 30 63 1. 4 2. 4 3. 2 ； 混合后按照1千克混合物料加入IOOml汽油-橡胶混合溶液，10-15%浓度的橡胶溶液与汽油的容量比为1/2. 5。再将加热至80°C的石蜡18-22克加入，使整体混合均勻，再根据压制密度计算水口填料的单重，按单重称料，倒入预压模具成型，根据密度要求选择压力，使用20-40吨位油压机压制成型，再将压制好的水口块放入电烘箱2-3小时，温度为 130-170°C进行干燥处理，再将预压的水口块，摆在石墨模具内，装入钻头工作层和非工作层，热压设备为中频感应加热烧结炉，热压烧结分为预烧和成型烧结为了使水口料中低熔点挥发物和成型剂排除，预烧在400-70(TC时要缓慢加热，待成型剂充分挥发后快速加热到 920-980°C，加压保温10-25分钟，然后冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了 “水口 ”。水口材料粉末经回收，可重复利用。实施例1按质量取105. 06gTiC与884g的WC混合14小时，再加入0. 48g活性碳、4. 6g叶腊石粉、5. 86g三氧化二铝在混料桶中混合5小时。混合后再加IOOml汽油-橡胶混合溶液，混合物料与汽油-橡胶混合溶液的固液比为10 1，即混合物料每1千克加入IOOml 汽油-橡胶混合溶液，即12%浓度的橡胶溶液30ml与70ml汽油混合，再将加热至80°C的石蜡19克加入，使整体混合均勻，再根据压制密度计算水口填料的单重，按单重称料，倒入预压模具成型，根据密度要求选择压力，使用40吨位油压机0. 7MPa压制成型，再将压制好的水口块放入电烘箱2. 5小时，温度为150°C进行干燥处理，再将预压的水口块，摆在石墨模具内，装入钻头工作层和非工作层，热压设备为中频感应加热烧结炉，热压烧结分为预烧和成型烧结为了使水口料中低熔点挥发物和成型剂排除，预烧在600°C时要缓慢加热，加热时间为8分钟，待成型剂充分挥发后快速加热到980°C，加压1. OMPa，保温15分钟，然后冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了 “水口”。实施例2按质量取104g的TiC与887. 4g的WC混合14小时，再加入0. 5g活性碳、2. 3g叶腊石粉、5. 80g三氧化二铝在混料桶中混合5小时，混合好后再加入汽油-橡胶混合溶液 100ml，即15%浓度的橡胶溶液27ml与73ml汽油混合，再将加热至80°C的石蜡20克加入， 使整体混合均勻，再根据压制密度计算水口填料的单重，按单重称料，倒入预压模具成型， 根据密度选择压力，使用40吨位油压机1. OMI^a压制成型，再将压制好的水口块放入电烘箱 150°C干燥2. 5小时，将烘干后的预压水口块，摆在石墨模具内，装入钻头工作层和非工作层，热压设备为中频感应加热烧结炉，热压烧结分为预烧和成型烧结为了使水口料中低熔点挥发物和成型剂排除，先预烧到700°C，预烧时要缓慢加热6分钟，当没有白气或烟外冒时，快速加热到960°C，加压成型压力为1. 2MPa，保温25分钟，然后冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了水口。
权利要求
1.一种孕镶金刚石钻头水口材料的制备方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤a、按体积比，先将24-30%的TiC与63-73%的WC混合12-18小时；b、再加入1.1-1. 4%活性碳、0. 9-2. 4%叶腊石粉、1-3. 2% Al2O3，在混料桶中混合3-6 小时；c、再加入汽油-橡胶混合溶液，混合物料与汽油-橡胶混合溶液的固液比为10 1，即混合物料每1千克加入IOOml汽油-橡胶混合溶液；d、再将18-22g石蜡加热至80°C加入其中，混合均勻；e、倒入预压模具成型，成型压力为0.7-1. 2MPa，干燥温度为130-170°C，时间为2_3小时；f、将预压后的水口材料按钻头设计摆在石墨模具内，再装入钻头工作层和非工作层，先在中频感应炉中缓慢加热预烧至400-700°C，当没有白气或烟溢出时，快速加热到 900-980°C，加压 0. 7-1. 2MPa，保温 10-25 分钟；g、冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了水口。
2.按照权利要求2所述的孕镶金刚石钻头水口材料的制备方法，其特征在于，步骤c中的汽油-橡胶混合溶液，10-15%浓度的橡胶溶液与汽油的容量比为1 2.5。a、按体积比，先将24-30%的TiC与63-73%的WC混合12-18小时；b、再加入1.1-1. 4%活性碳、0. 9-2. 4%叶腊石粉、1-3. 2% Al2O3，在混料桶中混合3-6 小时；c、再加入汽油-橡胶混合溶液，混合物料与汽油-橡胶混合溶液的固液比为10 1，即混合物料每1千克加入IOOml汽油-橡胶混合溶液；d、再将18-22g石蜡加热至80°C加入其中，混合均勻；e、倒入预压模具成型，成型压力为0.7-1. 2MPa，干燥温度为130-170°C，时间为2_3小时；f、将预压后的水口材料按钻头设计摆在石墨模具内，再装入钻头工作层和非工作层，先在中频感应炉中缓慢加热预烧至400-700°C，当没有白气或烟溢出时，快速加热到 900-980°C，加压 0. 7-1. 2MPa，保温 10-25 分钟；g、冷却到850°C出炉，放入保温沙中保温M小时，脱模时剔除水口填料，钻头上就形成了水口。
3.按照权利要求2所述的孕镶金刚石钻头水口材料的制备方法，其特征在于，步骤c中的汽油-橡胶混合溶液，10-15%浓度的橡胶溶液与汽油的容量比为1 2.5。
全文摘要
本发明涉及一种孕镶金刚石钻头水口材料及其制备方法，按一定比例将WC、TiC、Al2O3、活性碳、叶腊石粉在混料桶中混合，加入汽油-橡胶混合溶液，再加入石蜡混合均匀；倒入预压模具成型，将成型的水口材料摆在石墨模具内，再装入钻头工作层和非工作层，加热加压到一定的温度和压力冷却出炉，放入保温沙中保温，模时剔除水口填料，钻头上就形成了水口。该水口材料能在烧结温度下软化并与胎体材料成比例变形，使胎体密度均匀、却不与胎体粘结，使金刚石钻头胎体强度、硬度均匀，整体性能提高；省去了烧结后的机加工过程，水口材料经回收可再次利用。免除了常规石墨水口成型的机加工过程。每个尺寸水口块只需要一套冷压钢模具，极大的节约了制造成本。
文档编号E21B10/46GK102503426SQ20111033280
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘宝昌, 孙友宏, 张献振, 曹宇, 李小洋, 马银龙, 高科 申请人:吉林大学