专利名称：热压高磷铁基金刚石钻头及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热压高磷铁基金刚石钻头及其制备方法。
技术背景现有的岩心钻探用金刚石钻头所使用的胎体材料基本上是采用碳化钨作为骨架成分，碳 化钨的含量高达55%或更高；即使在薄壁金刚石钻头的胎体成分中，碳化钨的含量也在20 %以上。此类金刚石钻头在过去的生产实践中起到了一定的效果，然而此类金刚石钻头却存在着以下缺点1)适应性较差；2)胎体性能难以调整；3)烧结工艺难以掌握，例如，在钻 进坚硬致密、弱研磨性岩层时，采用碳化钨含量较高的金刚石钻头时，其胎体磨损往往很慢， 金刚石钻头难以出刃，发挥不了对岩石的切削作用，导致钻进时效低；而对于碳化钨含量低 的软胎体金刚石钻头，其胎体耐磨性差，造成胎体对金刚石包镶能力减弱，金刚石掉粒严重， 而且过早脱落的金刚石又与岩粉一起磨耗胎体，造成恶性循环，严重地影响了金刚石钻头的 使用效果。目前，市场上的碳化钨粉价格不断上涨，传统的碳化钨基金刚石钻头成本显著提 高，在市场的竞争能力大大下降。 发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种热压高磷铁基金刚石钻头，其显著提高了金刚石 钻头的性能和质量，扩宽了钻头对不同岩层的适应能力，而且降低了生产的成本。 本发明的另外一个目的是提供热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是热压高磷铁基金刚石钻头，包括有胎体材 料和金刚石，其中金刚石的含量为75% 95% (体积浓度)，余量为胎体材料，所述的胎体 材料的组分及其组分含量按质量百分比计为Fe粉35X 50X P 3% 6% B 1% 2% 附粉5% 10%(:0粉5% 7% 663-01粉25% 32% Mn粉2X 3X丁1粉1% 2% 稀土La 1.5% 2% 稀土Ce 1.0% 1.5%。所述的胎体材料的组分含量(质量％)优选为 Fe粉47X 50X P 3% 4% B 1% 2% 狙粉6 10% 0>粉5 7% 663-Cu粉25 30X Mn粉2 3WTi粉l 2X 稀土La 1.5% 2% 稀土 Ce 1. 0% 1. 5% 。按上述方案，所述的胎体材料中各组分的粒度为200目 300目。按上述方案，所述的金刚石采用粒度范围分别为40/45目、45/50目、50/60目或60/70
目金刚石中的任意两种或三种的混合。热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法，包括有以下步骤l)备料按设计的胎体及金刚 石钻头规格尺寸计算、称取胎体材料和金刚石，其中胎体材料各种组分粒度为200 300目，所述的胎体材料的组分及其质量百分含量为Fe粉35% 50%、 P 3% 6%、 B 1 2%， Ni 粉5% 10%、 Co粉5X 7X、 663-Cu粉25% 32%、 Mn粉2X 3X、 11粉1% 2%、 稀土 La 1.5 2%、稀土 Ce 1.0 1.5%;金刚石的含量为金刚石和胎体材料总量的75% 95% (体积浓度)，金刚石采用粒度范围分别为40/45目、45/50目、50/60目或60/70目金 刚石中的任意两种或三种的混合；2) 配粉和混料将上述备好的胎体材料在球磨机中混合12小时，然后加入金刚石再混 3 4小时得到混合均匀的粉料；3) 装模将混合均匀的粉料按要求装入石墨模具内，整平后转入中频电炉内烧结；4) 热压烧结预压为0.5MPa—通电升温烧结，其升温速度120°C/miri—快速烧结即温 度升至40(TC后，采用180'C/niin升温速度升温一增压即当温度升至600'C后开始增压，由 预压时的0.5Mpa，增至设计压力的2/3—保温升压温度升到设定烧结温度值后开始保温，同时将压力升至设定的全压一保温保压按设定烧结温度与设计压力保温保压一保压降温断电降温，保压，钻头随炉冷却一卸压出炉当炉内温度降到8'2(TC时，停电卸压出炉，所 述的设定烧结温度940。C 96(TC，设计压力为14 16MPa，保温时间为2 3min。本发明在胎体材料中完全使用铁粉替代碳化钨作为骨架材料，由于磷的不稳定性且为了 使其与胎体材料其它粉末混合均匀，胎体材料中的P以Fe-P合金粉的形式加入，B以Fe-B 合金粉的形式加入。而且使用微量的硅、稀土镧与稀土铈元素等，达到降低烧结温度，促进 合金化烧结，有效地阻止铁对金刚石的高温热侵蚀和提高铁合金胎体性能的目的。本发明热压高磷铁基金刚石钻头与传统碳化钨基金刚石钻头相比，具有以下有益效果(1) 胎体材料来源广，成本低；胎体性能易于调整与掌握，配方中B、 Mn、 Ti、稀土 La 以及稀土 Ce的含量变化甚小，因此只需根据不同地层调整Fe基骨架材料及粘结金属663-Cu 青铜合金的含量，就能调整好钻头的性能，适应不同地层的钻进要求；(2) 胎体中加入P元素，对铁、铜及其合金润湿性好，Fe与P形成共晶，大大降低了 烧结温度；此外，由于P优先与铁发生反应生成Fe3P，，有效阻止了金刚石以碳元素形式向铁 中渗入，大大减少铁在高温下对金刚石的热刻蚀；(3) 有共价键的金刚石与许多金属合金之间有着很高的界面能， 一般胎体粉末不与金刚 石发生界面发应，胎体对金刚石以机械包镶为主，本发明巧妙利用了铁对金刚石的高温微刻 蚀作用，使铁与金刚石之间形成一层极薄的渗碳体Fe3C，这样使胎体粉末与金刚石之间以化 学键结合，有效提高了胎体对金刚石的把持力，从而提高了钻头的钻进时效和使用寿命；(4) 使钻头具有广普性，能够适应多种种岩层钻进，在同等条件下，按本发明制备方法 制备的高磷铁基金刚石钻头比碳化钨基金刚石钻头机械钻速提高35%以上，使用寿命提高25% 以上，对于坚硬、致密岩层的钻进效果尤其突出，对于强研磨性岩层、硬、脆、破碎的岩层， 钻头也有较好的适应性与钻进指标；(5) 不仅适用于制造地质勘探用金刚石钻头，还可用于制造石材加工用的金刚石锯片以 及其它修整用金刚石磨具，有着广阔的应用领域和市场前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一歩说明，但是本发明不仅仅限于此。 热压高磷铁基金刚石钻头，其制备方法包括有以下步骤1、 备料按设计的胎体及金刚石钻头规格尺寸计算、称取胎体材料和金刚石，其中胎体 材料各种组分粒度为200 300目，所述的胎体材料的组分及其质量百分含量为Fe粉35% 50%、 P 3% 6%、 B 1 2%，附粉5% 10%、 0)粉5% 7%、 663-Cu粉25% 32%、 Mn粉2X 3X、 Ti粉l^ 2X、稀土Lal.5 2X、稀土 Ce 1. 0 1. 5%;金刚石的含量为 金刚石和胎体材料总量的75% 95% (体积浓度)，金刚石采用粒度范围分别为40/45目、 45/50目、50/60目或60/70目金刚石中的任意两种或三种的混合；2、 配粉和混料将上述备好的胎体材料在球磨机中混合12小时，然后加入金刚石再混 3 4小时得到混合均匀的粉料；3、 装模将混合均匀的粉料按要求装入石墨模具内，整平后转入中频电炉内烧结；4、 热压烧结预压(0.5MPa)—通电升温烧结(升温速度12(TC/min)—快速烧结(温 度升至400。C后，采用180'C/min升温速度升温)一增压(当温度升至600。C后开始增压，由 预压时的0.5Mpa，增至设计压力的2/3)—保温升压(温度升到设定温度值后开始保温，同 时将压力升至设定的全压)一保温保压(按设定的温度与压力保温保压)一保压降温(断电 降温，保压，钻头随炉冷却)一卸压出炉(当炉内温度降到820。C时，停电卸压出炉)，设定 的烧结温度940。C 96(TC，压力为14 16MPa，保温时间为2 3min。实施例1:<t>59热压高磷铁基金刚石钻头，钻进可钻性为9 10级的花岗岩。胎体材料(以下为质量％,200目 300目)Fe 46%、 663-Cu 28%、 P 3%、 B 1%， Ni 9%、 Co 6%、 Mn 2%、 Ti 2%、稀土 La 1.5%、稀土 Ce 1.5%;金刚石浓度90% (体积浓
度)，其中选用JR5型40/45金刚石40%, 2700型50/60型金刚石60% (以下均为体积浓度)。 烧结工艺参数设计压力16MPa，设定烧结温度950。C，保温3min; 钻进参数:钻压1000kg，转速600rpm，泵量30L/min; 本金刚石钻头钻进时效1. 82mZh，寿命可达到42米。 实施例2:4>75热压高磷铁基金刚石钻头，钻进可钻性为10 11级坚硬致密石英岩。胎体材料(200目 300目)Fe 50%、 663-Cu 25%、 P 4%、 B 1%， N丄9%、 Co 5%、 Mn 2.5%、 Ti 1.0%、稀土 La 1.5%、稀土 Ce 1.0%;金刚石浓度75% (体积浓度)，其中 选用JR5型45/50目金刚石60%, 2700型50/60目金刚石40%。烧结工艺参数压力15MPa，温度940。C，保温2min。钻进参数钻压1500kg，转速450rpm,泵量35L/min;本金刚石钻头钻进时效1. 22m/h，寿命可达到24米。实施例3:4> 75热压高磷铁基金刚石钻头，钻进可钻性为7 8级强研磨性石英砂岩。钻头胎体配方(200目 300目)Fe 44%、 663-Cu 26%、 P 4%、 B 2%， Ni 10%、 Co 6 %、 Mn3%、 Ti2%、稀土La2X、稀十Cel.OX;金刚石浓度95%，其中选用JR5型40/45 目金刚石35%， 2700型50/60目金刚石65%。烧结工艺参数压力15MPa，温度960。C，保温3min。钻进参数钻压1500kg，转速450rpm，泵量35L/min;本金刚石钻头钻进时效2. 24m/h,寿命可达到37米。实施例4:4>75热压高磷铁基绳索取心金刚石钻头，钻进中等研磨性完整硬岩钻头胎体配方(200目 30f)目)Fe 38%、 663-Cu 30%、 P 5%、 B 2%， Ni腦、Co 7 %、 Mn3%、 Ti2%、稀土La2X、稀上Cel.OX;金刚石浓度90%，其中选用JR5型40/45 目金刚石30%， JR5型45/50目金刚石20%, 2700型50/60冃金刚石50%。烧结工艺参数压力15MPa，温度95(TC,保温2. 5min。钻进参数钻压1500kg，转速600rpm，泵量30L/min;本金刚石钻头钻进时效2. 35m/h，寿命可达到56米。
权利要求
1、 热压高磷铁基金刚石钻头，其特征在于包括有胎体材料和金刚石，其中金刚石的含量 为75% 95% (体积浓度)，余量为胎体材料，所述的胎体材料的组分及其组分含量按质量百分比计为Fe粉35X 50X P 3% 6% B 1% 2% 狙粉5% 10%Co粉5X 7X 663-01粉25% 32% Mn粉2X 3X11粉1% 2% 稀土La 1.5% 2% 稀土Ce 1.0% 1.5%。
2、 按权利要求l所述的热压高磷铁基金刚石钻头，其特征在于所述的胎体材料的组分含 量按质量百分比计为Fe粉47X 50X P 3% 4%Bl% 2% Ni粉6 10X Co粉5 7X 663-Cu粉25 30X Mn粉2 3XTi粉l 2X 稀土La 1.5% 2% 稀土 Ce 1. 0% 1. 5% 。
3、 按权利要求1或2所述的热压高磷铁基金刚石钻头，其特征在于所述的胎体材料中各 组分的粒度为200目 300目。
4、 按权利要求1或2所述的热压高磷铁基金刚石钻头，其特征在于所述的金刚石采用粒 度范围分别为40/45目、45/50目、50/60目或60/70目金刚石中的任意两种或三种的混合。
5、 权利要求1热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法，包括有以下步骤1) 备料按设计的胎体及金刚石钻头规格尺寸计算、称取胎体材料和金刚石，其中胎体 材料各种组分粒度为200 300目，所述的胎体材料的组分及其质量百分含量为Fe粉35X 50%、 P 3% 6%、 B 1 2%，附粉5% 10%、 0)粉5% 7%、 663-Cu粉25% 32%、 Mn粉2X 3X、 11粉1% 2%、稀土Lal.5 2X、稀土 Ce 1. 0 1. 5%;金刚石的含量为 金刚石和胎体材料总量的75% 95% (体积浓度)，金刚石采用粒度范围分别为40/45目、 45/50目、50/60目或60/70目金刚石中的任意两种或三种的混合；2) 配粉和混料将上述备好的胎体材料在球磨机中混合12小时，然后加入金刚石再混 3 4小时得到混合均匀的粉料；3) 装模将混合均匀的粉料按要求装入石墨模具内，整平后转入中频电炉内烧结；4) 热压烧结预压为0.5MPa—通电升温烧结，其升温速度120°C/min—快速烧结即温 度升至40(TC后，采用18(TC/min升温速度升温一增压即当温度升至60(TC后开始增压，由 预压时的0.5Mpa，增至设计压力的2/3—保温升压温度升到设定烧结温度值后开始保温，同时将压力升至设定的全压一保温保压按设定烧结温度与设计压力保温保压—保压降温断电降温，保压，钻头随炉冷却一卸压出炉当炉内温度降到820'C时，停电卸压出炉，所述的设定烧结温度94(TC 96(rC，设计压力为14 16MPa，保温时间为2 3min。
6、按权利要求5所述的热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述的设定烧 结温度950"C，设计压力为15MPa，保温时间为2.5min。
全文摘要
本发明涉及一种热压高磷铁基金刚石钻头及其制备方法，金刚石的含量为75％～95％，胎体材料的组分及其含量为Fe粉35％～50％；P 3％～6％；B 1％～2％；Ni粉5％～10％；Co粉5％～7％；663-Cu粉25％～32％；Mn粉2％～3％；Ti粉1％～2％；稀土La 1.5％～2％稀土Ce 1.0％～1.5％，制备方法，包括有以下步骤1)备料；2)配粉和混料；3)装模；4)热压烧结。本发明具有以下有益效果(1)胎体材料来源广，成本低；(2)降低了烧结温度；减少铁在高温下对金刚石的热刻蚀；(3)提高了钻头的钻进时效和使用寿命；(4)使钻头具有广谱性；(5)适用范围广。
文档编号E21B10/46GK101144370SQ20071005361
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月24日 优先权日2007年10月24日
发明者洋 杨, 杨凯华, 潘秉锁 申请人:中国地质大学(武汉)