CN108119065B - 孕镶金刚石钻头切削齿及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种孕镶金刚石钻头切削齿及其制造方法，所述孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法包括以下步骤：将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料；将所述金属胎体混合料与固体润滑剂粉末混合均匀制备复合胎体混合料；将所述金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制粒形成金刚石复合颗粒；将所述金刚石复合颗粒与所述复合胎体混合料混合制粒形成切削齿颗粒材料；将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿。本发明提供一种可自润滑的孕镶金刚石钻头切削齿及其制造方法，能够降低金刚石工具与被加工件之间的摩擦系数，进而减少摩擦热的生成，确保孕镶金刚石工具处于良好的工作环境中。
Description
技术领域
本发明属于石油和地质勘探技术领域，尤其涉及一种孕镶金刚石钻头切削齿及其制造方法，主要用于延长孕镶金刚石钻头的使用寿命和钻进效率。
背景技术
孕镶金刚石钻头的破岩机理是以其底唇面上多而小的金刚石颗粒对井底岩石进行不断刻划磨削，随着本层金刚石的逐渐磨损和胎体的不断磨耗，新的金刚石又裸露出来参加工作。钻进过程中，孕镶金刚石钻头的高比能要求导致钻头工作唇面与岩石接触界面间产生大量的摩擦热，其性能严重依赖于钻井液对孕镶金刚石工作唇面的冷却状态。
相较于PDC钻头和牙轮钻头，孕镶金刚石钻头独特的破岩机理使之能更好的适应硬岩钻进。然而在配合井底动力钻具进行深部硬岩钻进时，受金刚石出刃高度小(出刃高度＜0.5mm)、钻头回转线速度大和钻井液比重高等因素的影响，孕镶金刚石钻头工作唇面的冷却效果仍然非常严峻。
与此同时，由于金刚石磨损速率受其工作温度的影响严重(温度从300℃上升到500℃，金刚石的磨损率即增加3倍，随后磨损更快)，而部分深井超深井的静止井底温度即可高达200℃及以上，十分影响孕镶金刚石钻头的使用寿命和钻进效率。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可自润滑的孕镶金刚石钻头切削齿及其制造方法，以降低金刚石工具与被加工件之间的摩擦系数，进而减少摩擦热的生成，确保孕镶金刚石工具处于良好的工作环境中。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，包括以下步骤：
将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料；
将所述金属胎体混合料与固体润滑剂粉末混合均匀制备复合胎体混合料；
将所述金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制粒形成金刚石复合颗粒；
将所述金刚石复合颗粒与所述复合胎体混合料混合制粒形成切削齿颗粒材料；
将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿。
作为一种优选的实施方式，利用球磨机将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料。
作为一种优选的实施方式，所述至少两种金属粉末包括WC粉、Fe粉、CuSn10粉、Co粉、Ni粉、660Cu粉、YG8粉、Mn粉；
所述WC粉的质量百分比为0％～50％，所述Fe粉的质量百分比为0％～50％，所述CuSn10粉的质量百分比为20％～35％，所述Co粉的质量百分比为5％～20％，所述Ni粉的质量百分比为5％～20％，所述660Cu粉的质量百分比为15％～35％，所述YG8粉的质量百分比为0％～30％，所述Mn粉的质量百分比为2％～8％。
作为一种优选的实施方式，所述金刚石复合颗粒相比所述金刚石颗粒直径增厚0.3-0.8mm。
作为一种优选的实施方式，所述切削齿颗粒材料为球形颗粒，其直径为0.8-1.5mm。
作为一种优选的实施方式，所述切削齿颗粒材料包括含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒、以及不含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒。
作为一种优选的实施方式，在将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具后整平。
作为一种优选的实施方式，所述将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿的步骤包括：
采用电阻炉对所述烧结模具预烧结；预烧结温度为400℃-500℃，预烧结压力为2MPa～5Mpa；
采用中频感应烧结炉对所述烧结模具进行热压烧结，烧结温度为850℃～1050℃，保温时间为3～10min，烧结压力为15～30MPa；
在烧结完成后将所述烧结模具埋入砂中进行自然冷却，并在冷却后进行卸模获得孕镶金刚石钻头切削齿。
作为一种优选的实施方式，该孕镶金刚石钻头切削齿通过如上任一所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法获得。
作为一种优选的实施方式，金刚石的含量为50％～120％砂轮制体积浓度；所述固体润滑剂和所述金属材料的所占的体积含量为0％～10％。
作为一种优选的实施方式，所述金刚石的粒度范围为80/100目～30/35目之间的一种或多种金刚石目数的混合。
作为一种优选的实施方式，所述固体润滑剂为硫化物、氟化物、硫酸盐、石墨、六方氮化硼等润滑剂的一种或多种。
本发明的有益效果在于：
①、在孕镶金刚石钻头切削齿金属胎体材料(金属胎体混合料)中添加了固体润滑剂，该固体润滑剂可降低切削齿工作时与被加工材料之间的摩擦系数，延长切削齿的使用寿命并提高加工效率；
②、该实施方式利用步骤S2、S3、S4相结合形成二次制粒工艺，使金刚石表面完全被金属粉末包裹，防止非金属类固体润滑剂材料在热压烧结过程中与金刚石颗粒直接接触，降低金刚石的被包镶强度；同时，制粒工艺也能使金刚石颗粒在切削齿中的分布更为均匀；
③、该实施方式采用二次热压烧结工艺，防止中频炉烧结过程中，因粘胶剂的受热挥发导致烧结过程失败。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式提供的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法步骤流程图；
图2是图1中的二次热压烧结步骤流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，为本发明一种实施方式提供的一种孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法步骤流程图。在本实施方式中，该孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法包括以下步骤：
S1、将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料；
在该步骤S1中，该金属胎体混合料可以在热压烧结后形成金属胎体。其中，该步骤S1可以利用球磨机将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料。该金属胎体混合料的各组分的粒度可以为为200～400目或更细。
在本实施方式中，为提升孕镶金刚石钻头切削齿的性能，延长使用寿命，所述至少两种金属粉末包括WC粉、Fe粉、CuSn10粉、Co粉、Ni粉、660Cu粉、YG8粉、Mn粉。
其中，在该孕镶金刚石钻头切削齿种，所述WC粉的质量百分比为0％～50％，所述Fe粉的质量百分比为0％～50％，所述CuSn10粉的质量百分比为20％～35％，所述Co粉的质量百分比为5％～20％，所述Ni粉的质量百分比为5％～20％，所述660Cu粉的质量百分比为15％～35％，所述YG8粉的质量百分比为0％～30％，所述Mn粉的质量百分比为2％～8％。
S2、将所述金属胎体混合料与固体润滑剂粉末混合均匀制备复合胎体混合料；
该步骤S2中可以将S1中所制备的金属胎体混合料的一部分与固体润滑剂粉末进行混合。具体的，该步骤S2中利用球磨机将所述金属胎体混合料与固体润滑剂粉末混合均匀制备复合胎体混合料。
在该步骤S2中，所述固体润滑剂为硫化物、氟化物、硫酸盐、石墨、六方氮化硼等润滑剂的一种或多种。所述固体润滑剂材料呈粉末状，粒度为200～400目或更细。其中，该固体润滑剂可降低切削齿工作时与被加工材料之间的摩擦系数，延长切削齿的使用寿命并提高加工效率。
S3、将所述金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制粒形成金刚石复合颗粒；
其中，在选取制备原料时，可以按照孕镶金刚石钻头切削齿的几何尺寸、金属胎体配方、固体润滑剂加量和金刚石的设计参数，分别称取相应质量的各种金属粉末、固体润滑剂和金刚石颗粒。在该步骤S3中，所述金刚石复合颗粒相比所述金刚石颗粒直径增厚0.3-0.8mm。
该步骤S3中，可以利用另一部分金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制备金刚石复合颗粒。该步骤S3中可以利用混料制粒机将所述金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制粒形成金刚石复合颗粒。在制粒过程中可以添加结合剂(比如粘胶)将金属胎体混合料与金刚石颗粒粘接在一起形成金刚石复合颗粒。
该步骤S3能够使得金刚石表面完全被金属粉末包裹，防止非金属类的固体润滑剂材料在热压烧结过程中与金刚石颗粒直接接触，避免降低金刚石的被包镶强度。
需要说明的是，该步骤S3和步骤S2并不明显的先后执行顺序，比如，先可以执行步骤S2在执行步骤S3，也可以先执行步骤S3再执行步骤S2，当然，两个步骤也可以同时执行，本申请并不作限制。
S4、将所述金刚石复合颗粒与所述复合胎体混合料混合制粒形成切削齿颗粒材料；
在该步骤S4中，再次可以用制粒机对所述金刚石复合颗粒与所述复合胎体混合料混合制粒。通过设有该步骤S4的制粒工艺也能使金刚石颗粒在切削齿中的分布更为均匀。所述切削齿颗粒材料可以优选为球形颗粒，其直径为0.8-1.5mm。当然，该切削齿颗粒材料也可以为其他形状，比如矩形块体、不规则形体等等。
在该步骤S4中并不能保证每个金刚石颗粒均能与复合胎体混合料粘接成团，从而，所述切削齿颗粒材料包括含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒、以及不含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒。该不含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒即为通过结合剂粘接形成的复合胎体混合料颗粒。
S5、将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿。
在该实施方式中，可以根据拟制造自润滑的孕镶金刚石钻头切削齿的几何尺寸，设计加工相应的烧结模具，其中，烧结模具可以为石墨或陶瓷模具。
在该步骤S5中，可以将制粒好的球体切削齿颗粒材料按预定质量装入烧结模具中。为具备较佳的切削齿构造，在将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具后整平。
如图2所示，该步骤S5可以包括以下子步骤：
S51、采用电阻炉对所述烧结模具预烧结；预烧结温度为400℃-500℃，预烧结压力为2MPa～5Mpa；
S52、采用中频感应烧结炉对所述烧结模具进行热压烧结，烧结温度为850℃～1050℃，保温时间为3～10min，烧结压力为15～30MPa；
S53、在烧结完成后将所述烧结模具埋入砂中进行自然冷却，并在冷却后进行卸模获得孕镶金刚石钻头切削齿。
在卸模后可以对所获得的孕镶金刚石钻头切削齿进行微加工，以便于下一步阶段的设计和使用。
本发明另一种实施方式还提供一种孕镶金刚石钻头切削齿，该孕镶金刚石钻头切削齿通过上任一实施方式所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法获得。其中，该孕镶金刚石钻头切削齿中，金刚石的含量为50％～120％体积浓度(砂轮制)；所述固体润滑剂和所述金属材料的所占的体积含量为0％～10％。优选的，所述金刚石的粒度范围为80/100目～30/35目之间的一种或多种金刚石目数的混合。
本发明的上述实施方式的有益效果在于：
①、在孕镶金刚石钻头切削齿金属胎体材料(金属胎体混合料)中添加了固体润滑剂，该固体润滑剂可降低切削齿工作时与被加工材料之间的摩擦系数，延长切削齿的使用寿命并提高加工效率；
②、该实施方式利用步骤S2、S3、S4相结合形成二次制粒工艺，使金刚石表面完全被金属粉末包裹，防止非金属类固体润滑剂材料在热压烧结过程中与金刚石颗粒直接接触，降低金刚石的被包镶强度；同时，制粒工艺也能使金刚石颗粒在切削齿中的分布更为均匀；
③、该实施方式采用二次热压烧结工艺，防止中频炉烧结过程中，因粘胶剂的受热挥发导致烧结过程失败。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (11)
1.一种孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料；
将所述金属胎体混合料与固体润滑剂粉末混合均匀制备复合胎体混合料；
添加结合剂将所述金属胎体混合料与金刚石颗粒混合制粒形成金刚石复合颗粒；
将所述金刚石复合颗粒与所述复合胎体混合料混合制粒形成切削齿颗粒材料；
将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿；
其中，所述将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具中热压烧结获取孕镶金刚石钻头切削齿的步骤包括：
采用电阻炉对所述烧结模具预烧结；预烧结温度为400℃-500℃，预烧结压力为2MPa～5Mpa；
采用中频感应烧结炉对所述烧结模具进行热压烧结，烧结温度为850℃～1050℃，保温时间为3～10min，烧结压力为15～30MPa；
在烧结完成后将所述烧结模具埋入砂中进行自然冷却，并在冷却后进行卸模获得孕镶金刚石钻头切削齿。
2.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：利用球磨机将至少两种金属粉末混合均匀制备金属胎体混合料。
3.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：所述至少两种金属粉末包括WC粉、Fe粉、CuSn10粉、Co粉、Ni粉、660Cu粉、YG8粉、Mn粉；
所述WC粉的质量百分比为0％～50％，所述Fe粉的质量百分比为0％～50％，所述CuSn10粉的质量百分比为20％～35％，所述Co粉的质量百分比为5％～20％，所述Ni粉的质量百分比为5％～20％，所述660Cu粉的质量百分比为15％～35％，所述YG8粉的质量百分比为0％～30％，所述Mn粉的质量百分比为2％～8％。
4.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：所述金刚石复合颗粒相比所述金刚石颗粒直径增厚0.3-0.8mm。
5.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：所述切削齿颗粒材料为球形颗粒，其直径为0.8-1.5mm。
6.如权利要求5所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：所述切削齿颗粒材料包括含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒、以及不含有所述金刚石复合颗粒的球形颗粒。
7.如权利要求1所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法，其特征在于：在将所述切削齿颗粒材料装入烧结模具后整平。
8.一种孕镶金刚石钻头切削齿，其特征在于，该孕镶金刚石钻头切削齿通过如权利要求1-7任一所述的孕镶金刚石钻头切削齿的制造方法获得。
9.如权利要求8所述的孕镶金刚石钻头切削齿，其特征在于：金刚石的含量为50％～120％砂轮制体积浓度；所述固体润滑剂和所述金属材料的所占的体积含量为0％～10％。
10.如权利要求8所述的孕镶金刚石钻头切削齿，其特征在于：所述金刚石的粒度范围为80/100目～30/35目之间的一种或多种金刚石目数的混合。
11.如权利要求8所述的孕镶金刚石钻头切削齿，其特征在于：所述固体润滑剂为硫化物、氟化物、硫酸盐、石墨、六方氮化硼等润滑剂的一种或多种。
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