專利名稱：一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭及其制造工藝，金剛石鉆頭廣泛地用于地質(zhì)勘探、石油鉆井和水利水電等基礎(chǔ)工程勘察以及地質(zhì)災(zāi)害的治理中。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的地質(zhì)勘探與深部找礦工作量迅速增加，金剛石鉆頭是必不可少的鉆探工具，而且其消耗量極大。然而地殼中的巖石種類繁多，其性能千變?nèi)f化；鉆探實(shí)踐中希望鉆頭對(duì)巖層的適應(yīng)能力較強(qiáng)，不能因?yàn)閹r層種類與性質(zhì)發(fā)生變化，馬上要換另一種性能的鉆頭鉆進(jìn)，這不僅影響鉆探施工的進(jìn)程，而且明顯提高鉆探成本。而目前的金剛石鉆頭其結(jié)構(gòu)包括扇形工作塊，扇形工作塊之間設(shè)有水口，扇形工作塊其結(jié)構(gòu)為單一結(jié)構(gòu)，對(duì)巖層的適應(yīng)能力不強(qiáng)，普通鉆頭的工作層為均質(zhì)型，金剛石在整個(gè)工作層中的分布均勻，鉆進(jìn)過(guò)程中由于鉆頭的受力和磨損不相同，必然造成工作層磨損不均勻，鉆頭的使用效果受到明顯影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明其目的就在于提供一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭及其制造工藝，對(duì)巖層的適應(yīng)性大大提高，在常見(jiàn)的多數(shù)巖石中均可以取得好的鉆進(jìn)效果。同時(shí)，鉆進(jìn)速度能提高 20% 25%，鉆頭的使用壽命能提高10% 15%，每米鉆探成本下降了約15%左右。具有巖層適應(yīng)性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和成本低的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)上述目的而采取的技術(shù)方案，包括扇形工作塊，扇形工作塊之間設(shè)有水口，所述的扇形工作塊為分層復(fù)合型，包括金剛石工作層和非金剛石層，所述的金剛石工作層和非金剛石層交替組合而成，所述的金剛石工作層和非金剛石層為多層。其制造工藝包括熱壓成形，將所述的多層金剛石工作層和非金剛石層交替、相間裝入鋼模中，冷壓成型，預(yù)制出鉆頭扇形工作塊；再將預(yù)制出的扇形工作塊組裝于石墨模具中，通過(guò)中頻電爐熱壓成型，制成金剛石鉆頭。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，由于采用了多層金剛石工作層和非金剛石層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相應(yīng)的冷壓和熱壓成型工藝，因而對(duì)巖層的適應(yīng)性大大提高，在常見(jiàn)的多數(shù)巖石中均可以取得好的鉆進(jìn)效果。 同時(shí)，鉆進(jìn)速度能提高20 % 25 %，鉆頭的使用壽命能提高10 % 15 %，每米鉆探成本下降了約15%左右。具有巖層適應(yīng)性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和成本低的特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。圖1為本裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本裝置中扇形工作塊的結(jié)構(gòu)示意圖3為本裝置中非金剛石層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本裝置中金剛石層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式包括扇形工作塊，扇形工作塊之間設(shè)有水口 1，如圖1所示，所述的扇形工作塊為分層復(fù)合型，包括金剛石工作層3和非金剛石層2，所述的金剛石工作層3和非金剛石層2 交替組合而成，所述的金剛石工作層3和非金剛石層2為多層。所述的金剛石工作層3的層寬為內(nèi)層和外層為2. 0 3. 2mm,中部層層寬為 2. Omm ；所述的非金剛石層2的層寬為1. 2mm或1. 5mm。所述的金剛石工作層3占鉆頭工作層的75% 80%，非金剛石層2占鉆頭工作層的 25% 20%。其制造工藝，包括熱壓成形，將所述的多層金剛石工作層3和非金剛石層2交替、 相間裝入鋼模中，冷壓成型，預(yù)制出鉆頭扇形工作塊；再將預(yù)制出的扇形工作塊組裝于石墨模具中，通過(guò)中頻電爐熱壓成型，制成金剛石鉆頭。所述的冷壓成型工藝技術(shù)參數(shù)為壓力200MPa 250MPa，穩(wěn)定3 k ；所述的熱壓成型工藝技術(shù)參數(shù)為溫度940°C，壓力16MPa，保溫時(shí)間5min，鉆頭出爐溫度為820°C。實(shí)施例1、鉆頭的結(jié)構(gòu)分層復(fù)合型熱壓金剛石鉆頭的特征在于鉆頭工作層由性能與規(guī)格各異的多層金剛石工作層和非金剛石層組合而成。金剛石工作層的層寬內(nèi)層和外層的為2. 0 3. 2mm,普通規(guī)格鉆頭采用2. 0 2. 5mm，繩索取芯鉆頭采用2. 5 3. 2mm。居中部位的層寬均采用2. 0mm。見(jiàn)圖4所示。非金剛石層的層寬采用1. 2mm或1. 5mm。對(duì)于脆性大的巖石，采用1. 2mm ；而對(duì)于塑性為主的塑脆性巖石，采用1.5mm。見(jiàn)圖3所示。2、鉆頭制造工藝?yán)鋲撼尚凸に嚍椴捎?00T液壓機(jī)和工具鋼模具。冷壓壓力200MPa 250MPa， 穩(wěn)定5s。熱壓成型工藝采用智能中頻電爐自動(dòng)燒結(jié)。終溫溫度940°C，升溫速度在600°C前采用80°C /min，600°C之后采用120°C /min 升至設(shè)定溫度，820°C時(shí)保溫Imin。初壓設(shè)定為2 3MPa，終壓設(shè)定為16MPa。當(dāng)溫度升至設(shè)定終溫時(shí)，開(kāi)始保溫，保溫時(shí)間設(shè)定5min ；保溫Imin后壓力升至設(shè)定的最終壓力。鉆頭出爐溫度設(shè)為820°C。當(dāng)保溫時(shí)間到即停電停止保溫，壓力仍然處于保壓狀態(tài)；當(dāng)爐溫降至出爐溫度時(shí)即停電卸壓，鉆頭出爐。3、特點(diǎn)①鉆頭工作層由多層含金剛石層和不含金剛石層組成，且相互間隔開(kāi)；②含金剛石工作層寬為2. Omm 3. 2_，可以依據(jù)鉆頭類型和巖石種類不同優(yōu)選工作層寬度；
③不含金剛石層寬為1. 2mm和1. 5mm兩種，依據(jù)巖石種類不同選擇；④采用鋼模先冷壓成型復(fù)合層工作單元，然后把多個(gè)復(fù)合層工作單元組裝在石墨模具中熱壓成金剛石鉆頭；⑤可以針對(duì)巖石種類和性質(zhì)，調(diào)整各層的寬度，使之達(dá)到最佳的鉆進(jìn)效果。本裝置從提高熱壓金剛石鉆頭對(duì)巖層的適應(yīng)性能出發(fā)，設(shè)計(jì)出一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭。鉆頭的工作層中由多層金剛石層與多層非金剛石層交替_相間組合而構(gòu)成鉆頭的工作層。金剛石工作層是鉆頭破碎巖石的主體，占鉆頭工作層的75% 80% ；而非金剛石層占鉆頭工作層的25 % 20 %，不能直接破碎巖石，而是利用破碎穴效應(yīng)，在鉆頭的軸向與徑向振動(dòng)作用下破碎巖石，破碎下的巖粉較粗，有利于磨損鉆頭的胎體，使得金剛石能夠維持良好的出刃而提高鉆進(jìn)效率，提高對(duì)巖層的適應(yīng)性。由此可知，相同金剛石含量的鉆頭，其工作層的高度約提高20% 25%，有利于提高鉆頭的使用壽命；若相同工作層高度的鉆頭，則金剛石的含量約降低20% 25%，等于降低了鉆頭的成本約20%左右。以繩索取芯鉆頭Φ 77/ Φ 49mm鉆頭和鉆進(jìn)可鉆性VII IX級(jí)、中等研磨性的巖石為例鉆頭的工作層可設(shè)計(jì)為4層，靠近鉆頭內(nèi)外徑的兩層，其寬度為3. 2mm ；中間兩層設(shè)計(jì)為2. Omm;而不含金剛石層寬設(shè)計(jì)為1.2mm。這樣，鉆頭共由7層組合而成，見(jiàn)圖1所
示ο(2)鉆頭制造工藝設(shè)計(jì)以鉆進(jìn)可鉆性VII IX級(jí)、中等研磨性巖石的繩索取芯鉆頭制造工藝為例鉆頭的冷壓成型工藝設(shè)計(jì)每模冷壓10個(gè)扇形工作單元，其面積約20cm2，采用 200MPa成型，其總壓力為40T，保壓5s，卸壓脫模，10個(gè)扇形工作單元即成型，備用。鉆頭的熱壓工藝設(shè)計(jì)將冷壓成型的扇形工作單元按照鉆頭的需要量組裝于石墨模具中，送入中頻電爐內(nèi)熱壓燒結(jié)。熱壓終溫溫度940°C，升溫速度在600°C前采用80°C /min，600°C之后采用 120°C /min升至設(shè)定溫度，800°C時(shí)保溫Imin。初壓設(shè)定為3MPa，終壓設(shè)定為16MPa。當(dāng)溫度升至設(shè)定終溫時(shí)，開(kāi)始保溫，保溫時(shí)間設(shè)定5min ；保溫Imin后壓力逐步升至設(shè)定的最終壓力43kN(鉆頭受熱壓的面積約27cm2，采用16MPa的壓強(qiáng)，得出最終壓力約為 43kN)。鉆頭出爐溫度設(shè)為820°C。當(dāng)保溫時(shí)間到即停電停止保溫，壓力仍然處于保壓狀態(tài)；當(dāng)爐溫降至出爐溫度時(shí)即停電卸壓，鉆頭出爐，出爐后在保溫條件下緩冷至室溫。
權(quán)利要求
1.一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭，包括扇形工作塊，扇形工作塊之間設(shè)有水口(1)，其特征在于，所述的扇形工作塊為分層復(fù)合型，包括金剛石工作層C3)和非金剛石層(2)，所述的金剛石工作層( 和非金剛石層( 交替組合而成，所述的金剛石工作層( 和非金剛石層⑵為多層。
2.根椐權(quán)利要求1所述的一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭，其特征在于，所述的金剛石工作層⑶的層寬為內(nèi)層和外層為2. 0 3. 2mm,中部層層寬為2. Omm ；所述的非金剛石層(2) 的層寬為1. 2mm或1. 5mm。
3.根椐權(quán)利要求1所述的一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭，其特征在于，所述的金剛石工作層(3)占鉆頭工作層的75% 80%，非金剛石層(2)占鉆頭工作層的25% 20%。
4.根椐權(quán)利要求1所述的一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭的制造工藝，包括熱壓成形，其特征在于，將所述的多層金剛石工作層C3)和非金剛石層( 交替、相間裝入鋼模中，冷壓成型，預(yù)制出鉆頭扇形工作塊；再將預(yù)制出的扇形工作塊組裝于石墨模具中，通過(guò)中頻電爐熱壓成型，制成金剛石鉆頭。
5.根椐權(quán)利要求3所述的一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭的制造工藝，其特征在于，所述的冷壓成型工藝技術(shù)參數(shù)為壓力200MPa 250MPa，穩(wěn)定3 k ；所述的熱壓成型工藝技術(shù)參數(shù)為溫度940°C，壓力16MPa，保溫時(shí)間5min，鉆頭出爐溫度為820°C。
全文摘要
一種分層復(fù)合型金剛石鉆頭及其制造工藝，包括扇形工作塊，扇形工作塊之間設(shè)有水口，所述的扇形工作塊為分層復(fù)合型，包括金剛石工作層和非金剛石層，所述的金剛石工作層和非金剛石層交替組合而成，所述的金剛石工作層和非金剛石層為多層。其制造工藝包括將鉆頭的扇形工作塊采用鋼模、冷壓成型，將冷壓成型的多個(gè)扇形工作塊組裝于石墨模具內(nèi)，經(jīng)熱壓成型制成金剛石鉆頭。對(duì)巖層的適應(yīng)性大大提高，在常見(jiàn)的多數(shù)巖石中均可以取得好的鉆進(jìn)效果。同時(shí)，鉆進(jìn)速度能提高20％～25％，鉆頭的使用壽命能提高10％～15％，每米鉆探成本下降了約15％左右。具有巖層適應(yīng)性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21B10/60GK102182405SQ201110088009
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者付正群, 楊凱華, 龔其偉, 龔宏偉 申請(qǐng)人:龔宏偉