[发明专利]一种热压金刚石钻头及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热压金刚石钻头的结构及其制备方法；热压金刚石钻头用于 地质勘探、石油钻井和工程勘察，同时用于地质灾害的防治，属于地质工程领域。

背景技术

60年代后期我国开始研制人造金刚石钻头，至今为止，制造金刚石钻头仍 然采用热压方法和电镀方法为主。热压方法制造的钻头具有较高的硬度和耐磨 性，可以适应多数岩层钻进的需要。但是，对于钻进坚硬致密弱研磨性岩层却无 能为力，表现为钻进时效极低，一般为0.3～0.4m/h；钻头的使用寿命短，只有 8～10m左右。电镀方法制造的钻头虽然具有适应性较广，钻进速度较高，但也 不能适应于钻进坚硬致密弱研磨性岩层。随着地质找矿向地层深部发展，岩层越 来越硬，坚硬致密弱研磨性岩层出现的几率越来越高，几乎所有的金属矿钻探， 都会遇到这类岩层，严重地影响着地质勘探的进程，提高了钻探的成本，成为了 长期困扰探矿工程技术人员的一大难题。

多少年以来，探矿工程技术人员付出多少辛勤的劳动，都希望研制出高性能 的钻头，解决这类岩层的钻进难的问题，但都没有成功。以往的研究者都采用同 一种思路，即设计软而耐磨性低的胎体，工作层内部为均质结构，期望钻头中的 金刚石出刃快、出刃好，以此达到提高钻进速度的目的。然而，事实却表明软而 耐磨性低的胎体不能适应该类岩层钻进，其主要原因是这种胎体不能适应高钻压 的条件，软胎体出现塑性蠕变不能使金刚石有效出刃，金刚石不能有效地切入岩 石，不能达到设计的预期目的。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，并提供一种新型结构的热压金 刚石钻头及其制造方法，本发明的金刚石钻头的切削单元包括破碎岩石的金刚石 复合体部分与支撑体部分，金刚石复合体部分的硬度高，耐磨性强；支撑体部分 的硬度较低，能有力地固结、支撑和保护复合体工作层，并与钻头刚体牢固结合。 该钻头具有出刃好，在正常的钻进规程条件下，在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进 可以取得效率高，钻头使用寿命长的特点。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种热压金刚石钻头，至少包括若干切 削单元和水口，切削单元包括支撑体和若干分散于支撑体中的金刚石复合体，金 刚石复合体中金刚石浓度为90％～105％，钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚 石复合体。

上述金刚石复合体呈柱状，为方柱状或圆柱状，边长或直径为3.5～5.5mm， 长度为6～8mm。金刚石复合体按二环或三环排列规律分散于支撑体中。每个切 削单元内的金刚石复合体覆盖钻头孔底环状破碎面，金刚石复合体间的重叠系数 2％～3％。金刚石复合体的硬度为HRc32～45，耐磨性为0.32～0.45×10^-5ML。

上述的支撑体材料为铁-镍-锰-青铜合金，其硬度为HRc20～HRc22，耐磨性 为0.60～0.65×10^-5ML。

本发明还提供乐上述热压金刚石钻头的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)用热压方法或电镀方法预制柱状金刚石复合体；

(2)在模具中将柱状金刚石复合体按规律分散定位在作为支撑体的合金粉 末中，通过中频电炉热压烧结成金刚石钻头。

步骤(1)采用热压方法预制金刚石复合体是首先以碳化钨-青铜基材料为胎 体材料，金刚石品级为SMD_30～35，金刚石浓度为90％～100％，将胎体材料和金 刚石分别称量后混合均匀，然后一次性装入模具内后进行热压烧结，经冷却、脱 模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体，制得金刚石复合体形状为方柱状或圆柱 状，其直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm；制得金刚石复合体的硬度为HRc35～45， 耐磨性为0.32～0.40×10^-5ML。

步骤(1)用电镀方法预制金刚石复合体是采用电镀金刚石钻头的镍-钴合金 镀液及其电镀工艺，以镍-钴合金材料为胎体材料，金刚石品级为SMD_25～30，金 刚石浓度95％～105％；制得形状为方柱状，方柱边长为3.5～5.5mm、长度为6～ 8mm，硬度为HRc32～38，耐磨性为0.35～0.45×10^-5ML的金刚石复合体。