一种高胎体钻齿及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高胎体钻齿及其制备方法，包括含金刚石的金属基工作层、不含金刚石的过渡层和焊接层，在高胎体钻齿工作层内厚度方向，即齿弧径向方向加入1-4层加强层，通过压制成型、烧结工艺，使加强层与钻齿工作层牢固结合，能够大幅度提升由钻齿制作成钻头后的抗断裂强度。由此制作的高胎体钻齿，不易折断，能够正常消耗到含金刚石层使用完为止，因而较常规钻头具有高得多的使用寿命；同时加强夹层的存在，能够在钻齿工作面形成环状水槽，有利于提高钻进比压，提高钻进效率，同时提高钻进稳定性和排屑、冷却能力。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括含金刚石的金属基工作层、不含金刚石的过渡层和焊接层，在高胎体钻齿工作层内厚度方向，即齿弧径向方向加入1-4层加强层，通过压制成型、烧结工艺，使加强层与钻齿工作层牢固结合，能够大幅度提升由钻齿制作成钻头后的抗断裂强度。由此制作的高胎体钻齿，不易折断，能够正常消耗到含金刚石层使用完为止，因而较常规钻头具有高得多的使用寿命；同时加强夹层的存在，能够在钻齿工作面形成环状水槽，有利于提高钻进比压，提高钻进效率，同时提高钻进稳定性和排屑、冷却能力。【专利说明】
本专利技术属于地质钻探用钻齿领域，特别涉及，适用于制作长寿命高效率地质钻头，尤其是深部找矿钻进用地质钻头。
技术介绍
常规金刚石地质钻头制作工艺长期以来没有太大的变化，通常采用中频式整体烧结方法，将钢体与钻齿部分通过高温烧结在一起。近年来，随着浅部矿产资源可开采量的减少，矿产资源勘探逐步向深部(>1000m)、超深部(>3000m)地层发展，由于常规钻头使用寿命低，平均寿命通常不到60m，导致钻进施工中，经常需要起下钻杆进行钻头更换，起下钻头消耗的时间往往占整个工程施工的40 %，大大影响了施工效率。目前，对钻头寿命的提高措施主要包括钻齿配方的优化、金刚石参数的调整等。对于钻齿配方，一般通过提高钻齿胎体硬度、研磨性，从而减少钻进时胎体的磨损速度，此方法对于钻头寿命的提高是非常有限的，因为胎体硬度、耐磨损性能不能无限制的提升，只能是与金刚石的磨损相配合，否则会导致上一层金刚石磨损完毕后，新的金刚石无法出刃进行钻进刻岩工作，导致钻头“打滑”、烧钻；对于金刚石参数，通常通过提高金刚石浓度、调整金刚石粒度等方法以求达到提高寿命的目的，或者采用高品级金刚石，从而使单颗金刚石的磨损速率降低，然而，此种方法对于钻头寿命的提升也是十分有限的，金刚石浓度并不能随意增加，浓度太高，胎体对金刚石的包镶能力减弱，金刚石易于脱落，往往会导致钻头使用寿命更低。现有技术中采用独立烧结、激光焊接方法制造地质钻头时，往往需要增加钻齿高度，以提高钻头寿命、减少钻探工程中钻头的起下钻频率，来提高工程效率。近年来，也有关于采用新结构设计，从而提升钻头寿命的技术，如中国专利CN101353946A，公开了一种可再生水口的金刚石取芯钻头，提出从结构上合理设计，实现钻齿和水口的多层化，从而增加了胎体的可使用高度，但是此方法制作工艺复杂，必须采用中频整体烧结方法制造，且不利于制作内外具有金刚石浓度差或内外胎体配方差别化等特殊胎体结构的钻齿。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种高胎体钻齿，以解决制备长寿命地质钻头用高胎体钻齿的强化问题。本专利技术提供的一种高胎体钻齿，包括工作层、过渡层及焊接层，工作层为含金刚石的金属基复合材料，过渡层是工作层与焊接层的衔接材料，过渡层不含金刚石，焊接层是钻齿与钢体的连接部位，焊接层不含金刚石，所述的钻齿工作层内厚度方向加入加强层，加强层与钻齿工作层牢固结合。所述的钻齿的高度优选15-35mm，工作层高度优选12_30mm。所述的加强层与钻齿工作层牢固结合优选通过烧结实现。所述加强层优选1-4层。所述的加强层材料优选玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、合金钢具有较高强度的材料。所述的加强层材料优选为片状、网状、丝状阵列排布。所述的加强层材料的厚度根据钻齿厚度设计，优选0.5-1.5mm。所述的加强层沿圆周方向的弧长优选大于钻齿弧长的75%，沿钻齿高度方向的长度优选大于钻齿工作层的80%，且加强层优选穿透工作层与过渡层的结合部位，使加强层伸入到过渡层的深度优选大于0.5mm。所述的钻齿的内外表面可镶嵌聚晶或不镶嵌聚晶，聚晶镶嵌位置可在过渡层部分，也可在工作层部分，或两部分兼有；钻齿工作层中破岩磨粒可以只是金刚石，也可以是金刚石与碎聚晶的混合物。本专利技术还提供一种高胎体钻齿的制备方法，包括以下步骤:I)去除加强材料表面污垢、氧化层，根据钻齿径向弧度，将加强材料弯曲成所需弧度，作为夹层使用；2)采用冷压压制出钻齿胎体薄片，薄片都包含工作层、过渡层和焊接层；3)将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，通过热压完成高胎体钻齿的制作。所述的去除加强材料表面污垢、氧化层，是指在使用前，通过去油、喷砂、清洗等工序去除加强材料表面污垢、氧化层，以提高材料与钻齿胎体的结合强度。所述的钻齿胎体薄片的工作层，工作层成份一般为金属结合剂胎体与金刚石颗粒的复合体，金属结合剂配方根据钻进岩石对象的性质设计，一般为WC、Co、N1、Cu等并添加部分低熔点金属组成，金刚石颗粒为高品级单一粒度或组合粒度，金刚石浓度一般为50-150% (砂轮浓度制，体积浓度)。 所述的冷压，优选冷压胚体致密度达到50-70 %。所述的将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，优选将薄片与加强层组装在一起，将组合体放入模具，然后在组合体的上部分别倒入过渡层粉末和焊接层粉末。在加强层高度一定的条件下，通过热压，加强层能够穿透工作层与过渡层的界面，从而保障了加强层的正常效果，由此可制作出强化高胎体钻齿。所述的热压，优选通过真空电阻热压机进行烧结，烧结温度为750-900°C，全压压力为20-30MPa，保温时间为3-10min。进一步的，优选通过真空电阻热压机进行烧结，烧结温度为780-880°C，全压压力为20-30MPa，保温时间为3-lOmin。将强化后的高胎体钻齿通过焊接面光亮、平整化处理，采用激光焊接机实现钻齿与钢体的焊接，之后进行内外水槽、螺纹、倒角等加工，即可制作出具有强化的高胎体钻齿的金刚石地质钻头。使用了本专利技术技术的钻头进行岩层钻探，能够保障高胎体工作层的连续正常使用，并在钻齿工作面形成一个或数个凹形导槽，能够保障钻头定向钻进，并提高钻进比压、增加钻进冷却面，能同时具备高的钻进效率和长的钻进寿命，对于深部钻探具有重要的意义。与现有技术相比，本专利技术的优点:I)本专利技术通过夹层强化机理，采用胎体内部高强材料的夹片式分布，从而使工作层能够全部正常使用，并通过特殊的内部结构设计和制作工艺方法，实现了夹片强化的目的，使钻齿强化，大幅提高了钻齿的抗断裂强度，可以保障高胎体钻齿在使用中不发生断? ο2)采用本专利技术的方法，通过夹片强化，使钻齿抗弯曲强度、抗剪切强度得到大幅提升，且由于夹片伸入到不含金刚石过渡层中，使钻齿整体断裂薄弱面转移到不含金刚石的过渡层以下，整体强度高，能避免钻头使用时钻齿非正常断裂的发生。3)本专利技术通过设置过渡层、焊接层，能实现地质钻头的激光焊接，钻齿采用新的压制、烧结工艺方法及结构设计能提高钻齿的粉末冶金烧结质量，使钻齿本身的工作性能得至1J提升，闻胎体钻齿能大幅度提闻钻头的使用寿命，减少钻进起下钻频率，提闻工程效率。【专利附图】【附图说明】图1是高胎体钻齿的结构示意图图2是夹层材料形状示意图图3是夹层强化闻胎体钻齿不意图图中标识:1、金刚石磨粒，2、工作层，3、过渡层，4、焊接层，5、加强层材料，6、薄片。【具体实施方式】下面以实施 例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不局限于这些实施例。如图1所示:高胎体钻齿的高度为15_35mm，由含金刚石磨粒I的工作层2和不含金刚石磨粒I的过渡层3及焊接层4组成，工作层2是钻齿破岩的主体，焊接层4用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高胎体钻齿，包括工作层、过渡层及焊接层，工作层为含金刚石的金属基复合材料，过渡层是工作层与焊接层的衔接材料，过渡层不含金刚石，焊接层是钻齿与钢体的连接部位，焊接层不含金刚石，其特征在于：所述的钻齿工作层内厚度方向加入加强层，加强层与钻齿工作层牢固结合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志环，潘晓毅，谢德龙，罗文来，林峰，吕智，胡乔帆，王进保，
申请(专利权)人：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广西;45