CN113073942A - 一种用于钻探的钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钻探的钻头，包括胎体和多个胎块，胎块安装在胎体上；胎块包括沿胎体径向叠加的多层胎块薄片，胎块薄片包括第一薄片、第二薄片；第一薄片和第二薄片间隔设置，且第一薄片的硬度高于第二薄片。本发明的用于钻探的钻头在使用时可形成有利于钻进的唇面，减少了钻头与岩层的接触面积，提高了钻进压力和钻进效率；其胎体和胎块除了具备良好的机械性能，还具有良好的成型性和较低的烧结成型温度和时间，可显著减轻材料中金刚石的热损伤，材料中的金刚石和其他部分的结合力良好，可有效避免使用时金刚石的过早暴露，从多方面提高了钻头的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钻探施工材料领域，具体涉及一种用于钻探的钻头。
背景技术
在钻探施工中，钻头是最重要的直接破碎地层岩石的工具，钻头的性能极大地影响着钻进速度和经济效益。目前，金刚石钻头已广泛应用，金刚石钻头通常包括一个钢体和一个胎体，胎体上设有若干胎块，胎块与被加工物体的接触面为其唇面。使用中发现，金刚石钻头在钻进中强磨性岩层及钢筋混凝土时速度缓慢，钻头寿命短，即钻进时效及钻头寿命未能很好地满足工程需求。主要原因在于钻进中强磨性岩层及钢筋混凝土时，钻机是自重加压，钻进压力小，金刚石颗粒对中强磨性岩层及钢筋混凝土压力达不到压入硬度，钻头不能有效进尺。金刚石钻头唇面与岩石接触面积大，使得胎体的唇面施加与岩石表面的压强不足以使其破碎。因此钻头钻进效率低，金刚石切入岩石的深度浅，产生的岩粉少，对金刚石钻头胎体磨损小，金刚石不能正常出刃，碎岩效果差。而传统设计的金刚石钻头在形态和材料等方面都无法满足现有市场的需求，存在寿命短和时效低的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于钻探的钻头，用以解决目前用于钻探的钻头结构不合理、材料性能不达标的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于钻探的钻头，包括胎体和多个胎块，胎块安装在胎体上；胎块包括沿胎体径向叠加的多层胎块薄片，胎块薄片包括第一薄片、第二薄片；第一薄片和第二薄片间隔设置，且第一薄片的硬度高于第二薄片。
上述技术方案的设计思路在于，本技术方案将硬度不同的胎块薄片间隔设置，在钻头进行钻进时，不同硬度的胎块薄片的磨损程度不一致，会使钻头的胎块形成高低间隔的钻进唇面，从而减少了钻头与岩层的接触面积，提高了钻进压力和钻进效率。
作为上述技术方案的进一步优选，胎块薄片还包括第三薄片，设置在第一薄片和第二薄片组成的结构的外侧，第三薄片的硬度高于第一薄片的硬度。经发明人研究发现，最外和最内层的胎块薄片在钻进过程中磨损的最快，因此本优选方案在第一薄片和第二薄片外侧增加一硬度更高的第三薄片，第三薄片一方面可保证胎块各位置的薄片的磨损过程与钻进进程相一致，保证钻进过程中钻头唇面形状的稳定性，另一方面还可对内层硬度较低的胎块薄片进行保护，避免钢筋混凝土桩基中钢筋的存在导致异型钻头易断齿掉块，从而提高钻头的使用寿命。
作为上述技术方案的进一步优选，第一薄片的材料中金刚石的浓度为15～19％，第二薄片中金刚石的浓度为0，第三薄片的材料中金刚石浓度为18％～22％。本优选方案通过金刚石的浓度调整不同胎块薄片的硬度，并经发明人多次试验和反复研究确定了各层胎块薄片中金刚石浓度的最佳范围，在范围下金刚石钻头具有上佳的钻进效率、较为稳定的钻进唇面以及较长的使用寿命。
作为上述技术方案的进一步优选，第一薄片和第三薄片由铁基预合金粉、中间成分、粘结材料和金刚石粉末冷压成型制得；第二薄片由铁基预合金粉、中间成分和粘结材料冷压成型制得。本优选方案通过铁基预合金粉全部替代现有技术中的碳化钨材料作为胎块薄片的骨架材料，利用了铁基预合金粉分散性好、把持力高的优点，提高胎块整体的硬度和强度，避免在使用时金刚石颗粒过早暴露造成的损耗增加，还可大幅降低金刚石钻头的生产成本、在金刚石钻头制备过程中的烧结温度和烧结时间，从而减少金刚石的热损伤，在保证金刚石钻头具有良好机械性能的同时，大幅降低成本、提高使用寿命。
作为上述技术方案的进一步优选，第一薄片中各组分的质量份数分别为：20～35份铁基预合金粉、8～16份中间成分、32～40份粘结材料和15～19份金刚石粉末；第二薄片中各组分的质量份数分别为：25～45份铁基预合金粉、10～20份中间成分和40～50份粘结材料；第三薄片中各组分的质量份数分别为：20～35份铁基预合金粉、8～16份中间成分、32～40份粘结材料和18～22份金刚石粉末。
作为上述技术方案的优选，金刚石粉末为人造金刚石，金刚石的粒度为30/50～50/60目。人造金刚石硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探。金刚石的粒度需与浓度、配方体系相匹配，才能保证金刚石与结合剂磨损的同步性，才能实现钻进效率与钻进寿命的最大化。
作为上述技术方案的进一步优选，铁基预合金粉包括Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉；Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉的质量比为(4～6)：(20～35)。经发明人研究发现，使用单纯的Fe预合金粉作为金刚石复合材料的骨架材料时，金刚石复合材料的耐磨性能会受到一定程度上的降低，因此本发明通过Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉配合使用，可利用Cr-Fe预合金粉的高强度、高耐磨的特性以提升整体材料的耐磨性能。其中，Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉的质量比是发明人多次试验和反复研究后确定的，Cr-Fe预合金粉的含量过高，则材料硬度和耐磨性较大，韧性较低；从而可能导致实际使用时钻头胎体磨损过慢，金刚石不能及时出刃，不能有效发挥切削作用。
作为上述技术方案的进一步优选，Fe预合金粉包括Cu-Fe预合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和Cr-Ni-Fe预合金粉，Cu-Fe预合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和Cr-Ni-Fe预合金粉的质量比为(2～3)：(1～2)：(1～2)。按上述种类及比例复配而成的Fe预合金粉可使金刚石复合材料具有最佳的使用性能。
作为上述技术方案的进一步优选，中间成分为Co和Ni，粘结材料为660-Cu和Cu。中间成分可以提高胎体机械性能，其中Ni主要用来提高胎体强度和耐磨性、韧性，Co可以提高铁基胎体的抗弯强度。
作为上述技术方案的进一步优选，第一薄片和第二薄片的厚度为1～1.2mm；第三薄片的厚度为1.4～1.6mm。通过对不同胎块薄片厚度上的区别限定，可增强第三薄片对第一薄片和第二薄片的保护效果，同时也可保证钻头在钻探过程中形成最佳的接触唇面。
作为上述技术方案的进一步优选，胎块薄片的高度为12～15mm，胎块薄片的宽度为20～23mm。
作为上述技术方案的进一步优选，胎块薄片呈弧形结构，且多个胎块沿胎体的周向分布，且胎块薄片共有七层，七层胎块薄片沿金刚石钻头径向等距分布。上述结构可以使钻头的磨损更均匀，提高金刚石的使用寿命。
作为上述技术方案的进一步优选，胎块薄片的致密度(压实密度)为80％～90％。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的用于钻探的钻头在使用时可形成有利于钻进的唇面，减少了钻头与岩层的接触面积，提高了钻进压力和钻进效率；
(2)本发明对钻头的胎体和胎块材料均进行了优化，胎体和胎块除了具备良好的机械性能，还具有良好的成型性，和较低的烧结成型温度和时间，可显著减轻材料中金刚石的热损伤，材料中的金刚石和其他部分的结合力良好，可有效避免使用时金刚石的过早暴露，从多方面提高了钻头的寿命。
附图说明
图1为实施例1的钻头的结构示意图；
图2为实施例1的钻头的胎块在胎体上的分布示意图；
图3为实施例1的钻头的胎块在钻进工作时的状态示意图；
图4为实施例2的钻头结构示意图；
图5为实施例2的胎块在胎体上的分布示意图。
图例说明：
1、胎体；2、胎块；3、胎块薄片；4、第一薄片；5、第二薄片；6、第三薄片；7、钢体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的用于钻探的钻头，包括钢体7、胎体1和八个胎块2，胎块2沿胎体1的周向安装在胎体1上，其中，每个胎块2由七层胎块薄片3组成，七层胎块薄片3呈弧形沿胎体1的径向等距叠加分布；其中最内层和最外层的胎块薄片3为第三薄片6，第一薄片4和第二薄片5间隔设置在第三薄片6之间；另外，上述胎块薄片3中，第三薄片6的硬度最大，第一薄片4的硬度次之，第二薄片5的硬度最小。
本实施例中，第一薄片4的材料中金刚石的浓度为17％，第二薄片5中金刚石的浓度为0，第三薄片6的材料中金刚石浓度为21％。
本实施例中，第一薄片4由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、28份Fe预合金粉(包括8份Cu-Fe预合金粉、8份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和12份Cr-Ni-Fe预合金粉)、18份中间成分Ni和Co、32份粘结材料Cu和600-Cu和17份金刚石粉末；第二薄片5由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、35份Fe预合金粉(包括10份Cu-Fe预合金粉、10份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和15份Cr-Ni-Fe预合金粉)、20份中间成分Ni和Co以及40份粘结材料Cu和600-Cu；第三薄片6由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、26份Fe预合金粉(包括8份Cu-Fe预合金粉、8份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和10份Cr-Ni-Fe预合金粉)、16份中间成分Ni和Co、32份粘结材料Cu和600-Cu和21份金刚石粉末。
本实施例中，第一薄片4和第二薄片5的厚度为1mm，第三薄片6的厚度为1.4mm。
本实施例中，胎块薄片3的高度为12mm，胎块薄片3的宽度为20mm。
本实施例中，胎块薄片3的致密度为80％。
本实施例的用于钻探的钻头的制造方法，包括如下步骤：
(1)将胎块薄片3的各组份原料配置成金属粉末；
(2)将金属粉末后倒入混料机中，将混料机密封后放入自动混料机中加装夹具将混料罐固定，设定混料时间为120min，混料机的转速为30r/min,混料完成后将混合均匀粉料倒入准备好的样品袋中，编号并且密封；
(3)使用模具将上述混合物冷压成型，冷压成形后获得三种胎块薄片3；
(4)冷压成型后将胎块薄片3径向叠加于石墨模具中，再装填胎体粉料，然后放置钻头钢体7，利用中频烧结炉进行热压烧结钻头半成品，在50KN，950℃下保温5分钟，然后在40KN，600℃下保温3分钟，再冷却；最后进行钻头半成品机加工，完成钻头成品制作。
图3为本实施例的用于钻探的钻头的胎块2开始钻进工作时的状态(为更好地表现第二、四、六层的切削刃，图3将最外层的薄片进行了缩短显示，实际上其磨损程度要低于第二、四、六层)，如图所示，沿钻头的中心轴，各层出现了不同程度的磨损。由于三五层不含金刚石颗粒，它们的磨损程度比其他层严重，从而形成两个凹槽，且二、四、六层形成三个切削刃，这样就增加了胎块2唇部的自由面，减少了胎块2唇部与岩石钻进工作面的接触面积，增大了金刚石钻头施加在岩石上的压强，可更有效地破碎岩石。
实施例2：
如图4-图5所示，本实施例的用于钻探的钻头，包括钢体7、胎体1和八个胎块2，胎体1安装在钢体7上，胎块2沿胎体1的周向安装在胎体1上，其中，每个胎块2由五层胎块薄片3组成，五层胎块薄片3呈弧形沿胎体1的径向等距叠加分布；其中最内层和最外层的胎块薄片3为第三薄片6，第一薄片4和第二薄片5间隔设置在第三薄片6之间；另外，上述胎块薄片3中，第三薄片6的硬度最大，第一薄片4的硬度次之，第二薄片5的硬度最小。
本实施例中，第一薄片4的材料中金刚石的浓度为15％，第二薄片5中金刚石的浓度为0，第三薄片6的材料中金刚石浓度为21％。
本实施例中，第一薄片4由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、28份Fe预合金粉(包括8份Cu-Fe预合金粉、8份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和12份Cr-Ni-Fe预合金粉)、18份中间成分Ni和Co、32份粘结材料Cu和600-Cu和17份金刚石粉末；第二薄片5由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、35份Fe预合金粉(包括10份Cu-Fe预合金粉、10份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和15份Cr-Ni-Fe预合金粉)、20份中间成分Ni和Co以及40份粘结材料Cu和600-Cu；第三薄片6由以下质量份数的组分形成的组合物制得：5份Cr-Fe预合金粉、26份Fe预合金粉(包括8份Cu-Fe预合金粉、8份Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和10份Cr-Ni-Fe预合金粉)、16份中间成分Ni和Co、32份粘结材料Cu和600-Cu和21份金刚石粉末。
本实施例中，第一薄片4和第二薄片5的厚度为1.2mm，第三薄片6的厚度为1.5mm。
本实施例中，胎块薄片3的高度为14mm，胎块薄片3的宽度为23mm。
本实施例中，胎块薄片3的致密度为80％。
本实施例的钻头的制备方法参照实施例1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于钻探的钻头，其特征在于，包括胎体(1)和多个胎块(2)，所述胎块(2)安装在胎体(1)上；所述胎块(2)包括沿胎体(1)径向叠加的多层胎块薄片(3)，所述胎块薄片(3)包括第一薄片(4)、第二薄片(5)；所述第一薄片(4)和第二薄片(5)间隔设置，且所述第一薄片(4)的硬度高于第二薄片(5)。
2.根据权利要求1所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述胎块薄片(3)还包括第三薄片(6)，设置在第一薄片(4)和第二薄片(5)组成的结构的外侧，所述第三薄片(6)的硬度高于所述第一薄片(4)的硬度。
3.根据权利要求2所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述第一薄片(4)的材料中金刚石的浓度为15～19％，所述第二薄片(5)中金刚石的浓度为0，所述第三薄片(6)的材料中金刚石浓度为18％～22％。
4.根据权利要求3所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述第一薄片(4)和第三薄片(6)由铁基预合金粉、中间成分、粘结材料和金刚石粉末冷压成型制得；所述第二薄片(5)由铁基预合金粉、中间成分和粘结材料冷压成型制得。
5.根据权利要求4所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述铁基预合金粉包括Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉；所述Cr-Fe预合金粉和Fe预合金粉的质量比为(4～6)：(20～35)。
6.根据权利要求5所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述Fe预合金粉包括Cu-Fe预合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和Cr-Ni-Fe预合金粉，所述Cu-Fe预合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu预合金粉和Cr-Ni-Fe预合金粉的质量比为(2～3)：(1～2)：(1～2)。
7.根据权利要求4所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述中间成分为Co和Ni，所述粘结材料为660-Cu和Cu。
8.根据权利要求2所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述第一薄片(4)和第二薄片(5)的厚度为1～1.2mm；所述第三薄片(6)的厚度为1.4～1.6mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述胎块薄片(3)的高度为12～15mm，所述胎块薄片(3)的宽度为20～23mm。
10.根据权利要求1-8任一项所述的用于钻探的钻头，其特征在于，所述胎块薄片(3)呈弧形结构，且多个胎块(2)沿所述胎体(1)的周向分布。
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