滚压破岩钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺

摘要

本发明公开滚压破岩钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35-50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22-25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10～15重量份、Mn粉为7～10重量份、Ni粉为7～10重量份、CuSn10粉为20～25重量份、P粉为2～4重量份和WC粉为42～47重量份。金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：(a)准备材料；(b)金刚石真空蒸镀钛；(c)混合粉制备，干燥及掺胶；(d)复合钻齿压制，干燥；(e)真空热压烧结。

说明书

技术领域

本发明属于矿山机械设备领域，涉及滚压破岩钻齿，主要是滚刀、牙轮等 滚压破岩钻头所镶钻齿涂层材料及金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工 艺。

背景技术

滚压机械破岩广泛的应用于煤矿、水电、冶金等领域的竖井钻机、竖井掘 进机、反井钻机等设备。中硬岩的滚压破岩刀具为镶齿滚刀，滚刀刀壳外圈所 镶的钻齿是破岩的直接作用点，其使用寿命对整个破岩效率影响巨大。目前国 内主要的镶齿为硬质合金钻齿。在钻进过程中如果因为钻齿磨损失效，更换刀 具费时费力，尤其在竖井掘进机，反井钻机，在井下更换刀具存在巨大的安全 隐患。在水电和金属矿的围岩常为花岗岩、玄武岩等岩浆岩，许多岩石石英含 量超过50％。岩石硬度大部分超过200MPa。溪洛渡水电站地下厂区通排风系统 围岩主要由P2β5-P2β12层玄武岩及各层上部的角砾集块熔岩组成，其岩石 硬度单轴抗压强度达到200Mpa，单盘滚刀约钻进150m。在泰安抽水蓄能电站， 其岩石硬度单轴抗压强度达到300Mpa，单盘滚刀约钻进70～80m。当钻进含石 英80％以上的花岗岩时，其抗压强度更大，单盘滚刀只能钻进50～60m。随着 钻井深度不断增加，以及在水电、金属矿山等行业火成岩的硬度比较大，石英 含量比较高，硬质合金钻齿很难满足钻进过程中一次钻透，中间还需要更换一 次滚刀，甚至多次。

金刚石亦被称为钻石，是自然界最坚硬无比的物质，显微硬度是硬质合金 的5.5倍，比石英高1000倍，它具有硬度高，耐磨性、耐腐蚀性好，摩擦系 数小等优点，采用金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿的使用寿命比传统的硬质 合金钻齿寿命要长50％以上。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提高钻齿在硬岩和极硬岩地层 滚压破岩的使用寿命，减少破岩刀具的使用量，以及因钻齿磨损失效造成的提 钻，提高钻进效率，降低钻进成本及安全风险。

本发明的技术方案是这样实现的：滚压破岩钻齿涂层材料，由金刚石和粘 结胎体材料组成，所述金刚石的粒度为35-50目，并且所述金刚石的质量为所 述粘结胎体材料质量的22-25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的组分组成： Co粉为10～15重量份、Mn粉为7～10重量份、Ni粉为7～10重量份、CuSn10 粉为20～25重量份、P粉为2～4重量份和WC粉为42～47重量份。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度 均为230～325目。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，WC粉的粒度为325～460目。

上述滚压破岩钻齿涂层材料，所述金刚石的粒度为40目，并且所述金刚 石的质量为所述粘结胎体材料质量的25％；所述粘结胎体材料由如下重量份的 组分组成：Co粉为12重量份、Mn粉为8重量份、Ni粉为8重量份、CuSn10 粉为25重量份、P粉为2重量份和WC粉为45重量份；Co粉、Mn粉、Ni粉、 CuSn10和P粉的粒度均为300目，WC粉的粒度为400目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和上述滚压破岩钻齿涂层材料；

(b)金刚石真空蒸镀钛；

(c)混合粉制备，干燥及掺胶；

(d)复合钻齿压制，干燥；

(e)真空热压烧结。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(a)中：将球形 钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨光。将钻齿球头下的柱体面利用外圆磨磨 光，以使球齿与模具紧密结合。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(b)中：将金刚 石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸发镀膜机炉膛内，在700～750℃进 行蒸镀1-2h，得到镀钛金刚石颗粒。由于国产烧结炉的真空度及其他粘结剂 表面附氧分子，直接烧结容易使金刚石碳化，因此在金刚石真空镀膜后再进行 烧结可以保证金刚石烧结后的强度降低不超过10％。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(c)中：将权利 要求1-4任一所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎体材料装入球磨，球磨 时间大于或等于20小时，然后将混合粉和镀钛金刚石颗粒放入干燥器中烘干； 烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡 胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为11wt％的溶液，然后在混料机混合 均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，在步骤(d)中：将滚压 破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚 压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进干燥箱中干燥，干燥温度为350～400 ℃。

上述金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，步骤(e)中真空热压烧 结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷却阶段；在低温烧结阶段：在3-4 分钟内，温度匀速上升到610～640℃，压头上压力匀速上升到5～7kN，保温 保压3-5分钟，此阶段主要固相烧结阶段；在高温烧结阶段：在2-4分钟内， 温度匀速上升到1120～1150℃，压头上压力匀速上升到11～13kN，保温保压 3-5分钟，此阶段为液相烧结阶段，在P、Ni的活化作用下，钴粉等粘结剂均 呈熔化状态，填充金刚石颗粒和骨架WC颗粒之间的孔隙，在最大压力13kN 作用，使烧结体收缩致密合金化，其中液相温度比正常活化烧结温度高，可以 增强粘结剂的流动性和润湿性，减小了烧结孔隙，形成致密的合金体；在冷却 阶段：在2-4分钟内，压头上压力匀速下降到4～6kN，温度匀速降到600-620℃, 然后在空气中自然冷却，最后退模。本发明中比正常热压烧结多了低温烧结阶 段，但在高温烧结阶段时间减少，这样可以减小金刚石硬度的降低。

本发明的有益效果是：本发明滚压破岩用金刚石-碳化钨硬质合金钻齿烧 结复合时需要严格控制金刚石的粒度、黏结剂成分及烧结温度。粒度大小、黏 结剂成分不仅影响复合钻齿的耐磨强度，对成本的影响也比较大。硬质相的粒 度越大在滚压冲击时硬质相容易产生微裂纹，且大颗粒硬质相容易从粘结胎体 中脱落，粒度小虽然增加了胎体强度，但在粘结剂与石英等颗粒冲击易造成粘 结剂脱落，进而造成硬质相颗粒脱落；如果烧结温度太低，不能使复合层和钻 齿母体融合，降低复合强度；如果烧结温度太高，金刚石会产生碳化。本发明 采用大颗粒的金刚石(比一般硬质合金及切削破岩复合钻齿的颗粒大)，其硬 度远大于WC和石英颗粒硬度，在破碎冲击时不会产生微裂纹，同时在粘结胎 体中采用WC做骨架，Co等其他粘结剂将骨架材料和金刚石颗粒牢牢包镶在合 金体中，增加了钻齿的耐磨性。同时为了降低金刚石的碳化，采用金刚石颗粒 真空蒸镀钛，隔绝金刚石与氧成分的接触，同时又增加了金刚石与粘结金属的 亲和性。在烧结过程中胎体材料成为液相，在胎体中扩散，和金刚石、胎体骨 架WC粉形成合金化固溶体，对金刚石晶粒进行有效包镶，使包镶状态单晶金 刚石的冲击力和破碎能比自由状态下大幅提高。

本发明专利的金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿在普通的碳化钨硬质合金 钻齿的表面烧结一层金刚石，增强了滚压钻齿的耐磨性，尤其在硬岩和极硬岩 地层，延长了钻齿的使用寿命，解决滚刀钻齿磨损失效引起的提钻，降低了反 井钻机、竖井掘进机等钻进时施工成本，更回避了因更换滚刀引起的风险。

锡青铜CuSn10具有强度高、铸造性好、耐磨且化学性质稳定；添加锡青 铜CuSn10之后，烧结时流动性和湿润性都比较好，烧结后的强度和韧性要比 不添加锡青铜CuSn10时高，使用寿命可以提高10％以上。

附图说明

图1为本发明金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿在普通的碳化钨硬质合金 钻齿剖视示意图。

图1中：1-金刚石涂层；2-烧结过渡层；3-普通球形钻齿。

图2为金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿压制示意图。

图2中：1-模具上压头；2-模具模芯；3-球形钻齿；4-金刚石混合粉；5- 下压头。

图3为实施例1中的复合钻齿烧结曲线。

具体实施方式

本发明专利的实施需要以下设备：真空蒸发镀膜机1台、球磨机1台和真 空热压烧结炉1台。其原理是利用真空微蒸发镀膜机对金刚石进行镀钛，然后 在真空热压烧结炉中将镀钛金刚石颗粒、胎体材料和基体球形钻齿中压烧结。

实施例1

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度 为40目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的25％；所述粘结 胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为12千克、Mn粉为8千克、Ni粉 为8千克、CuSn10粉为25千克、P粉为2千克和WC粉为45千克；Co粉、Mn 粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为300目，WC粉的粒度为400目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球头 下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸 发镀膜机炉膛内，在720℃进行蒸镀1.5h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结胎 体材料装入球磨，球磨时间为25小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛后 的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质量 20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数为 11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的 石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进 干燥箱中干燥，干燥温度为350℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷 却阶段(烧结曲线见图3)；在低温烧结阶段：在4分钟内，温度匀速上升到 620℃，压头上压力匀速上升到6kN，保温保压4分钟；在高温烧结阶段：在 3分钟内，温度匀速上升到1150℃，压头上压力匀速上升到13kN，保温保压 3分钟；在冷却阶段：在2.5分钟内，压头上压力匀速下降到6kN，降温至620℃, 然后在空气中自然冷却，最后退模。

实施例2

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度 为35目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的22％；所述粘结 胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为10千克、Mn粉为7千克、Ni粉 为10千克、CuSn10粉为25千克、P粉为2千克和WC粉为42千克。Co粉、 Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为230目，WC粉的粒度为460目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述的滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球 头下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸 发镀膜机炉膛内，在700℃进行蒸镀1h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结 胎体材料装入球磨，球磨时间为20小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛 后的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质 量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数 为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的 石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进 干燥箱中干燥，干燥温度为400℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷 却阶段；在低温烧结阶段：在3分钟内，温度匀速上升到610℃，压头上压 力匀速上升到5kN，保温保压3分钟；在高温烧结阶段：在2分钟内，温度匀 速上升到1120℃，压头上压力匀速上升到11kN，保温保压3分钟；在冷却阶 段：在2分钟内，压头上压力匀速下降到4kN，温度匀速降到600℃,然后在 空气中自然冷却，最后退模。

实施例3

滚压破岩钻齿涂层材料由金刚石和粘结胎体材料组成，所述金刚石的粒度 为50目，并且所述金刚石的质量为所述粘结胎体材料质量的23％；所述粘结 胎体材料由如下重量份的组分组成：Co粉为15重量份、Mn粉为10重量份、 Ni粉为7重量份、CuSn10粉为20重量份、P粉为4重量份和WC粉为42重量 份。Co粉、Mn粉、Ni粉、CuSn10和P粉的粒度均为325目，WC粉的粒度为 325目。

金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿制备工艺，包括如下步骤：

(a)准备材料：球形钻齿和所述的滚压破岩钻齿涂层材料，将球形钻齿球 头下的柱体面利用外圆磨磨光。

(b)金刚石真空蒸镀钛：将金刚石颗粒和用于蒸镀的钛原料置于真空微蒸 发镀膜机炉膛内，在750℃进行蒸镀2h，得到镀钛金刚石颗粒。

(c)混合粉制备，干燥及掺胶：将所述的滚压破岩钻齿涂层材料中的粘结 胎体材料装入球磨，球磨时间为30小时，制得混合粉；然后将混合粉和镀钛 后的金刚石颗粒放入干燥器中烘干，烘干后加入混合粉和镀钛金刚石颗粒总质 量20wt％的成型剂，成型剂为丁钠橡胶在汽油中溶解配制成丁钠橡胶质量分数 为11wt％的溶液,然后在混料机混合均匀，得到滚压破岩钻齿烧结涂层混合物。

(d)复合钻齿压制，干燥：将滚压破岩钻齿烧结涂层混合物装入清洗后的 石墨模芯中，用上压头将球形钻齿和滚压破岩钻齿烧结涂层混合物压实，放进 干燥箱中干燥干燥温度为370℃。

(e)真空热压烧结：真空热压烧结分为低温烧结阶段、高温烧结阶段和冷 却阶段；在低温烧结阶段：在4分钟内，温度匀速上升到640℃，压头上压 力匀速上升到7kN，保温保压5分钟；在高温烧结阶段：在4分钟内，温度匀 速上升到1150℃，压头上压力匀速上升到13kN，保温保压5分钟；在冷却阶 段：在4分钟内，压头上压力匀速下降到6kN，温度匀速降到620℃,然后在 空气中自然冷却，最后退模。

实施例1-3的滚压破岩性能试验

在直线滚刀破岩模拟试验台上针对实施例1制得的金刚石-碳化钨硬质合 金复合钻齿进行性能测试，并用于反井工地试验。

在东北某供水工程的通风竖井直径2.0m，深度222.7m，岩石超火山岩为 主，岩石抗压强度大部分超过200MPa，采用镶普通硬质合金钻齿的滚刀和镶 有金刚石涂层钻齿的配对使用，普通钻齿在160m位置时钻齿磨损进行了滚刀 更换，而金刚石涂层钻齿在整个钻进过程中没有更换；以单井钻进为例：其使 用寿命比普通钻齿至少提高了62.7m，即其使用寿命要比普通硬质合金钻齿寿 命提高了39％。八排齿的滚刀需要205个φ16mm和31个φ18mm锥齿，总重约 为15.5kg，其费用需要400×15.5＝6200元，镶齿滚刀每把成本约22000元， 而金刚石涂层钻齿其成本比普通钻齿成本约高50％，镶金刚石涂层钻齿的滚刀 成本约为25000元，因此钻齿寿命提高可以将滚刀的寿命成本比值提高22％。 另外，破岩效率的提高及减少更换滚刀次数，提高钻井效率，降低更换滚刀对 施工人员的风险，其经济和社会效果更加明显。

另外，为了衡量实施例1-3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿相互之间 的性能优劣，进行了如下对比试验：

在岩石硬度单轴抗压强度为200Mpa，实施例1中金刚石-碳化钨硬质合金 复合钻齿能够一次钻进274m，实施例2中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能 够一次钻进248m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进 260m。

在岩石硬度单轴抗压强度为300Mpa，实施例1中金刚石-碳化钨硬质合金 复合钻齿能够一次钻进139m，实施例2中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能 够一次钻进120m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进 129m。

在石英质量分数为80％以上的花岗岩时，其抗压强度更大，实施例1中金 刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进113m，实施例2中金刚石-碳化 钨硬质合金复合钻齿能够一次钻进101m，实施例3中金刚石-碳化钨硬质合金 复合钻齿能够一次钻进105m。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明 创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的 基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化 或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。