[发明专利]一种PDC钻头模具及其制备方法

说明书

本发明公开了一种PDC钻头模具材料，包含该材料的PDC钻头模具及其3D打印制备方法。本发明的PDC钻头模具材料包括以下重量份的组分：石墨粉末60～80份，耐火材料15～30份，粘结剂5～10份。本发明的PDC钻头模具使用上述材料通过3D打印制备而成。本发明制备的3D打印PDC钻头模具，具有耐高温及抗氧化性能好、成型精度高、制备工序简单、材料利用率高、产品开发周期短等优点。

技术领域

本发明涉及一种PDC钻头模具材料，包含该材料的PDC钻头模具及其3D打印制备方法，属于PDC钻头模具材料技术领域。

背景技术

PDC钻头模具的传统制备方法主要有铣模成型、压模成型和软模成型，上述工艺都需要在钻头模具上进行机加工处理，并配合人工修模完善底模的复杂曲面造型，其中涉及的机械加工部分为“减材制造”，使得材料利用率低；且人工修模效果基本依赖于操作人员的技术水平和实际经验，存在大量的人为误差，最终影响模具的成型质量和精度。另外，传统制备方法对于具有复杂空间曲面造型的PDC钻头模具难以快速成型，还存在模具产品开发周期长、劳动强度大、工序复杂度高等缺点。

PDC钻头按基体材质主要分为钢体式和胎体式两种，钢体式PDC钻头是利用合金钢毛坯直接机械加工而成的，而胎体式PDC钻头是采用碳化钨粉添加低熔点的浸渍合金材料烧结成型的。专利CN106735192A《PDC钻头模具3D打印制作方法》提到了一种利用覆膜砂作为原材料进行3D打印PDC钻头模具的制作方法。在实际生产中，PDC钻头模具一般需要在1000℃-1300℃温度下进行较长时间的烧结，有时还需要对模具进行加压烧结。而与石墨材料相比，覆膜砂的导热系数低、热膨胀系数大，导致其模具在高温条件下进行长时间烧结容易发生开裂甚至溃散，最终影响PDC钻头的成型质量、尺寸精度和使用性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术问题，提供一种PDC钻头模具材料，包含该材料的PDC钻头模具及其3D打印制备方法，本发明制备的3D打印PDC钻头模具，具有耐高温及抗氧化性能好、成型精度高、制备工序简单、材料利用率高、产品开发周期短等优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于石墨材料的PDC钻头模具材料，包括以下重量份的组分：

石墨粉末 60～80份；

耐火材料 15～30份；

粘结剂 5～10份。

根据本发明的一些实施方式，所述石墨粉末的粒径为20-100μm，优选为20-60μm。

根据本发明的优选实施方式，所述石墨包括天然石墨和/或人造石墨。

根据本发明的优选实施方式，所述耐火材料包括硼、硅、碳化硼、碳化硅、氧化锆、氧化硅、氧化铝和氮化硼中的至少一种，优选为碳化硼。

根据本发明的优选实施方式，所述粘结剂包括环氧树脂、呋喃树脂、酚醛树脂或煤沥青中的至少一种，优选为酚醛树脂。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述PDC钻头模具材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨粉末、耐火材料和粘结剂加入到有机溶剂中，然后进行超声分散，得到分散液；

(2)对步骤(1)得到的分散液进行研磨处理，再进行造粒干燥处理，得到所述材料。

根据本发明的优选实施方式，所述步骤(1)中的有机溶剂包括醇类溶剂，优选为C1-C6的一元醇，更优选为乙醇。

根据本发明的优选实施方式，所述步骤(1)中的超声处理的时间为30-60min。

根据本发明的优选实施方式，所述步骤(2)中的研磨处理没有特殊限定，采用本领域技术人员公知的方法即可。例如，可将步骤(1)得到的分散液加入球磨机中进行混合研磨，然后再进行喷雾造粒干燥处理。