[发明专利]氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料及利用其制备钻头材料的方法

说明书

本发明公开了氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，由以下重量份数的原料组成：铁基骨架材料45～60份、金属粘结材料40～55份、氢化锆0.2～0.6份，所述骨架材料及粘结材料均采用预合金粉末；本发明还公开了利用上述氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头材料的方法。本发明以铁铜预合金粉末为骨架材料，以铁铜镍锡预合金粉末和/或铁铜锌钛预合金粉末为金属粘结材料，利用氢化锆的活化作用促进胎体的致密化，提高胎体耐磨性和力学性能，烧结后的胎体组织结构细腻均匀，避免了成分偏析，同时具有较好的抗弯强度和耐磨性，适用于较硬、研磨性强的加工对象。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料及利用其制备钻头材料的方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，各种地下矿产资源的需求日益增长。目前，浅层矿产资源大多已被开发利用，需要往更深部地层探索。但是，深部地层条件复杂，勘探开发难度加大，对钻探技术的要求日益增加。孕镶金刚石钻头是一种重要的地质钻头，广泛应用于硬地层的钻探。对于孕镶金刚石钻头而言，其胎体主要发挥了两方面的作用：一是把持作用，胎体通过机械包镶、冶金结合等方式分散把持金刚石，同时提供与工作对象相匹配的磨损率以保证在工作时金刚石的出刃率，进而确保工作效率；二是散热作用，钻进过程中会因磨削加工导致工作区域内温度急剧升高，需要将热量及时散开，避免损坏材料。胎体材料的包镶能力、出刃能力及散热能力等特性，直接决定了金刚石钻头的加工效率和使用寿命。

金属胎体主要包含高熔点固相粘结剂(Co、Fe、Ni、Cu等)、低熔点液相填充剂(Sn、Zn、Cu-Sn合金等)、高熔点硬质添加剂(WC等)、微量调节添加剂(稀土、Fe3P等)等几类物相。其中，高熔点固相粘接剂作为骨架支撑材料，主要起到完形、固结与耐磨作用，是固结把持金刚石磨粒，保证金刚石发挥功效的主要功能相，需要在较高温度下进行烧结致密化与合金化，是获取高性能烧结胎体的基础保障，也是决定钻头性能发挥的关键因素。低熔点液相填充剂在烧结过程中会被较早熔融，在温度较低的情况下会发生致密化与合金化等一系列烧结过程中的物理化学变化，从而得到具有预期功能的金刚石与金属结合剂的混合烧结体。目前，WC-Co胎体基金刚石钻头的使用最为普遍，虽然Co具有很好的合金化程度和力学性能，加上Co对金刚石的包镶力很好，使得Co基金刚石钻头具有良好的耐磨性、自锐性和高温性能，但是钴的价格昂贵且资源匾乏；同时，WC-Co基钻头的性能比较难调控，不能满足钻进多种类岩层的需要，钻进坚硬而弱研磨性的岩石时不理想。Fe与Co是同一副族，Fe的结构和很多性能与钴相近，并且Fe的资源丰富、价格便宜，促使国内许多地质钻头工作者开展了利用Fe粉代替WC-Co粉来烧结孕镶金刚石钻头的研究。

Fe基胎体具有较好的润湿性和适宜的力学性能，热膨胀系数低，裂纹倾向小；但Fe基胎体成形性不好，烧结温度高、可控工艺的范围窄，耐磨性、抗弯强度相对WC基胎体较差，在高温情况下，金刚石易发生热损伤产生石墨化现象，从而削弱胎体对金刚石的嵌镶作用，影响钻头的锋利度、钻进效率和使用寿命。要改善Fe基胎体的性能，可从优化Fe基胎体配方的角度出发。依据不同胎体配方，有研究通过添加少量的P，并以P-Fe合金粉加入，制造出了一种适用于较强研磨性地层的Fe基金刚石钻头；也有研究通过掺入适量稀土元素，增强胎体的致密性，提高胎体的强度。对于Fe基胎体，目前研究存在的技术难点是如何提高Fe基粉末的烧结活性，同时克服Fe基胎体高温氧化及成分不均匀问题，使其能够有效润湿金刚石，减免烧结过程中金刚石表面的石墨化。

随着纳米技术的迅速发展，纳米材料表现出的量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等，成为弥散强化金属或合金材料的重要研究方向。纳米颗粒可均匀弥散在金属或合金基体中作为第二相颗粒，限制材料变形过程中位错运动及晶界滑移，从而提高材料的性能。目前，关于纳米氢化物提高金刚石胎体材料的研究还鲜有报道。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料，通过氢化锆的活化作用，提高胎体致密性、耐磨性和力学性能。本发明还公开了利用氢化锆强化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料制备钻头的方法。