[发明专利]一种硬岩钻进用金属基-金刚石复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硬岩钻进用金属基‑金刚石复合材料，由胎体粉末和金刚石颗粒制成，所述胎体粉末包括铁铜预合金粉末及多元预合金粉末，所述多元预合金粉末的组分包括铁、铜、锌、钛、锆、硼、硅；本发明还公开了该硬岩钻进用金属基‑金刚石复合材料的制备方法，步骤依次为研磨、混料、预压、热压烧结、真空保温去应力。本发明所述胎体粉末采用铁铜预合金粉末、多元预合金粉末，具有较好的相容性、压制成型性及烧结性，配合氢化锆的活化作用可促进胎体的致密化，提高胎体的耐磨性和力学性能；本发明所述金属基‑金刚石复合材料的制备工艺简单、便于控制，烧结后胎体晶粒度细小、合金元素均匀化，适用于钻进较硬、研磨性强的硬岩对象。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种硬岩钻进用金属基-金刚石复合材料及其制备方法。

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Co的价格昂贵且资源匾乏；同时，由于WC脆性大，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。Fe与Co是同一副族，Fe的结构和很多性能与Co相近，并且铁的资源丰富、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，目前研究存在的核心技术难点是如何提高铁基粉末的烧结活性，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。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种硬岩钻进用金属基-金刚石复合材料，通过铁铜预合金粉末和多元预合金粉末复配，提高胎体致密性、耐磨性、力学性能以及对金刚石的把持力。本发明还提供了该硬岩钻进用金属基-金刚石复合材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硬岩钻进用金属基-金刚石复合材料，由胎体粉末和金刚石颗粒制成，所述胎体粉末按照重量份数包括以下原料：铁铜预合金粉末45～60份，多元预合金粉末40～55份；