CN101598005B - 一种地源热泵钻井耐磨钻头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地源热泵钻井耐磨钻头及其制造方法，特征是将碳化钨粉与镍基合金粉料按重量比3∶10-60混匀，加入按粉料重量3-10％的含有松香的松节油作为粘结剂搅拌成料浆，涂覆于钻头钢质毛坯的易损工作面上形成厚1.3-6.5mm的涂覆层；将该钻头在80-160℃烘箱中烘1-3小时，再在真空度10-30Pa加热至1080-1180℃真空熔结，保温30-55分钟，随炉冷却至260℃，出炉空冷，即得到在钢质毛坯的工作面上熔结有厚1-5mm镍基碳化钨合金层的本发明地源热泵钻井耐磨钻头。该钻头易损工作面的硬度可达HRC58-71，塑性好，制造成本低，寿命是传统牙轮钻头的3-5倍，工作面损坏后易修复。
Description
技术领域
本发明属于钻头技术领域，具体涉及适合于地源热泵钻井使用的耐磨钻头和在钢基表面获得镍基碳化钨合金耐磨层的真空熔结技术。
背景技术
地源热泵技术是一种利用地下浅层可再生能源作为低温热源向建筑物制冷或供暖的新型节能技术，其中约1/3工程为钻井工程，而钻头损耗约占钻井工程费用的15％，因此，提高钻头使用寿命，降低钻头制造成本，是该节能技术推广使用的重要一环。目前国内外使用的钻头基本上都是地质钻井用的牙轮钻头或复合片钻头，此类钻头由钢质毛坯和工作面耐磨层构成，其工作面的耐磨层一般采用银焊工艺将金刚石焊接到钢质毛坯上制成，这种钻头在地层性质较稳定的工况下使用时性能较好、使用寿命较长；但其缺点是遇到硬物易碎，不易修复，造价较高。而地源热泵钻井深度一般在100米左右，所需钻井的数量很大，一个工程往往要钻数百口井，而钻井的工况大部分是泥土或风化层，往往含有卵石、建筑垃圾、废钢等不确定硬物，当采用金刚石做工作面的钻头在这种含有不确定硬物的泥土或风化层中使用时，碰到硬物时极易崩落，损坏频率高；损坏后又不易修复，费用高，效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种地源热泵钻井耐磨钻头及其制造方法，以提高钻头耐磨工作面的塑性，延长钻头的使用寿命，避免现有技术的上述缺点。
本发明的地源热泵钻井耐磨钻头，由钢质毛坯和覆盖在其工作面上的耐磨层构成，其特征在于所述耐磨层为真空熔结在钢质毛坯的工作面上的厚度为1-5mm的镍基碳化钨合金层；熔结前形成该镍基碳化钨合金层的混合粉末中所含碳化钨粉与镍基合金粉的重量比为3∶10-60；其中镍基合金粉按重量百分比含有C：0.5-1.0％、Cr：14.0-18.0％、Si：3.0-5.0％、Fe：3.0-14.0％、B：3.0-4.8％、W：8.0-12.0％和余量的Ni；碳化钨粉与镍基合金粉的粒度为150～400目。
本发明的地源热泵钻井耐磨钻头的制造方法，其特征在于先将碳化钨粉与镍基合金粉料按重量比3∶10-60混匀，加入按粉料重量3-10％的松节油作为粘结剂，该粘结剂松节油中含有15-50％重量的松香；搅拌均匀后形成料浆，将该料浆涂覆于钻头钢质毛坯的易损工作面上，形成厚度为1.3-6.5mm的料浆涂覆层；将该具有料浆涂覆层的钻头置于烘箱中，在80-160℃烘1-3小时；再采用真空熔结法，在真空度10-30Pa，加热至1080-1180℃，保温30-55分钟，然后随炉冷却至260℃，出炉空冷，即得到在钢质毛坯的工作面上熔结有镍基碳化钨合金耐磨层的本发明地源热泵钻井耐磨钻头；所述镍基合金粉，按重量百分比含有C：0.5-1.0％、Cr：14.0-18.0％、Si：3.0-5.0％、Fe：3.0-14.0％、B：3.0-4.8％、W：8.0-12.0％和余量的Ni；所述碳化钨粉和镍基合金 粉的粒度为150～400目。
所述涂覆于钻头钢质毛坯易损工作面上的料浆中，还可以加入粒度为100～280目、重量百分比为0.005-0.01％的富铈稀土合金混合粉末，其中含有重量百分比为26-28％的La、13-17％的Nd和4-8％的Pr，且其中所含的Fe≤0.3％、Mg≤0.05％、Mo≤0.1％、C≤0.05，余量为Ce。
本发明的地源热泵钻井耐磨钻头的耐磨层中还可以含有在制备过程中在所涂覆于钻头钢质毛坯易损工作面上的料浆中加入粒度为100～280目、重量百分比为0.005-0.01％的富铈稀土合金混合粉末所形成的富铈稀土合金。
加入富铈稀土合金混合粉末可进一步提高地源热泵钻井耐磨钻头的耐磨性和韧性，比不加富铈稀土合金混合粉末的本发明的地源热泵钻井耐磨钻头的使用寿命延长1倍左右。
与现有技术相比，由于本发明将现有钻头耐磨工作面上采用的银焊金刚石工艺改为了采用真空熔结镍基碳化钨合金，使本发明钻头的工作面耐磨层的塑性较好，更适合在含有不确定硬物的泥土或风化层中使用，不易损坏，使用寿命长；本发明中的加了富铈稀土合金的钻头其寿命是传统牙轮钻头寿命的3-5倍；且即使损坏了也可方便地采用真空熔结技术或喷焊技术进行修复；采用本发明制造的地源热泵钻井耐磨钻头，其易损工作面的硬度可达HRC 58-71，比银焊金刚石工艺的钻头塑性好，不易开裂，不易脱落，制造成本低；本发明钻头的推广使用，可大大降低地源热泵技术中钻井工程的成本，具良好的市场前景。
附图说明
附图1是本发明的地源热泵钻井耐磨钻头的结构示意图；
附图2是图1的俯视图。
具体实施方式
实施例1：
本发明制备地源热泵钻井耐磨钻头的具体实施步骤为：
A、对钢质毛坯钻头的待加工表面进行清洗、除油和去污预处理；
B、调制浆料与涂覆：将碳化钨粉与镍基合金粉料按重量配比3∶10-60共取200g混匀，加入其中含有1-10g松香的6-20g松节油作为粘结剂，搅拌均匀后形成料浆，将该料浆涂覆于上述经过预处理的钻头钢质毛坯上的清洁待加工表面，调节涂覆层的厚度为1.3-6.5mm；将该在易损工作面上涂覆了料浆的钻头置于烘箱中，在80-160℃烘1-3小时，出炉后可根据具体需要精确整形；
C、对上述烘干整形后的钻头进行真空熔结：所采用的真空度为10-30Pa，加热温度为1080-1180℃，保温时间为30-55分钟；保温后随炉冷却至260℃，出炉空冷，即得到本发明的地源热泵钻井耐磨钻头。
为了提高钻头易损工作面的耐磨性和韧性，还可以在该耐磨涂层料浆中加入重量百分比为0.005-0.01％的富铈稀土合金混合粉末，其中含有重量百分比为26-28％的La、 13-17％的Nd和4-8％的Pr，且其中所含的Fe≤0.3％、Mg≤0.05％、Mo≤0.1％、C≤0.05，余量为Ce。粉末粒度为100～280目。
加入富铈稀土合金混合粉末可比不加富铈稀土合金混合粉末的本发明的地源热泵钻井耐磨钻头延长使用寿命1倍左右。
附图1给出了本发明制备的地源热泵钻井耐磨钻头的结构示意图，图2是图1的俯视图。采用本发明方法制备得到的地源热泵钻井耐磨钻头，其钢质毛坯(1)的易损工作面上形成的耐磨层(2)为真空熔结在钢质毛坯的工作面上的厚度为1-5mm的镍基碳化钨合金层，其中所含碳化钨与镍基合金粉的重量比为3∶10-60。
所述耐磨涂层中的镍基合金粉采用硬度为HRC58-65的高硬度镍基合金粉，该镍基合金粉中按重量百分比含有C：0.5-1.0％、Cr：14.0-18.0％、Si：3.0-5.0％、Fe：3.0-14.0％、B：3.0-4.8％、W：8.0-12.0％和余量的Ni；粉末粒度为150～400目。
按上述配方制造获得的钻头的耐磨层其硬度为HRC 58-59，塑性较好，适宜在含较多不确定硬物的粘土层工况下使用。
具体碳化钨粉：镍基合金粉的配比取值中，碳化钨含量越高，所得到的钻头的合金层脆性相对越大、耐磨性越好，但其成本也越高。
下表列出了几组按不同碳化钨粉：镍基合金粉重量配比制备的本发明地源热泵钻井耐磨钻头所对应的耐磨层合金硬度及性能比较：
| 序 号 | 碳化钨粉∶镍基 合金粉按重量比 | 合金层硬度 (单位HRC) | 合金层塑性 | 合金层耐磨性 | 适宜地层 |
| 1 | 3∶60 | 58---59 | 塑性好 | 耐磨性差 | 硬物多 |
| 2 | 3∶52 | 60---61 | 塑性好 | 耐磨性差 | 硬物多 |
| 3 | 3∶44 | 62---63 | 塑性较好 | 耐磨性较差 | 硬物较多 |
| 4 | 3∶36 | 64---65 | 塑性较好 | 耐磨性较差 | 硬物较多 |
| 5 | 3∶28 | 66---67 | 塑性较好 | 耐磨性较好 | 硬物较少 |
| 6 | 3∶20 | 68---69 | 塑性差 | 耐磨性好 | 硬物少 |
| 7 | 3∶10 | 70---71 | 塑性差 | 耐磨性好 | 硬物少 |
由于本发明将现有钻头耐磨工作面上采用的银焊金刚石工艺改为了采用真空熔结镍基碳化钨合金，本发明制造的地源热泵钻井耐磨钻头其工作面耐磨层的塑性较好，更适合在含有不确定硬物的泥土或风化层中使用，不易损坏，本发明的工作面耐磨层中含有富铈稀土合金的钻头，其寿命是传统牙轮钻头寿命的3-5倍。
采用本发明制造的地源热泵钻井耐磨钻头，其易损工作面的硬度可达HRC 58-71，比金刚石塑性好，不易开裂，不易脱落，制造成本低；该钻头的推广使用，可大大降低地源热泵技术中钻井工程的成本，具良好的市场前景。
本发明的地源热泵钻井耐磨钻头在使用过程中，若其工作面耐磨层损坏后，对其进 行修复的具体操作过程如下：
A、对损坏钻头上的工作面耐磨层表面进行清洗、除油和去污预处理；
B、按前述本发明的地源热泵钻井耐磨钻头的制造方法中的配比调制浆料，涂覆于上述经过预处理的钻头的受损表面，调节涂覆层的厚度为1.3-6.5mm；将该在易损工作面上涂覆了浆料的钻头置于烘箱中，在80-160℃烘1-3小时，出炉后进一步精确整形；
C、对上述烘干整形后的钻头采用真空熔结法修复：在10-30Pa真空度，加热到1080-1180℃，保温30-55分钟；然后随炉冷却至260℃，出炉空冷，即得到修复后的耐磨钻头；
或D、选用高硬度镍基合金粉，采用氧乙炔喷焊工艺直接对经过预处理的钻头的受损表面进行修复。
Claims (4)
1.一种地源热泵钻井耐磨钻头，由钢质毛坯和覆盖在其工作面上的耐磨层构成，其特征在于所述耐磨层为真空熔结在钢质毛坯的工作面上的厚度为1-5mm的镍基碳化钨合金层；熔结前形成该镍基碳化钨合金层的混合粉末中所含碳化钨粉与镍基合金粉的重量比为3∶10-60；其中镍基合金粉按重量百分比含有C：0.5-1.0％、Cr：14.0-18.0％、Si：3.0-5.0％、Fe：3.0-14.0％、B：3.0-4.8％、W：8.0-12.0％和余量的Ni；碳化钨粉与镍基合金粉的粒度为150～400目。
2.权利要求1所述地源热泵钻井耐磨钻头的制造方法，其特征在于先将碳化钨粉与镍基合金粉料按重量比3∶10-60混匀，加入按粉料重量3-10％的松节油作为粘结剂，该粘结剂松节油中含有15-50％重量的松香；搅拌均匀后形成料浆，将该料浆涂覆于钻头钢质毛坯的易损工作面上，形成厚度为1.3-6.5mm的料浆涂覆层；将该具有料浆涂覆层的钻头置于烘箱中，在80-160℃烘1-3小时；再采用真空熔结法，在真空度10-30Pa，加热至1080-1180℃，保温30-55分钟，然后随炉冷却至260℃，出炉空冷，即得到在钢质毛坯的工作面上熔结有镍基碳化钨合金耐磨层的本发明地源热泵钻井耐磨钻头；所述镍基合金粉，按重量百分比含有C：0.5-1.0％、Cr：14.0-18.0％、Si：3.0-5.0％、Fe：3.0-14.0％、B：3.0-4.8％、W：8.0-12.0％和余量的Ni；所述碳化钨粉和镍基合金粉的粒度为150～400目。
3.如权利要求2所述地源热泵钻井耐磨钻头的制造方法，特征在于所述涂覆于钻头钢质毛坯易损工作面上的料浆中，还加入粒度为100～280目、重量百分比为0.005-0.01％的富铈稀土合金混合粉末，其中含有重量百分比为26-28％的La、13-17％的Nd和4-8％的Pr，且其中所含的Fe≤0.3％、Mg≤0.05％、Mo≤0.1％、C≤0.05，余量为Ce。
4.权利要求3所述方法制造的地源热泵钻井耐磨钻头，由钢质毛坯和覆盖在其工作面上的耐磨层构成，其特征在于所述耐磨层中含有富铈稀土合金。
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