CN102489699B - 一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉及用其制造胎体的工艺 - Google Patents

一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉及用其制造胎体的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉及用其制造胎体的工艺。本发明的聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其由铸造碳化钨、晶碳化钨、球形铸造碳化钨、雾化镍粉混合而成。本发明的胎体粉经过混合、装料、烧结、保温、出模等步骤值的聚晶金刚石复合片钻头胎体。本发明的聚晶金刚石复合片钻头胎体粉采用铸造碳化钨，单晶碳化钨，球形铸造碳化钨为原料，这几种原料之间的性能相互补充，因此，得到的钻头胎体粉具有较高的耐磨性、抗弯强度和冲击韧性以及较好的渗透性。本发明的聚晶金刚石复合片钻头胎体的制造工艺所需的时间短，成本低，实用性高。通过该方法得到的钻头胎体的弯曲强度在770MPa以上，冲击功高达11.947J/cm2。

Description

一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉及用其制造胎体的工艺
技术领域
本发明涉及一种合金材料及其制备方法，具体涉及一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉及用其制造胎体的工艺。
背景技术
在石油钻井中，聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的使用日益广泛，随着钻井工艺的发展和进一步提高，PDC钻头的性能逐渐成为钻进的首要要求，如要求其钻井时的速度要更快，在保证金刚钻头本身耐磨的前提下，还要进一步要求金刚石钻头的切削刀翼更深、更薄，同时还要求在高速切削工作的切削齿能快速有效冷却，以及切削的岩屑能快速排除。这就需要PDC钻头胎体材料能同时具备耐磨性、抗弯强度和冲击韧性。目前的金刚石钻头的胎体粉是由普通的粒颗粒的铸造碳化钨和镍粉混合而成的，其胎体的质量及表面光滑程度不高，导致了钻头的性能呢不均，其抗弯强度和冲击韧性不能很好满足现有的实际需要，而且这种普通的粒颗粒的铸造碳化钨渗透性能较差，制造钻头所需的时间较长，费时费力，成本高，实用性不强。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，具有较高的耐磨性、抗弯强度和冲击韧性以及较好的渗透性。
本发明的另一目的在于提供一种用本发明的胎体粉的制造胎体的工艺，工艺简单，耗时短，成本低，实用性强。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其由按质量百分比计的以下组分混合而成，
铸造碳化钨：35-50％，其中铸造碳化钨采用粒度为40-100目与粒度101-140目的铸造碳化钨混合，其混合比例以质量比计为粒度为40-100目∶粒度为101-140目＝2∶1；单晶碳化钨：30-45％，其粒度为80-200目；球形铸造碳化钨：6-10％，其粒度为100-350目；雾化镍粉：4-10％，其粒度为100-200目。
本发明效果最好的实施例中，按质量百分比计，所述铸造碳化钨为45％，单晶碳化钨为35％，球形铸造碳化钨为10％，雾化镍粉为10％。
其中，铸造碳化钨外观形状为多角圆滑颗粒，属于WC和W2C的共晶体结构，具有耐高温、耐磨、抗冲击等特性。单晶碳化钨完全碳化的合金粉，外观呈浅灰色疏松粉末，多角颗粒，组织结构均匀、结晶颗粒大，热稳定性能好，抗冲击能力强。球状铸造碳化钨外观形状为规则球状颗粒，组织结构均匀致密，性能稳定，硬度高、耐磨性好。
本发明中，优选的，所述单晶碳化钨的粒度为200目。
为了方便能够较好的填充其它两种碳化钨混合的间隙，球状铸造碳化钨尽量选择较小的颗粒度，因此，优选的，本发明所述的球形铸造碳化钨的粒度为325目。
一种聚晶金刚石复合片钻头胎体的制造工艺，其包括以下工艺步骤
a)混合：将各组分按照权利要求1中比例混合均匀；
b)装料：将混合好的胎体粉装到烧结模具中，并震动烧结模具2-3次，每次3-5秒，压实胎体粉，之后在模具的顶部装上粘结金属粉末；
c)烧结：将上述装好料的烧结模具放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1000-1200℃；
d)保温：烧结完成后，上述装有料的烧结模具继续在高温烧结炉中保温2-3小时；
e)出模：将上述烧结模具取出，冷却至室温，出模，即得到聚晶金刚石复合片钻头胎体。
所述粘结金属粉末为铜粉，其用量按重量百分比计占胎体粉重量的70-100％。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的聚晶金刚石复合片钻头胎体粉采用铸造碳化钨，单晶碳化钨，球形铸造碳化钨为原料，这几种原料之间的性能相互补充，因此，得到的钻头胎体粉具有较高的耐磨性、抗弯强度和冲击韧性以及较好的渗透性。本发明的聚晶金刚石复合片钻头胎体的制造工艺所需的时间短，成本低，实用性高。通过该方法得到的钻头胎体的弯曲强度在770MPa以上，冲击功高达11.947J/cm2。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其由按质量百分比计的以下组分混合而成，
铸造碳化钨：35-50％，其中铸造碳化钨采用粒度为40-100目与粒度101-140目的铸造碳化钨混合，其混合比例以质量比计为粒度为40-100目∶粒度为101-140目＝2∶1；单晶碳化钨：30-45％，其粒度为80-200目；球形铸造碳化钨：6-10％，其粒度为100-350目；雾化镍粉：4-10％，其粒度为100-200目。一种聚晶金刚石复合片钻头胎体的制造工艺，其包括以下工艺步骤
a)混合：将各组分按照权利要求1中比例混合均匀；
b)装料：将混合好的胎体粉装到烧结模具中，并震动烧结模具2-3次，每次3-5秒，压实胎体粉，之后在模具的顶部装上粘结金属粉末；
c)烧结：将上述装好料的烧结模具放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1000-1500℃；
d)保温：烧结完成后，上述装有料的烧结模具继续在高温烧结炉中保温2-3小时；
e)出模：将上述烧结模具取出，冷却至室温，出模，即得到聚晶金刚石复合片钻头胎体。
以下是本发明优选的具体实施例。
实施例1
将以重量百分比计的：铸造碳化钨：35％(其中铸造碳化钨采用粒度为40目与粒度为140以质量比为2∶1的比例混合)；单晶碳化钨：45％(其粒度为200目)；球形铸造碳化钨：10％(其粒度为325)；雾化镍粉：10％(其粒度为200目)的比例混合均匀，将混合好的胎体粉装到烧结模具中，并震动烧结模具2次，每次4秒，压实胎体粉，之后在模具的顶部装上铜粉，铜粉的用量占胎体粉重量的70％；将上述装好料的烧结模具放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1000℃，烧结完成后，上述装有料的烧结模具继续在高温烧结炉中保温3小时；将上述烧结模具取出，冷却至室温，出模，即得到聚晶金刚石复合片钻头胎体。
实施例2
按照实施例1中的步骤进行，其中不同的是：铸造碳化钨：40％(其中铸造碳化钨采用粒度为40目与粒度为140目以质量比为2∶1的比例混合)；单晶碳化钨：40％(其粒度为200目)；球形铸造碳化钨：10％(其粒度为325)；雾化镍粉：10％(其粒度为200目)；铜粉的用量占胎体粉重量的100％，高温烧结炉的温度为1175℃，烧结模具继续在高温烧结炉中保温2小时。
实施例3
按照实施例中的步骤进行，其中不同的是：铸造碳化钨：35％(其中铸造碳化钨采用粒度为40与粒度为140目以质量比为2∶1的比例混合)；单晶碳化钨：45％(其粒度为200目)；球形铸造碳化钨：10％(其粒度为325)；雾化镍粉：10％(其粒度为200目)；铜粉的用量占胎体粉重量的100％，高温烧结炉的温度为1175℃，烧结模具继续在高温烧结炉中保温2小时。
实施例4
按照实施例1中的步骤进行，其中不同的是：铸造碳化钨：45％(其中铸造碳化钨采用粒度为40目与粒度140目以质量比为2∶1的比例混合)；单晶碳化钨：35％(其粒度为200目)；球形铸造碳化钨：10％(其粒度为325)；雾化镍粉：10％(其粒度为200目)；铜粉的用量占胎体粉重量的100％，高温烧结炉的温度为1175℃，烧结模具继续在高温烧结炉中保温2小时。
实施例5
按照实施例1中的步骤进行，其中不同的是：铸造碳化钨：50％(其中铸造碳化钨采用粒度为80目与粒度为110目以质量比为2∶1的比例混合)；单晶碳化钨：30％(其粒度为200目)；球形铸造碳化钨：10％(其粒度为325)；雾化镍粉：10％(其粒度为200目)；铜粉的用量占胎体粉重量的100％，高温烧结炉的温度为1175℃，烧结模具继续在高温烧结炉中保温2小时。
对上述实施例1-5中的钻头进行弯曲强度、冲击功及硬度等性能进行测试，测试结果见表1：
表1：钻头胎体的性能测试结果
  实施例编号   弯曲强度(MPa)   冲击功(J/cm2)   硬度HR
  1   874.03   8.84   58.8
  2   902.36   11.94   592
  3   889.45   9.57   61.7
  4   803.61   7.94   60.6
  5   770.09   7.65   61.3
上述实施例仅为本发明优选的实施案例，不能以此来限定本发明所要求保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明多要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其特征在于：其由按质量百分比计的以下组分混合而成，
铸造碳化钨：35-50%，其中铸造碳化钨采用粒度为40-100目与粒度101-140目的铸造碳化钨混合，其混合比例以质量比计为粒度为40-100目：粒度为101-140目=2:1；单晶碳化钨：30-45%，其粒度为80-200目；球形铸造碳化钨：6-10%，其粒度为100-350目；雾化镍粉：4-10%，其粒度为100-200目。
2.  根据权利要求1所述聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其特征在于：按质量百分比计，所述铸造碳化钨为45%，单晶碳化钨为35%，球形铸造碳化钨为10%，雾化镍粉为10%。
3.根据权利要求1-2任一项所述聚晶金刚石复合片钻头胎体粉，其特征在于：所述球形铸造碳化钨的粒度为325目。
4.一种采用权利要求1所述的胎体粉制造聚晶金刚石复合片钻头胎体的工艺，其特征在于：其包括以下工艺步骤
a)混合：将各组分按所述质量百分比混合均匀；
b)装料：将混合好的胎体粉装到烧结模具中，并震动烧结模具2-3次，每次3-5秒，压实胎体粉，之后在模具的顶部装上粘结金属粉末；
c)烧结：将上述装好料的烧结模具放入到高温烧结炉中进行烧结，高温烧结炉的温度为1000-1200℃；
d)保温：烧结完成后，上述装有料的烧结模具继续在高温烧结炉中保温2-3小时；
e）出模：将上述烧结模具取出，冷却至室温，出模，即得到聚晶金刚石复合片钻头胎体。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述粘结金属粉末为铜粉，其用量按重量百分比计占胎体粉重量的70-100%。
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