CN103045985A - 一种钢体pdc钻头表面强化防护工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢体PDC钻头表面强化防护工艺，包括如下步骤：涂层设计、表面预处理、涂层施工、保温缓冷、机械后处理；涂层设计包括：在施工前明确施工步骤以及确定各施工步骤中的具体操作参数；表面预处理包括：冠部凹切、屏蔽非喷涂层、表面粗化和表面净化共四个环节；涂层施工包括工件预热、喷涂粘结底层、喷涂工作层共三个环节。本发明突破传统认识，采用火焰类热喷涂技术，尤其提出了“喷涂—重熔—喷涂”的循环式生产工艺，使喷涂材料实现了在涂层和钻头体之间的有机扩散，有效地增强了涂层和钻头体之间的结合强度。本发明以生产效率高，质量优和经济成本低等显著优点，完善发展了钢体PDC钻头的生产工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种防护工艺，尤其涉及一种通过热喷涂技术硬化钢体钻头表面，特别是硬化钻头冠部，以此提高钻头在井下的耐磨性等综合性能的钢体PDC钻头表面强化防护工艺。
背景技术
钢体PDC钻头是PDC钻头中的一种类别，相对于胎体PDC钻头而言，钢体PDC钻头造型不受刀翼强度限制，冠部主体强度高，生产成本低，效率高。但是钢体钻头在复杂的工况下（如复合磨损，泥浆冲蚀等交替作用）极易出现冠部磨损严重的情况，大大限制了钢体钻头的使用范围。针对这一问题，以往通常采用堆焊的方法，即在钻头冠部敷焊一层耐磨材料。这种工艺的生产效率过低，在复杂的工况下，特别是在大位移的定向井和超深井中，容易发生堆焊层脱落的事故。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种通过热喷涂技术硬化钢体钻头表面，特别是硬化钻头冠部，以此提高钻头在井下的耐磨性等综合性能的钢体PDC钻头表面强化防护工艺。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种钢体PDC钻头表面强化防护工艺，所述工艺包括如下步骤：
步骤一：涂层设计；
步骤二：表面预处理；
步骤三：涂层施工；
步骤四：保温缓冷；
步骤五：机械后处理；
所述步骤一中的涂层设计包括：在施工前明确施工步骤以及确定各施工步骤中的具体操作参数，以利于施工时各工序的紧密衔接，从而最终保证产品质量；
所述步骤二中的表面预处理包括：冠部凹切、屏蔽非喷涂层、表面粗化和表面净化共四个环节；所述步骤三中的涂层施工包括工件预热、喷涂粘结底层、喷涂工作层共三个环节。
在本发明的具体实施例子中，所述冠部凹切包括凹切区域和凹切余量，钢体PDC钻头冠部由内锥、顶部、侧翼、肩部和保径五部分组成，在凹切时依次对冠部的这五个组成区域进行打磨，凹切应以满足粘结底层和喷涂层的容量为原则，根据喷涂粉末和基体的材质特性,涂层的厚度为2.50—3.00mm，上述涂层在强化钻头抗磨损性的前提下，可以有效的保证涂层与基体的结合强度，故确定凹切的加工余量为3.0—3.5mm。
在本发明的具体实施例子中，所述屏蔽非喷涂层包括：喷涂区域即为凹切的钻头冠部处，因此只需对钻头冠部上的齿穴进行屏蔽，用与齿穴同尺寸相同的石墨替块屏蔽是首选方案。
在本发明的具体实施例子中，所述表面粗化包括用喷砂的方式粗化工件，喷砂压力为0.6-0.7Mpa,喷砂介质是石英砂，粒度为0.5-1.5mm，喷砂后工件表面粗糙度应达到8-10μmRa，喷砂的重点区域为凹切的钻头冠部。
在本发明的具体实施例子中，所述表面净化包括用压缩空气吹净钻头体表面的砂粒和其它杂质，然后用丙酮清洗钻头冠部，清洗的重点区域为凹切的钻头冠部。
在本发明的具体实施例子中，所述工件预热包括用功率为80KW的中频炉预热，预热时要与可升降平台配合使用，要求升温速率3—5℃/min，中频频率1000Hz，预热温度为550℃。
在本发明的具体实施例子中，所述喷涂粘结底层中喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为100目的F512作为喷涂材料，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为0.10—0.18mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离以150—200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。
在本发明的具体实施例子中，所述喷涂工作层包括喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为150目的F102与WC的复合粉末作为喷涂材料，其中WC的含量为60﹪，要求粉末杂质含量小于0.3﹪，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为2.5—2.8mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150-200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为2025cm/s。
在本发明的具体实施例子中，所述施工完毕后应立即把钻头放入保温盒中保温缓冷，保温时间根据经验公式
确定，其中T为钻头基体温度，h为钻头基体厚度。
在本发明的具体实施例子中，所述机械后处理具体如下：选择100目的平形金刚石砂轮对保径半精磨。
本发明的积极进步效果在于：本发明突破传统认识，采用火焰类热喷涂技术，尤其提出了“喷涂-重熔-喷涂”的循环式生产工艺，使喷涂材料实现了在涂层和钻头体之间的有机扩散，有效地增强了涂层和钻头体之间的结合强度。本发明以生产效率高，质量优和经济成本低等显著优点，完善发展了钢体PDC钻头的生产工艺。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1是本发明的工艺流程图，参见图1，本发明包括如下步骤：步骤一：涂层设计；步骤二：表面预处理；步骤三：涂层施工；步骤四：保温缓冷；步骤五：机械后处理。
下面为一个具体的实施过程：
以81/2〞钢体钻头的加工过程为例，实施过程如下：
1、涂层设计
(1)冠部凹切：冠部凹切包括凹切区域和凹切余量.钢体PDC钻头冠部由内锥,顶部,侧翼,肩部和保径五部分组成.在凹切时要依次对冠部的这五个组成区域进行打磨.凹切应以满足粘结底层和喷涂层的容量为原则.根据喷涂粉末和基体的材质特性,涂层的厚度以2.50—3.00mm为宜，上述涂层在强化钻头抗磨损性的前提下，可以有效的保证涂层与基体的结合强度。故确定凹切的加工余量为3.0-3.5mm。
(2)屏蔽非喷涂层：喷涂区域即为凹切的钻头冠部处.因此只需对钻头冠部上的齿穴进行屏蔽。
(3)表面粗化：用喷砂的方式粗化工件.喷砂压力为0.6-0.7Mpa,喷砂介质是石英砂，粒度为0.5—1.5mm，喷砂后工件表面粗糙度应达到8—10μmRa，喷砂的重点区域为凹切的钻头冠部。
(4)表面净化：用压缩空气吹净钻头体表面的砂粒和其它杂质，然后用丙酮清洗钻头冠部，清洗的重点区域为凹切的钻头冠部。
(5)工件预热:用功率为80KW的中频炉预热，预热时要与可升降平台配合使用。要求升温速率3—5℃/min，中频频率1000Hz，预热温度为550℃。
(6)喷涂粘结底层：喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用外国进口的氧乙炔喷涂炬，使用规格为100目的F512作为喷涂材料，要求镍粉含量为95﹪，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为0.10—0.18mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa。喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150—200mm为宜，喷涂时喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。
F512可以选用市场上可以方便买到的上海斯米克供应的F512喷涂材料。
(7)喷涂工作层：喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用外国进口的氧乙炔喷涂炬，使用规格为150目的F102与WC的复合粉末作为喷涂材料,其中WC的含量为60﹪。要求粉末杂质含量小于0.3﹪。喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为2.52.8mm。氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa。喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150—200mm为宜，喷涂时，喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。
F102可以选用市场上可以方便买到的河北恒瑞特种耐磨焊条厂供应的F102喷涂材料。
2、表面预处理：
（1）冠部凹切：使用电动角向磨光机对钻头冠部的内锥、顶部、侧翼、肩部、保径的正面及两侧面进行凹切打磨，凹切时的打磨加工余量为3.0—3.5mm。
（2）屏蔽非喷涂层：根据齿穴尺寸选择对应的石墨替块(1913,1308等)填充屏蔽。
（3）表面粗化：将喷砂机的喷砂压力调整至0.6—0.7Mpa，以粒度为0.5—1.5的石英砂为喷砂介质对凹切的钻头冠部进行粗化处理，喷砂后的工件表面粗糙度应达到8—10μmRa。
（4）表面净化：用压缩空气吹净钻头体表面的砂粒和其它杂质。然后用丙酮清洗钻头冠部，清洗的重点区域为凹切的钻头冠部。
（5）工件预热：用功率为80KW的中频炉预热，预热时要与可升降平台配合使用。要求升温速率3—5℃/min，中频频率1000Hz，预热温度为550℃。
3、涂层施工：
（1）喷涂粘结底层：喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用外国进口的氧乙炔喷涂炬，使用规格为100目的F512作为喷涂材料，要求镍粉含量为95﹪。喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃。涂层厚度应为0.10—0.18mm。氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa。喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂,喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150-200mm为宜，喷涂时喷涂炬的移动面速度为20-25cm/s。
（2）喷涂工作层：喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂,喷涂设备采用外国进口的氧乙炔喷涂炬，使用规格为150目的F102与WC的复合粉末作为喷涂材料，其中WC的含量为60﹪。要求粉末杂质含量小于0.3﹪。喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为2.52.8mm，氧气表压力3.54.0Mpa，乙炔表压力0.100.14Mpa。喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150—200mm为宜，喷涂时喷涂炬的移动面速度为20-25cm/s。
4、保温缓冷：施工完毕后应立即把钻头放入保温盒中保温缓冷,保温时间根据经验公示
确定，在测得钻头基体温度和厚度后,确定钻头的保温时间为6.5h。
5、机械后处理：选择100目的平形金刚石砂轮对保径半精磨，加工尺寸为钻头的标准尺寸即215.9mm。
其中所述表面净化完毕后要注意防止油污和其它污染，并且特别注意表面净化后与工件预热两道工序的间隔时间不宜超过10min。
其中所述涂层施工(1)喷涂粘结底层:选择型号为B3/S的喷嘴,其直径为1.70mm.(2)喷涂工作层：选择型号为C5/S的喷嘴，其直径为2.20mm。
其中所述涂层施工(1)喷涂打底层:喷涂打底层时调节升降平台，使中频炉降至适当高度(以露出钻头冠部，便于施工为准)继续辅助加温，以相同的参数使钻头温度保持550℃。喷涂第一层完毕后,使用喷涂炬(微碳化焰)重熔涂层，重熔时依次从钻头内锥至保径的正面和两侧面进行，首先自内锥重熔，当涂层变成熔融状态且未流动前立即移动喷涂炬至冠部其它区域。在接下来的其它区域依次重复上述动作进行涂层重熔，喷涂粘结底层和重熔粘结底层时应注意行程宽度间的搭接。
其中涂层施工(2)喷涂工作层:喷涂工作层应分35步完成,每层喷涂厚度为0.50—0.93mm,使用中频炉辅助加温.每步喷涂完毕后,均如7所述对涂层进行重熔.当最后一步涂层喷涂完毕后,应微调喷涂炬至碳化焰,对钻头冠部的全部涂层进行整体重熔。
本发明突破传统认识，采用火焰类热喷涂技术，尤其提出了“喷涂-重熔-喷涂”的循环式生产工艺，使喷涂材料实现了在涂层和钻头体之间的有机扩散，有效地增强了涂层和钻头体之间的结合强度。本发明以生产效率高，质量优和经济成本低等显著优点，完善发展了钢体PDC钻头的生产工艺。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述工艺包括如下步骤：
步骤一：涂层设计；
步骤二：表面预处理；
步骤三：涂层施工；
步骤四：保温缓冷；
步骤五：机械后处理；
所述步骤一中的涂层设计包括：在施工前明确施工步骤以及确定各施工步骤中的具体操作参数；
所述步骤二中的表面预处理包括：冠部凹切、屏蔽非喷涂层、表面粗化和表面净化共四个环节；所述步骤三中的涂层施工包括工件预热、喷涂粘结底层、喷涂工作层共三个环节。
2.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述冠部凹切包括凹切区域和凹切余量，钢体PDC钻头冠部由内锥、顶部、侧翼、肩部和保径五部分组成，在凹切时依次对冠部的这五个组成区域进行打磨，凹切应以满足粘结底层和喷涂层的容量为原则，根据喷涂粉末和基体的材质特性,涂层的厚度为2.50—3.00mm，上述涂层在强化钻头抗磨损性的前提下，可以有效的保证涂层与基体的结合强度，故确定凹切的加工余量为3.0—3.5mm。
3.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述屏蔽非喷涂层包括：喷涂区域即为凹切的钻头冠部处，因此只需对钻头冠部上的齿穴进行屏蔽。
4.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述表面粗化包括用喷砂的方式粗化工件，喷砂压力为0.6-0.7Mpa,喷砂介质是石英砂，粒度为0.5—1.5mm，喷砂后工件表面粗糙度应达到8—10μmRa，喷砂的重点区域为凹切的钻头冠部。
5.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述表面净化包括用压缩空气吹净钻头体表面的砂粒和其它杂质，然后用丙酮清洗钻头冠部，清洗的重点区域为凹切的钻头冠部。
6.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述工件预热包括用功率为80KW的中频炉预热，预热时要与可升降平台配合使用，要求升温速率3—5℃/min，中频频率1000Hz，预热温度为550℃。
7.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述喷涂粘结底层中喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为100目的F512作为喷涂材料，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为0.10—0.18mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离以150—200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。
8.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述喷涂工作层包括喷涂方式选择氧-乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为150目的F102与WC的复合粉末作为喷涂材料，其中WC的含量为60﹪，要求粉末杂质含量小于0.3﹪，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为2.5—2.8mm，氧气表压力3.5-4.0Mpa，乙炔表压力0.10-0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。
9.根据权利要求3所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述施工完毕后应立即把钻头放入保温盒中保温缓冷，保温时间根据经验公式
确定，其中T为钻头基体温度，h为钻头基体厚度。
10.根据权利要求1所述的钢体PDC钻头表面强化防护工艺，其特征在于：所述机械后处理具体如下：选择100目的平形金刚石砂轮对保径半精磨。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130417 |