CN103358103A - 一种地质和石油工业用新型牙轮钻头的制备技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于地质勘探和石油开采工业中牙轮钻头的制备技术领域，特别是提供了一种新型的金刚石夹心式的超细晶粒硬质合金球齿的生产技术，可将人造金刚石颗粒加入到硬质合金球齿的心部，从而大幅度提高了球齿的切削性和耐磨性。本发明同时采用颗粒熔浸铸造工艺将塔轮表面全部用硬质合金层覆盖的技术，可将所有球齿用硬质合金层加固，连接成一个整体。这种牙轮钻头实际上从材料和总体结构上都做了改变，大大改善了每个球齿的受力状态，使局部球齿受到的碾压力和冲击力很快通过硬质合金整体壳层迅速地缓冲、分散开来，最终提高牙轮钻头的钻进速度和使用寿命，这种钻头在条件恶劣的海底石油钻探中，更能显露出其优异的特性。

Description

一种地质和石油工业用新型牙轮钻头的制备技术

技术领域

本发明属于地质勘探和石油开采工业中钻头的制备技术领域，特别是提供了一种用新型的金刚石夹心式的硬质合金球齿技术及采用硬质合金全覆盖式的牙轮塔体制造技术，最终制备成一种钻进速度高，耐磨寿命长的牙轮钻头。

背景技术

地质工业和石油工业中采用牙轮钻头的历史已近80年，这种结构的钻头在中软地层的钻探作业中发挥了优良的性能，因此多年来，在欧美各国及中东等石油富产国中广泛采用。

牙轮钻的最大特点是在钻探过程中随着钻杆的旋转，塔轮产生自转，从而改变了球齿与岩石表面的运动状态(由滑动切削变为滚动碾压)可降低球齿与岩石的相对切削速度，但明显的提高了球齿与岩石表面的碾压时间和碾压压力。从岩石破碎的机理来看，单纯的切削岩石，很容易磨损球齿(刀具)，特别是对于脆性很大的硬质合金球齿来说，由于现有的钢模生产特点，最容易产生球顶部密度低和断头现象。由硬质合金的力学特征可知，其承受抗弯、剪切、拉伸的性能很差，唯独抗压强度和硬度特别高，最适合于碾压的工作状态。因此从牙轮钻的结构和传动原理可知在牙轮钻中，采用硬质合金球齿，通过快速，高压的碾压破碎，将岩石粉碎以完成向深处的掘进工作是合理的。实践证明，这种钻头在岩石硬度小于6级时都能很好的胜任工作。遗憾的是在岩石硬度高于6级时，这种钻头出现的问题较多，主要有：1、硬质合金球齿磨损过快；2、硬质合金球齿断头和脱落较多；3、球齿的塔轮磨损严重；4、轴承寿命低。近十年来美国采用铸造WC粉和黄铜浸渍的方法将塔轮用(WC+Cu)合金全覆盖。经过这种在材料工艺上的改造后的牙轮钻头。综合性能明显提高，特别是在海底石油钻井中也得到了广泛应用。近几年来几乎已垄断了整个欧美和中东市场。

我国在上世纪六十年代末，在石油工业中，开始使用这种牙轮钻头，同时也开发了我国独有的刮刀钻头。在牙轮钻的使用过程中，对球齿顶部的形状也做过多种改进，如球型齿顶改为，楔形、圆锥形，圆台形等。在合金成分上也进行了多种试探，如先后采用过YG6、YG8、YG10、YG6X合金。这些合金的抗弯强度一般在2000-2300MPa，硬度为HRA86-89.使用的WC粉粒度一般为1.5-2.5μm(中颗粒)，只有YG6X牌号的合金，其WC粉粒度较细(0.5-1.5μm)，力学性能较好，但因价格较贵，实际应用较少。近年来有关超细晶粒硬质合金的最新研究成果表明，当合金中的WC晶粒≤0.3μm时，硬质合金的抗弯强度提高2倍(高达4000-4300MPa)，耐磨性能成倍提高，硬度可达HRA92-94。

发明内容

纵观地质和石油钻头的发展过程可知，钻头的结构设计离不开材料特性及其工艺特征的搭配，几十年来尽管牙轮钻在结构上没有多大变化，但在材料及工艺过程上仅作了如美国的(WC+Cu)浸渍工艺上的改变，就可以将牙轮钻的综合性能大幅度提高。鉴于上述背景，本发明从两方面实现了创新，

(一)、制备和采用金刚石夹心式超细晶粒硬质合金球齿

(二)、采用颗粒熔浸铸造技术，将塔轮的钢质基体表面强化改性(见附图二)。此目的，一是用硬质合金层将塔轮表面全部覆盖以防止塔轮表面在钻探过程中过快磨损。其二是为了用硬质合金层将球齿与塔轮钢基体通过钎焊而加固，从而可明显的减少球齿断头和脱落现象。

其具体工艺步骤如下：见附图1。

附图1是本发明的制备工艺流程图，其中：

1-1：是制备空心球齿：采用平均粒径≤100nm的WC粉，用化学包覆法将10％质量的钴(Co)制成为YG10成分的纳米钴包纳米WC合金粉，然后采用附图6或附图7所示的新型的高压软模成形技术制成空心球齿毛坯，再经1380-1400℃(60分)真空烧结，制成外径φ10-φ12，中心孔为φ2.5-2.8的空心球齿。

1-2：是金刚石夹心：将粒径为1.27-0.159mm(10-80目)人造金刚石粉末与663青铜粉10％(质量)，另加少许(3-10％质量)酒精，搅拌混合后在压力下装填到上述硬质合金空心球齿的孔内，在高频感应加热下将663青铜粉熔化，可将人造金刚石颗粒焊接在硬质合金的空心球齿内，从而形成为有金刚石夹心的超细晶粒硬质合金球齿。

1-3：是塔轮的机加工准备工作：

按球齿尺寸及排列分布规律及硬质合金层厚度等确定加工尺寸见附图3，附图3中3-1是夹心球齿；3-2是泡沫塑料板；3-3是塔轮钢基体。

1-4：是塔轮颗粒熔浸铸造模具准备：见附图2-颗粒融浸铸造耐火模具图附图2中2-1是金属液流；2-2是漏斗；2-3是自凝耐火模具(上模)；2-4是硬质合金颗粒物；2-5是金刚石夹心球齿；2-6是塔轮基体钢芯；2-7是下模金属外壳；2-8是自凝耐火模具(下模)。如附图2所示，塔轮钢基体(2-6)加工后，按附图2所示，将所有夹心球齿装入到塔轮钢基体的孔内并用502胶水固牢，然后用白色的聚苯乙烯泡沫塑料板将所有塔轮表面(见附图4锥形泡沫塑料板打孔展开图及附图5下端泡沫塑料板打孔展开图)，全部覆盖(除底部和球齿外)并用胶水粘牢。其厚度与硬质合金颗粒填充层(即覆盖层)厚度相等。然后在模具下半箱体壳内加入自凝耐火粉喷入极少的水不断打结，直至一半高度。稍有固结后将粘有泡沫模板的塔轮，压入耐火材料中，固定后再用自凝耐火粉将塔轮下部(沿上下模分模面)打结。最后装好上半模箱继续加入自凝耐火粉打结。加装漏斗，继续完成打结工作。静置1小时候后在烘箱内50-70℃；烘干2小时后；700～750℃；(40分)烧结，前者可使自凝耐火粉材料在泡沫塑料未分解之前就可凝固定型，从而在空间上才能形成一个与塔轮表面保持一定厚度的夹层空间，当温度超过400℃时，泡沫塑料开始分解，700℃以上快速分解气化而消失，结果在塔轮表面与耐火材料模具之间，就形成了一个可填充硬质合金颗粒的空间层。

1-5：是夹层颗粒填充：

是将粒度组成一定的颗粒形状符合特定要求的，硬质合金颗粒状粉末，充填到附图2中2-4的夹层空间内，填充时往往采用振动台边振动边充填，以保证获得最大的填充密度。颗粒物的粒度组成一般为质量分数(以下同)；0.318～0.212(mm)(即40-60目)40％、0.159～0.100(mm)(即80-120目)40％、0.159～0.085(mm)(即120～150目)20％，最大颗粒线性尺寸≤1/3硬质层厚度。

1-6：是熔浸铸造：

利用电炉或感应炉将663青铜合金熔化，并将颗粒熔浸铸造模具放入一个可通入N₂气保护的预热电炉内，预热到750-800℃，将熔化的铜液(2-1)注入漏斗2-2中(见附图2)。当高温铜液注入硬质合金颗粒充填层后，由于金属铜液对碳化物固相颗粒和硬质合金固相颗粒具有良好的浸润特性和高温金属液携带的充足热量，在很短的时间内将夹层空间内所有的硬质合金颗粒迅速浸透，烧结并迅速形成为一个完整的包覆在塔轮全部表面的硬质合金覆盖层，更重要的是与此同时，新生的硬质合金层与塔轮的钢质基体表面也完成了钎焊过程，每个金刚石夹心球齿也同时被焊接在塔轮的齿孔中。冷却后最终可形成一个完整的，表面极为坚硬，耐磨的内部又有极高韧性和强度的层合复合牙轮部件。

1-7：是脱模-安装：

熔浸后的模具在N₂气的保护下缓慢冷却到室温，将耐火模具打碎可获得一个完整的复合牙轮部件，然后进行质量检查，合格后进行钻头总装

1-8：是产品检验：

出厂前进行最终产品检验

本发明的优点

1、采用高压软模成形技术，彻底解决了纳米硬质合金粉成形难的问题。不仅提高了压坯的整体密度，更重要的是解决了球齿在使用过程中的断头和不耐磨问题。

2、首次提出研制和采用WC平均晶粒≤0.5μm的超细晶粒硬质合金作为牙轮球齿合金，全面提高了球齿合金的抗弯强度≥3800～4000MPa，抗压强度≥5500MPa，硬度HRA≥90～92，耐磨性能提高三倍。

3、首次提出研制和采用人造金刚石夹心式的超细晶粒硬度合金球齿部件。由于夹心结构和技术，彻底避免了在表镶和孕镶工艺中，必须要考虑金刚石的浸润性不良的问题，弥补了金刚石浸润焊接性较差的缺点，从结构上为金刚石颗粒提供了一种稳定的强负荷的三维刚性支撑的优越受力环境，大大提高和发挥了金刚石颗粒在整个球齿中的切削能力和耐磨能力，金刚石颗粒不易脱落、利用率高、价格低廉、易于推广使用。

4、采用颗粒熔浸铸造工艺可以很容易地将硬质合金材质在塔轮表面全部覆盖，这一工艺不仅将塔轮表面强化改性，更重要的是将所有球齿全部用硬质合金层加固，强化，并连接成一个整体。这种材料总体结构上的改变，大大改善了每个球齿的受力状态，使局部球齿在工作时受到的冲击力很快可以通过硬质合金整体壳层，这种颗粒状的(非连续介质)材料，能迅速的缓冲、传播、分散开来，因此可明显地提高牙轮钻头的抗冲击能力，可提高钻进速度和使用寿命，故这种钻头在条件恶劣的海底石油钻探中，更能显露出其优异的特性。

5、颗粒熔浸铸造工艺，是从材料的制备工程技术上，彻底解决了，在复杂形状的钢铁部件上，能够大规模制备出厚度不受限制的，与钢基体焊接牢固的，结构上完整一体的硬质合金层合复合技术的难题。因此可以在钻头塔轮以外的任何需要抗磨损的部位上，如钻头主体，钻杆螺纹头外缘。钻头的定向保径段(我国没有)等，均可用硬质合金层全覆盖。

具体实施方式

实施例1：

制备一个示范性的三轴式φ200mm牙轮钻头，其塔轮最大直径φ70mm(见附图3)、塔轮锥角50°、锥高52mm、平台高20mm；球齿齿数排列为3、6、8；球齿外露高度9mm；轴径φ25mm。要求采用人造金刚石夹心式的超细晶粒硬质合金球齿，其直径为φ12mm，高18mm，齿顶为半球体。夹心孔径为φ2.8mm，深度18mm。塔轮表面有3.5mm厚的常规YG8硬质合金覆盖层，塔轮底部和轴杆表面不需覆盖，但要进行热处理。机加工等然后在使用现场自行装配。

应按下列步骤完成：

1、制备空心球齿

a、称取900g纳米WC粉，(平均粒径≤100nm)倒入3000ml水中。

b、称取(x)gCo(NO₃)₂·7H₂O粉末，与(y)g联氨(N₂H₄)·H₂O溶液按下式反应：2(N₂H₄)·H₂O+Co(NO₃)₂·7H₂O＝Co+N₂+2NH₄NO₃+9H₂O

分子量   100   291    58.93

          (y)  (x)    100

称取(x)＝291×100/58.93＝493.8g[Co(NO₃)₂·7H₂O](七水硝酸钴)粉末，倒入上述3000ml水中。

c、称取：(y)＝100×493.8/291＝169.6g(联氨液)。实际多加一倍量，共为340g，340g，倒入上述3000ml水中

d、水浴加热60～65℃，强力搅拌(1小时)，静置(4小时)，沉淀过滤反复清洗，最后酒精清洗过滤，或离心分离。真空80℃，1小时干燥，可制成纳米钴包覆纳米WC的YG10合金粉，以上合金粉末也可向专门厂家购买。

e、将YG10超细合金粉末装入高压软模内，见附图6

附图6中：6-1是上冲头(钢)；6-2是双层外钢模；6-3是半球成形软模(聚胺脂)；6-4是外围软模(聚胺酯)；6-5是钢芯；6-6是超细晶YG10合金粉；6-7是下软模塞(聚胺脂)；6-8是下软模垫(聚胺脂)；6-9是下冲头(钢)

按上冲头截面积(S)计算单位压强P_o，

P_o＝P/10.2×S(MPa)

式中P：总压力(Kg)；S：上冲头(钢)的截面积cm²；P_o：单位压强(MPa)在单位压强P_o＝200～250MPa压力下，将YG10合金粉压制成空心球齿毛胚。在真空烧结炉中，真空度3～10Pa；1380～1400℃，(60分)烧结成空心球齿。球齿的中心孔径、外径、高度等尺寸，经烧结后，约收缩20％，故毛坯的钢芯直径和其它尺寸均应放大20％

2、金刚石夹心

将烧结后的空心球齿用高速钻(金刚石针)清理内孔，经丙酮清洗后，用细钢针将人造金刚石粉[加入3％(质量)的663青铜粉]压入球齿的中心孔内，可用小锤轻打充实。金刚石粉充填高度一般为小孔高度的(1/2～2/3，按使用高度而定)。然后在高频感应圈内，加热将铜粉熔化，或在N₂气保护炉内将铜粉熔化。在熔化前放入一段

的663铜丝，长度稍高出合金表面2mm，在熔化过程中，可用硼砂粉保护，继续添加铜焊料。熔化后，冷却，待用。

3、塔轮基体加工

按照用户对硬质合层厚度(H)mm的要求，塔轮的外围尺寸必须向内部缩小3.5mm厚度，同时在塔轮表面规定位置上加工出直径

深5.5mm的球齿固定孔。见附图3。按附图3尺寸加工出钢制的塔体轮，随即将球齿安装粘好。然后用聚苯乙烯(厚3.5mm)泡沫塑料板，按附图4，附图5加工出有孔的并有规定厚度的颗粒充填物夹层造型模板，最后将泡沫塑料模板安装，粘接在塔轮的钢基体表面。破损处可用石蜡溶液修补。

4、塔轮熔浸模准备

将装好球齿及泡沫塑料模板的塔轮，放入附图2所示的熔浸铸造模箱内，先打结下半部耐火模，稍凝后，再打结上半部耐火模。完成打结后，静置1小时后，在烘箱内50～70℃，2小时烘干固化后，在700～750℃、(40分)高温烧结后，用探针检查泡沫塑料模板是否分解、气化自行消失，然后转入夹层颗粒充填。

5、夹层颗粒充填

采用粒度组成为0.635～0.212(mm)(即20～60目)40％(质量)；0.159～0.100(mm)(即80～120目)40％(质量)；0.159～0.085(mm)(即120～150目)20％(质量)的YG8牌号的常规硬质合金颗粒粉，称取一定量的粉重，在振动台上，边装填边振动并用探针插实，当装入的粉重达到计算量或空白装填试验量时，暂停装填，但需再振动5分钟，当颗粒物装填平面，不再下降时，方可结束装填。然后将熔浸铸造模放入有N₂气保护的预热炉内，加上注液漏斗。并对准预热炉口通入N₂气，升温至750～800℃保温待用。

6、熔浸铸造

a、用高频或中频可倾注感应炉将适量(2Kg)(663青铜)合金熔化，并过热到980～1000℃保温。

b、将预热炉炉口打开，开启感应炉倾注机构将高温铜液注入熔浸铸造模的漏斗内，并随时观察铜液面，若不在下降时，说明铜液已注满。应立即停止浇注，然后在N₂气保护炉内冷却至室温。

7、脱模安装

铸造模冷却后出炉，将耐火泥打碎，回收(MgO)镁砂再用。取出铸造好的复合塔轮，用钢丝刷清理检查表面，若有缺损还可用氧-乙炔火焰修补。然后将塔轮转到热处理及研磨工序，装配等工序，完成总装工序。

8、产品检查

完成产品出厂前的总检和认证工作

实施例2：

制备一个三轴式

牙轮钻头，其塔轮最大直径(见附图3)；塔轮锥角50°；锥高52mm；平台高20mm；球齿齿数排列为3、6、8；球齿外露高度9mm；轴径

要求采用人造金刚石夹心式的超细晶粒硬质合金球齿、其直径

高18mm齿顶为圆锥台形。(锥顶高6mm，锥顶圆

)夹心孔直径

塔轮表面有4mm厚的常规YG8硬质合金夹层。

应按下列步骤完成

1、制备空心球齿

以下与实施例1-a，1-b，1-c，1-d，1-e，完全相同，不同处在于使用的高压软模附图6中的6-3部件改为圆锥台的负型，见附图7，，的7-3，其他参数均相同。附图7中7-1是上冲头；7-2是双层外钢模；7-3是锥台成形软模(聚胺脂)；7-4是钢芯；7-5是外围软模(聚胺脂)；7-6是超细YG10合金粉；7-7是下软模塞(聚胺脂)；7-8是下软模垫(聚胺脂)；7-9是下冲头(钢质)

2、金刚石夹心

与实施例1中2、相同

3、塔轮加工

按照用户对硬质合层厚度4mm的要求，塔轮的外围尺寸必须向内部缩小4mm厚度，同时在塔轮表面规定位置上加工出深度为5mm的球齿固定孔。见附图3。按附图3尺寸加工出塔轮钢基体，随即将球齿安装粘好。然后用聚苯乙烯(厚4mm)泡沫塑料板，按附图4，附图5加工出有孔的并有规定厚度的颗粒充填物夹层造型模板，最后将泡沫塑料模板安装，粘接在塔轮的钢基体表面。破损处可用石蜡溶液修补。

4、与实施例1中4、相同。

5、与实施例1中5、相同。

6、与实施例1中6、相同。

7、与实施例1中7、相同。

8、与实施例1中8、相同。

以上步骤完成后，即可制成符合客户要求的金刚石夹心式球齿硬质合金覆盖式的新型牙轮钻头。

Claims (6)

1.一种地质和石油工业用新型牙轮钻头的制备技术，其特征在于用金刚石夹心式的超细晶(WC平均晶粒≤0.5um)硬质合金球齿在N₂气保护下经颗粒熔浸铸造工艺，将球齿与塔轮浸渍钎焊，同时又将塔轮表面均匀的烧结覆盖一层坚硬的硬质合金防护层。从而使球齿-塔轮-硬质合金防护层三者之间通过冶金结合形成为一种结构和性能上均优异的复合材料部件，大大改善了球齿的受力状态，提高了球齿的切削能力和耐磨性能，使这种钻头成为一种新型的牙轮钻头。

2.根据权利要求1所述，金刚石夹心的超细晶粒(硬质合金中WC平均晶粒≤0.5um)硬质合金球齿是用下列合金粉制成，其使用的原始WC粉粒度≤100nm采用化学包覆法制备成纳米钴包纳米WC合金粉。采用高压软模成形法制成空心球齿毛坯，再经真空烧结制成空心球齿。以上工艺方法，模具结构及相关工艺参数理应获得保护

3.根据权利要求1、2、所述，所使用的高压软模结构图见附图6，附图7.以及软模使用的材料(聚胺脂塑料)。压强的计标，控制参数，均为保护内容。

4.根据权利要求1、2、所述，金刚石夹心式球齿的制备工艺中所有的金刚石为人造金刚石粉，其粒度为1.27-0.159mm(即10-80目)，也可采用聚晶金刚石颗粒，或天然金刚石颗粒但粒度一般≤2.5mm。与此相关的是，金刚石的充填、熔化焊接设备、工艺、空心球齿的结构及相关参数理应获得保护

5.根据权利要求1、所述，在颗粒熔浸铸造时，采用可分解的(自消失)聚苯乙烯泡沫塑料板来制备硬质合金覆盖层的夹层充填空间，这种特殊工艺和材料及相关参数理应获得保护。

6.根据权利要求1、所述，颗粒熔浸铸造工艺中的耐火模具所使用的自凝耐火粉的成分为90％(质量)镁砂(MgO)，其粒径为0.159～0.074mm(120-200目)；自凝剂为10％(质量)MgCl₂·6H₂O粉，其打结及高温烧结工艺和参数均应保护。

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