CN103696699A - 一种脱钴pdc复合片钻头及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脱钴PDC复合片钻头及其制备工艺。一种脱钴PDC复合片钻头，包括基体，所述基体上端设置胎体，所述基体的端面上设置有径向排列的PDC复合片切削齿，所述PDC复合片切削齿上设置有金刚石和硬质合金的复合层，所述基体端面的中间位置设置有凹槽，所述凹槽上也设置有PDC复合片切削齿，所述PDC复合片切削齿为脱钴PDC复合片，所述脱钴PDC复合片在670-720℃的温度下与所述基体相焊接。本发明公开了一种通过将PDC复合片切削齿经过脱钴工艺处理来提高钻头使用寿命的脱钴PDC复合片钻头及其制备工艺。

Description

一种脱钴PDC复合片钻头及其制备工艺
技术领域
本发明涉及地质勘探领域，尤其涉及地质勘探领域的一种钻头，特别涉及适用于钻进坚硬、破碎、复杂难钻地层的一种脱钴PDC复合片钻头及其制备工艺。
背景技术
    地质勘探领域包括石油、页岩气、天然气及煤层气的钻采以及煤田地质、铁路、隧道工程的勘察等。在地质勘探领域中，对钻头的消耗量，每年不低于5000万只，其中属于坚硬、破碎复杂难钻地层的钻头消耗量不低于2000万只，因此市场前景广阔。
目前在地质勘探领域钻探中，普遍采用的是直接压制成型的普通复合片制造的钻头，也就是采用复合片直接生产成PDC复合片钻头，这种普通PDC复合片的耐磨性能、抗高温性能以及抗冲击性能远不如脱钴后的复合片，因此将脱钴复合片应用于高端钻头的生产，能更好地发挥复合片切削岩石的优势，大大降低钻头消耗量；同时，PDC复合片脱钴的工艺还不成熟，还未形成一整套完整的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的普通PDC复合片钻头磨损快、耐高温性能差以及钻头质量不稳定造成的钻头崩齿及提前失效等缺点提供一种通过将PDC复合片切削齿经过脱钴工艺处理来提高钻头使用寿命的脱钴PDC复合片钻头及其制备工艺。
本发明的技术方案是这样实现的：一种脱钴PDC复合片钻头，包括基体，所述基体上端设置胎体，所述基体的端面上设置有径向排列的 PDC复合片切削齿，所述PDC复合片切削齿上设置有金刚石和硬质合金的复合层，所述基体端面的中间位置设置有凹槽，所述凹槽上也设置有PDC复合片切削齿，所述PDC复合片切削齿为脱钴PDC复合片切削齿，所述脱钴PDC复合片切削齿在670-720℃的温度下与所述基体相焊接。
所述基体侧面上设置有硬质合金条和金刚石聚晶保径，所述硬质合金条和金刚石聚晶保径均通过焊接固定在基体上。
所述基体端面上还布设有通水孔，所述通水孔出口端设置有排屑和冷却用的水槽。
所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.1-0.3毫米。
所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.25-0.3毫米。
所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.3毫米。
一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，该工艺的步骤如下：
S01：制备柱状基体；
S02：将硬质合金钢在温度为975-985℃、压力为16.5-19 MPa条件下与基体粘结在一起形成胎体，在压制胎体时预留基体端面径向排列的PDC复合片切削齿的齿穴、基体端面中心部位PDC复合片切削齿的齿穴和基体外侧硬质合金条和金刚石聚晶保径镶焊槽；
S03：在基体端面开设通水孔，在通水孔出口端开设排屑和冷却用水槽；
S04：将PDC复合片切削齿进行脱钴工艺处理；
S05： 670-720℃的温度下，将脱钴处理后的PDC复合片切削齿焊接固定在齿穴中，在基体外侧的镶焊槽中焊接硬质合金条和金刚石聚晶保径；
S06：脱钴PDC复合片钻头制备完成。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入与反应物的质量比为0.22%-0.30%的触媒剂，在温度为250-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.1~0.3毫米。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为300-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.25~0.3毫米。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度为25%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.3毫米。
本发明的技术方案产生的积极效果如下：本发明的脱钴PDC复合片钻头，采用的脱钴复合片是将复合片在化学氛围中脱去金刚石层中的钴，脱钴深度一般在0.1-0.3毫米，和普通复合片相比较，脱钴后的复合片耐磨性提高30%，耐高温性能提高100-150度，抗冲击性能提高25%，提高了钻头的使用寿命，降低钻探领域的钻头损耗。在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为300-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片的脱钴深度为0.25~0.3毫米，脱钴深度为0.25~0.3在毫米时，复合片的热稳定性、耐高温性能及抗冲击性能等使用效果最好；脱钴工艺处理中，加入触媒剂可激发反应物的活性。脱钴PDC复合片钻头基体外侧镶焊有硬质合金条和金刚石聚晶保径，有效地保证了钻头的使用寿命。
附图说明
图1为本发明脱钴PDC复合片钻头的结构示意图。
图2为图1中A-B的剖视结构示意图。
图3为图2中C的侧视结构示意图。
具体实施方式
实施例一
一种脱钴PDC复合片钻头，如图1、2、3所示，包括基体1，所述基体1上端焊接胎体4（胎体4是硬质合金粉末在温度为985℃、压力为18 MPa条件下与基体1粘结在一起而形成的，在未粘结以前硬质合金钢为粉末状态，故该粘结又称为粉末冶金方式），所述基体1的端面上设置有径向排列的 PDC复合片切削齿2，所述PDC复合片切削齿2上设置有金刚石和硬质合金的复合层3，所述基体1端面的中间位置设置有凹槽，所述凹槽上也设置有PDC复合片切削齿2，所述PDC复合片切削齿为脱钴PDC复合片，所述脱钴PDC复合片在670-720℃的温度下与所述基体1相焊接。所述基体1侧面上设置有硬质合金条5和金刚石聚晶保径6，所述硬质合金条5和金刚石聚晶保径6均通过焊接固定在基体上。所述基体端面上还布设有通水孔7，所述通水孔7出口端设置有排屑和冷却用的水槽8。所述脱钴PDC复合片切削齿的金刚石表层的脱钴深度为0.3毫米。
此外，上述实施例中所述脱钴PDC复合片切削齿的金刚石表层的脱钴深度可以为0.1-0.3毫米范围内的任意数值，均可实现本发明的积极效果，脱钴深度在0.25-0.3毫米范围内时脱钴PDC复合片的耐高温性能及耐冲击性等使用性能最好。
实施例二
一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，该工艺的步骤如下：
S01：制备柱状基体，基体的材质为45号碳钢；
S02：将硬质合金钢在温度为980℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起形成胎体（胎体是硬质合金粉末在温度为985℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起而形成的，在未粘结以前硬质合金钢为粉末状态，故该粘结又称为粉末冶金方式），在压制胎体时预留基体端面径向排列的PDC复合片切削齿的齿穴、基体端面中心部位PDC复合片切削齿的齿穴和基体外侧硬质合金条和金刚石聚晶镶焊槽；
S03：在基体端面开设通水孔，在通水孔出口端开设排屑和冷却用水槽；
S04：将PDC复合片切削齿进行脱钴工艺处理；
S05：670-720℃的温度下，将脱钴处理后的PDC复合片切削齿焊接固定在齿穴中，在基体外侧的镶焊槽中焊接硬质合金条和金刚石聚晶保径；
S06：脱钴PDC复合片钻头制备完成。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入与反应物质量比为0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为250-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片的脱钴深度为0.1~0.3毫米。
本实施例中的脱钴PDC复合片钻头为实施例一中所述的脱钴PDC复合片钻头，在此不再赘述。
实施例三
一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，该工艺的步骤如下：
S01：制备柱状基体，基体的材质为45号碳钢；
S02：将硬质合金钢在温度为975℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起形成胎体（胎体是硬质合金粉末在温度为985℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起而形成的，在未粘结以前硬质合金钢为粉末状态，故该粘结又称为粉末冶金方式），在压制胎体时预留基体端面径向排列的PDC复合片切削齿的齿穴、基体端面中心部位PDC复合片切削齿的齿穴和基体外侧硬质合金条和金刚石聚晶镶焊槽；
S03：在基体端面开设通水孔，在通水孔出口端开设排屑和冷却用水槽；
S04：将PDC复合片切削齿进行脱钴工艺处理；
S05：670-720℃的温度下，将脱钴处理后的PDC复合片切削齿焊接固定在齿穴中，在基体外侧的镶焊槽中焊接硬质合金条和金刚石聚晶保径；
S06：脱钴PDC复合片钻头制备完成。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为300-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片的脱钴深度为0.25-0.3毫米。
本实施例中的脱钴PDC复合片钻头为实施例一中所述的脱钴PDC复合片钻头，在此不再赘述。
实施例四
一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，该工艺的步骤如下：
S01：制备柱状基体，基体的材质为45号碳钢；
S02：将硬质合金钢在温度为985℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起形成胎体（胎体是硬质合金粉末在温度为985℃、压力为18 MPa条件下与基体粘结在一起而形成的，在未粘结以前硬质合金钢为粉末状态，故该粘结又称为粉末冶金方式），在压制胎体时预留基体端面径向排列的PDC复合片切削齿的齿穴、基体端面中心部位PDC复合片切削齿的齿穴和基体外侧硬质合金条和金刚石聚晶镶焊槽；
S03：在基体端面开设通水孔，在通水孔出口端开设排屑和冷却用水槽；
S04：将PDC复合片切削齿进行脱钴工艺处理；
S05：670-720℃的温度下，将脱钴处理后的PDC复合片切削齿焊接固定在齿穴中，在基体外侧的镶焊槽中焊接硬质合金条和金刚石聚晶保径；
S06：脱钴PDC复合片钻头制备完成。
所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度25%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片的脱钴深度为0.3毫米。
本实施例中的脱钴PDC复合片钻头为实施例一中所述的脱钴PDC复合片钻头，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种脱钴PDC复合片钻头，包括基体（1），其特征在于：所述基体（1）上端设置胎体（4），所述基体（1）的端面上设置有径向排列的 PDC复合片切削齿（2），所述PDC复合片切削齿（2）上设置有金刚石和硬质合金的复合层（3），所述基体（1）端面的中间位置设置有凹槽，所述凹槽上也设置有所述PDC复合片切削齿（2），所述PDC复合片切削齿（2）为脱钴PDC复合片切削齿，所述脱钴PDC复合片切削齿在670-720℃的温度下与所述基体（1）相焊接。
2.如权利要求1所述的一种脱钴PDC复合片钻头，其特征在于：所述基体（1）侧面上设置有硬质合金条（5）和金刚石聚晶保径（6），所述硬质合金条（5）和金刚石聚晶保径（6）均通过高温焊接固定在基体（1）上。
3.如权利要求1所述的一种脱钴PDC复合片钻头，其特征在于：所述基体（1）端面上还布设有通水孔（7），所述通水孔（7）出口端设置有排屑和冷却用的水槽（8）。
4.如权利要求1所述的一种脱钴PDC复合片钻头，其特征在于：所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.1-0.3毫米。
5.如权利要求1所述的一种脱钴PDC复合片钻头，其特征在于：所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.25-0.3毫米。
6.如权利要求1所述的一种脱钴PDC复合片钻头，其特征在于：所述脱钴PDC复合片切削齿中脱钴深度为0.3毫米。
7.一种如权利要求1所述的脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，其特征在于：该工艺的步骤如下：
S01：制备柱状基体；
S02：将硬质合金钢在温度为975-985℃、压力为16.5-19 MPa条件下与基体粘结在一起形成胎体，在压制胎体时预留基体端面径向排列的PDC复合片切削齿的齿穴、基体端面中心部位PDC复合片切削齿的齿穴和基体外侧硬质合金条和金刚石聚晶保径镶焊槽；
S03：在基体端面开设通水孔，在通水孔出口端开设排屑和冷却用水槽；
S04：将PDC复合片切削齿进行脱钴工艺处理；
S05： 670-720℃的温度下，将脱钴处理后的PDC复合片切削齿焊接固定在齿穴中，在基体外侧的镶焊槽中焊接硬质合金条和金刚石聚晶保径；
S06：脱钴PDC复合片钻头制备完成。
8.如权利要求7所述的一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，其特征在于：所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入与反应物的质量比为0.22%-0.30%的触媒剂，在温度为250-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.1~0.3毫米。
9.如权利要求7所述的一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，其特征在于：所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为300-350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.25~0.3毫米。
10.如权利要求7所述的一种脱钴PDC复合片钻头的制备工艺，其特征在于：所述步骤S04中脱钴工艺处理的步骤为：在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度为25%的氯气，加入0.22%-0.30%浓度的触媒剂，在温度为350℃、压力为1.5MPa~2.0MPa作用下脱去复合片金刚石表层中的钴，脱钴工艺处理后PDC复合片切削齿金刚石表层的脱钴深度为0.3毫米。
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