CN103911536A - 含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料 - Google Patents

Abstract

本发明为含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，解决巳有刀具基体材料的高温红硬性不足，刀具不耐磨，刀具寿命偏低的问题。将89.5—91.5%的WC和8—10%的Co粉，添加稀土氧化物La₂O₃:0.25—0.5%和微量纳米VC抑制剂，其中WC的晶粒度为0.4微米，WC中含有Cr₂C₃约0.35%，Co的晶粒度为0.8微米。球磨80小时后加入混合原材料总重量2%的石蜡，再球磨2小时，将料浆干燥。在均匀化处理后过筛，制粒，经过模压后在真空—加压一体炉内于1400℃下烧结制成硬质合金刀片。本发明与目前普遍使用的细颗粒双高硬质合金材料制成石油管螺纹加工专用硬质合金刀片进行切削试验，前者使用寿命为后者的1倍以上。

Description

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料

 

技术领域：

本发明涉及一种具有高强度高硬度高温红硬性好的高性能硬质合金刀具材料，特别适用于含Cr高钢级石油管螺纹的加工刀具。

背景技术：

随着油气勘探及开采不断发展，石油管面临的地质条件日益复杂，腐蚀环境越来越严酷，对其性能的要求也越来越高。石油管材料往往都是高强度、高硬度、耐腐蚀的高钢级难加工材料。含Cr高钢级合金钢材料，具有较优的综合性能，常作为石油管螺纹管材，可在高温、高压、耐腐蚀等恶劣条件下工作。但这些含Cr高钢级合金钢材料在性能提高的同时，为加工带来了一定的困难，在材料去除率较高的螺纹加工中表现尤为突出。     目前含Cr高钢级合金钢材料所使用的加工刀具多采用高强度高硬度硬质合金基体加上高性能涂层，基体材料的高温红硬性不足，往往造成刀具不耐磨而破损，造成刀具寿命偏低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高温红硬性好，耐磨性好，使用寿命长的含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料。

本发明是这样实现的：

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料由如下重量百分比的原料制成： WC：89.5—91.5%，Co：8—10%，稀土氧化物La₂O₃ :0.25—0.5%，纳米VC抑制剂:0.2—0.25%，其中WC的晶粒度为0.4微米，WC中含有Cr₂C₃:0.32—0.37%，Co的晶粒度为0.8微米。

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料的制备方法包括如下步骤：

（1）湿磨：按组分配料，将配制好的原材料加入滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，并在湿磨最终阶段加入混合原材料总重量2%的石蜡做为成型剂；

（2）干燥：球磨到规定时间后将料浆于320目筛网过滤，在双锥真空干燥器内干燥，干燥温度为75～95℃；

（3）均匀化：干燥后的粉末在均匀化设备上均匀化处理，然后过40目筛网；

（4）制粒：将均匀化后的粉末进行擦筛预制粒，最后在圆筒制粒机上滚动制粒，制成混合料；

（5）压制：将步骤4制得的粒料在压机上压制成型；

（6）烧结：放入脱脂加压一体炉中进行烧结，制得硬质合金试样及刀片基体。

步骤（1）中，球磨介质为正已烷，正已烷与原料液固比为350～400ml/Kg，球磨时间为82小时，球与原料重量比为4：1，球为Ф8的YG8硬质合金球，湿磨80小时后将混合原材料总重量2%的成型剂石蜡加入球磨机，并继续球磨2小时后卸料；

步骤（6）中，烧结在300Kg脱脂加压一体炉中进行，烧结过程分为三个阶段——脱蜡阶段：温度从室温升高到400℃，时间8h；固相烧结阶段：温度从400℃升至1250℃，时间为1.5h；终烧阶段：温度为1400℃，保温45分钟后通入4—5MP的氩气；使温度在30分钟内迅速降至800℃以下，烧结出制品。

本发明与现有技术相比优点如下：

（1）本发明能够制备出一种高强度、高硬度和高温红硬性好的硬质合金刀具材料，用其制备的刀具具备很高的耐磨性、抗冲击强度和抗断裂韧性，特别适合硬度大于HRC45以上的合金钢的加工，也适用于镍基合金、耐热不锈钢、钛合金等难加工材料的加工；

（2）本发明制备的硬质合金刀具材料具有很高硬度和耐磨性，不仅因为添加了抑制剂纳米VC，还因为在晶粒度为0.4微米的WC中含有Cr₂C₃，这种在W碳化阶段加入的抑制剂，比起碳化后加入，抑制剂在混合粉末中的分布更均匀，WC有更大的弥散性和显微结构的高度均匀性；

（3）本发明在双高基体材料中添加稀土氧化物La2O3，它净化了WC/Co界面并改善其浸润性，同时沉积在WC晶界处形成弥散的质点，起到细化晶粒的作用，提高基体材料的耐磨性能，制得的硬质合金刀具基体材料的抗弯强度≥3000Mpa，洛氏硬度HRA≥93，大大提高了刀具的使用寿命。     对比产品YG10X，其抗弯强度为3318MPa；洛氏硬度为92.5。从表1可以看出本发明GY1制得的刀片比YG10X制得的刀片寿命至少提高1倍以上。

对比产品YG8X，其抗弯强度为3200MPa，洛氏硬度为93。从表2可以看出本发明GY2制得的刀片寿命比YG8X制得的刀片寿命至少提高1倍以上。

具体实施方式：

实施例1：

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，其原料各组分重量百分比为：WC：89.5%，Co：10.0%，La₂O₃：0.25%，VC：0.25%；其中WC的晶粒度为0.4微米（WC粉中含有Cr2C3为0.32—0.37%），Co的晶粒度0.8微米。

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料的制备方法，采用如下步骤制得：

（1）湿磨：按组分配料，将配制好的原材料加入滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，液固比为350ml/Kg，球磨时间为82小时；湿磨用的是Ф8的YG8硬质合金球，球与原料重量比为4∶1，湿磨80小时后将重量为混合原材料2%的成型剂石蜡加入球磨机，并继续球磨2小时后卸料；

（2）干燥：球磨到规定时间后将料浆过320目筛网过滤，在双锥真空干燥器内干燥，干燥温度为80℃；

（3）均匀化：干燥后的粉末在专用设备上均匀化处理，然后过40目筛网；

（4）制粒：将均匀化后的粉末进行擦筛预制粒，最后在圆筒制粒机上滚动制粒，制成混合料；

（5）压制：将步骤4制得的粒料在压机上压制成试样及刀片基体；

（6）烧结：放入脱脂加压一体炉中进行烧结，烧结过程分为三个阶段——脱蜡阶段：温度从室温升高到400℃，时间8h；固相烧结阶段：温度从400℃升至1250℃，时间为1.5h；终烧阶段：温度为1400℃，保温45分钟后通入5MPa的氩气，使温度迅速在30分钟内降温到800℃以下，制得硬质合金刀具基体材料GY1。测得其抗弯强度为3356MPa；洛氏硬度为92。

实验例1

对比产品双高硬质合金YG10X抗弯强度为3318MPa；洛氏硬度为92.5。将YG10X制成与GY1制得的相同的硬质合金刀具毛坯，经磨削、刃磨处理和涂层（涂层为TiAlN），制得BC5BW1—32刀片，切削管径为7英寸的石油管，石油管材质为BG 110—3Cr，切削速度为110m/min，具体情况如表1。从表1可以看出GY1制得的刀片比YG10X制得的刀片寿命至少提高1倍以上。

表1 GY1与YG10X制得的刀片寿命对比

实施例2：

含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，原料各组分重量百分比为：WC：91.5%，Co：8.0%，La₂O₃:  0.3%，VC：0.2%。其中WC的晶粒度为0.4微米（WC粉中含Cr2C3为0.32—0.37%），Co的晶粒度0.8微米。

上述含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料的制备方法，采用如下步骤制得：

（1）湿磨：按组分配料，将配制好的原材料加入滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，液固比为350ml/Kg，球磨时间为82小时；湿磨用的是Ф8的YG8硬质合金球，球与原料重量比为4：1，湿磨80小时后将重量为混合原材料2%的成型剂石蜡加入球磨机，并继续球磨2小时后卸料；

（2）干燥：球磨到规定时间后将料浆过320目筛网过滤，在双锥真空干燥器内干燥，干燥温度为80℃；

（3）均匀化：干燥后的粉末在专用设备上均匀化处理，然后过40目筛网；

（4）制粒：将均匀化后的粉末进行擦筛预制粒，最后在圆筒制粒机上滚动制粒，制成混合料；

（5）压制：将步骤4制得的粒料在压机上压制成试样及刀片基体；

（6）烧结：放入脱脂加压一体炉中进行烧结，烧结过程分为三个阶段——脱蜡阶段：温度从室温升高到400℃，时间8h；固相烧结阶段：温度从400℃升至1250℃，时间为1.5h；终烧阶段：温度为1400℃，保温45分钟后通入5MPa的氩气，使温度迅速在30分钟内降温到800℃以下，制得硬质合金刀具GY2。测得其抗弯强度为3268MPa；洛氏硬度为93.2。

实验例2

对比产品YG8X抗弯强度为3200MPa，洛氏硬度为93。将YG8X制成与GY2制得的相同的硬质合金刀具毛坯，经磨削、刃磨处理和涂层（涂层为TiAlN），制得BC8BN1—1刀片，切削管径为2— 7/8英寸的石油管，石油管材质为BG90S—3Cr，切削速度为140m/min，具体情况如表2。从表2可以看出GY2制得的刀片寿命比YG8X制得的刀片寿命至少提高1倍以上。

表2 GY2与YG8X制得的刀片寿命对比

Claims (3)

1.含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，其特征在于由如下重量百分比的原料制成： WC：89.5—91.5%，Co：8—10%，稀土氧化物La₂O₃ :0.25—0.5%,纳米VC抑制剂:0.2—0.25%,其中WC的晶粒度为0.4微米,WC中含有Cr₂C₃:0.32—0.37%，Co的晶粒度为0.8微米。

2.根据权利要求1所述含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，其特征在于其制备方法包括如下步骤：

（1）湿磨：按组分配料，将配制好的原材料加入滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，并在湿磨最终阶段加入混合原材料总重量2%的石蜡做为成型剂；

（2）干燥：球磨到规定时间后将料浆于320目筛网过滤，在双锥真空干燥器内干燥，干燥温度为75～95℃；

（3）均匀化：干燥后的粉末在均匀化设备上均匀化处理，然后过40目筛网；

（4）制粒：将均匀化后的粉末进行擦筛预制粒，最后在圆筒制粒机上滚动制粒，制成混合料；

（5）压制：将步骤4制得的粒料在压机上压制成型；

（6）烧结：放入脱脂加压一体炉中进行烧结，制得硬质合金试样及刀片基体。

3.根据权利要求2所述的含Cr高钢级石油管螺纹加工用硬质合金刀具材料，其特征在于：

步骤（1）中，球磨介质为正已烷，正已烷与原料液固比为350～400ml/Kg，球磨时间为82小时，球与原料重量比为4∶1，球为Ф8的YG8硬质合金球，湿磨80小时后将混合原材料总重量2%的成型剂石蜡加入球磨机，并继续球磨2小时后卸料；

步骤（6）中，烧结在300Kg脱脂加压一体炉中进行，烧结过程分为三个阶段——脱蜡阶段：温度从室温升高到400℃，时间8h；固相烧结阶段：温度从400℃升至1250℃，时间为1.5h；终烧阶段：温度为1400℃，保温45分钟后通入4—5MP的氩气；使温度在30分钟内迅速降至800℃以下，烧结出制品。