CN104174964A - 钢体钻头表面二次硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢体钻头表面二次硬化方法，该方法首先对钻头刀翼的齿窝和排削槽上的水眼镶嵌石墨替代块进行焊接前保护，然后将钻头预加热到堆焊需要的温度，采用碳化钨管状焊条对钻头冠部进行氧气乙炔焰堆焊，再用镍基自熔性合金粉末对堆焊层进行一次喷焊，最后通过保温缓慢冷却的方式消除焊接的残余应力。本发明先后使用了堆焊和喷焊的两次表面硬化工艺，本发明的方法能够有效地提高钻头的耐磨性和耐冲蚀的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了钻头的生产周期。

Description

钢体钻头表面二次硬化方法
技术领域
本发明涉及金属表面硬化技术，更具体地说涉及一种通过堆焊和喷焊实现钢体钻头表面二次硬化的方法。
背景技术
PDC钻头按基体材质分为胎体、钢体两种，但制造工艺截然不同。钢体钻头造型不必受刀翼强度的限制，钻头冠部主体强度高，复合片的钎焊强度高，使用后易于修复，生产工艺流程短，生产效率高，生产成本低，比胎体钻头具有更多的优越性。随着高压喷射钻井技术的不断完善，钻井泵压不断提高，钢体钻头的冲蚀失效问题日益加重，严重影响了钻井速度。因此，提高钻头的耐冲蚀性能才能提高钢体钻头的应用范围。
针对上述问题，现有技术中通常采用堆焊的方法，即使用氧气乙炔焰的方法熔化碳化钨管状焊条将其堆焊在钻头表面。堆焊是在零件表面熔覆上一层耐磨、耐热、耐蚀等具有特殊性能合金层的技术。堆焊的物理本质和冶金过程与一般的熔焊工艺没有什么区别。实现堆焊层与基体之间、堆焊层内颗粒之间的冶金结合，这种方法的堆焊层与基体的结合强度高，在各种复杂钻井条件下都很难发生堆焊层脱落的问题。
但堆焊的方法也存在如下问题：堆焊层的耐磨性不高，钻头的冠部和保径在研磨性地层易于磨损；堆焊的致密性较低，碳化钨管状焊条熔化后的流动性很低，堆焊后表面凹凸不平；在制造钻头中，需要对堆焊层表面进行长时间的打磨，甚至在堆焊层表面刮腻子灰，再打磨以达到较高的表面光洁度，降低了钻头的生产效率。
在钻头修复中，部分钻头受到磨损，现有技术中通常使用喷焊方法，采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙喷焊层组织致密；喷焊冶金缺陷少，与基材结合强度高，强度最高达到400MPa；喷焊层表面光滑成镜面，喷焊后钻头无需进行后无需打磨处理，钻头生产效率高。但喷焊效率较低，一般喷焊层厚度不超过1mm，因此喷焊技术只用在旧钻头的修复上，没有应用到新钻头的表面硬化处理中。
现有技术中，中国发明专利CN103045985A公开了一种钢体PDC 钻头表面强化防护工艺，该工艺使用了热喷涂的方法硬化钻头表面。热喷涂热喷涂是采用各种热源使涂层加热熔化或半熔化，利用高速气体是涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷涂可在各种基体上制备各种材质的涂层，而且基体温度低，变形小，热影响区小，操作灵活，涂层厚度范围宽，涂层表面光滑成镜面，喷涂后钻头无需进行后续打磨处理，钻头生产效率高。但热喷涂技术中涂层与基材的结合机理主要为机械结合或称“抛锚作用”，即最先形成的薄片颗粒与基体表面凹凸不平出产生机械咬合为主的喷涂层。机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的5%～30%，最高也只能达到70MPa，因此钻头上涂层容易发生脱层现象。热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低，浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种钢体钻头表面二次硬化方法,能够有效地提高钻头的耐磨性和耐冲蚀的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了钻头的生产周期。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
A.在钻头刀翼的齿窝和排削槽上的水眼内分别镶嵌切削齿石墨替代块和喷嘴石墨替代块进行焊接前保护；
B.将钻头预加热到堆焊需要的温度；
C.采用碳化钨管状焊条对钻头需要表面硬化处理的区域进行氧气乙炔焰堆焊；
D.用镍基自熔性合金粉末对堆焊层进行喷焊；
E.对喷焊后的钻头进行保温缓慢冷却，以消除焊接的残余应力。
钻头表面硬化的范围包含刀翼的外侧面和水眼出水口的四周，需要在刀翼上的齿窝和水眼内安装石墨替代块进行保护屏蔽；其中刀翼的外侧面包括刀翼的内锥、顶部、外锥、保径以及刀翼的前端面、后端面和上端面；所述刀翼前端面、后端面需要硬化处理的宽度为20-30mm；所述刀翼上端面需要硬化处理的宽度为10mm。
在步骤B中，具体的预加热方法是将钻头竖直置于钎焊炉中，然后使钻头预加热到堆焊所需的温度，要求升温速率3-5℃ /min，预热温度为550℃。
步骤C和D轮替地进行表面硬化处理，具体步骤为：
C1.对钻头全部刀翼的内锥、顶部和水眼出水口的四周进行堆焊；
C2.对钻头全部刀翼的内锥、顶部和水眼出水口的四周进行喷焊；
C3.将钻头从钎焊炉中取出，且横向装夹在旋转焊机上，钻头可绕轴线自由转动；
C4.转动钻头，使其中一个刀翼的外锥和保径位于钻头的最上方，再先后对该刀翼的外锥和保径分别进行堆焊、喷焊；
C5.转动钻头，重复步骤C4的方法依次完成所有刀翼外锥和保径的堆焊、喷焊；
C6.转动钻头，使其中一个刀翼的前端面处于水平向上，再先后对该刀翼的前端面进行堆焊、喷焊；
C7.重复C6的步骤对所有刀翼的前端面完成堆焊、喷焊；
C8.转动钻头，使其中一个刀翼的后端面处于水平向上，再先后对该刀翼的后端面进行堆焊、喷焊；
C9.重复C8的步骤对所有刀翼的后端面完成堆焊、喷焊；
C10.将钻头从旋转焊机上取下，将其竖直置放，使钻头的接头向上，再先后对刀翼最上部的端面进行堆焊、喷焊。
在步骤C中，堆焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化钨管状焊条，焊条直径2—5mm，直径为2mm的碳化钨管状焊条用于堆焊刀翼的内锥、顶部、外锥和刀翼的前端面，其余部位的喷焊使用直径为5mm的碳化钨管状焊条。
在步骤D中，喷焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；喷焊采用镍基自熔性合金粉末Ni60,喷焊后使表面硬度达HRC≥ 55。
步骤C堆焊层厚度1—1.5mm；步骤D喷焊层厚度为0.5—1mm；钻头表面两次硬化的厚度为2—2.5mm。 
在步骤E 中，将钻头放入保温箱中，在钻头上覆盖30—50mm厚的保温棉或保温砂，保温缓慢冷却至常温。
在上述技术方案中，本发明的钢体钻头表面二次硬化方法有益效果是：
1.通过在刚体钻头表面先后进行堆焊和喷焊两次硬化方法，使堆焊层与工件之间实现冶金结合，其结合强度高，堆焊层不易发生脱层；
2.喷焊的方法使钻头表面耐磨性提高，并提高了钻头的耐冲蚀性能；
3.喷焊层表面光滑成镜面，喷焊后钻头无需进行后无需打磨处理，钻头生产效率高，降低了钻头的生产周期。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明钻头需要表面硬化处理的范围示意图。
图3是本发明硬化处理刀翼内锥、顶部和水眼四周时钻头的俯视图。
图4是本发明硬化处理刀翼外锥、保径和前后端面时钻头的位置图。
图5是本发明硬化处理刀翼上端面时钻头的俯视图。
图6是本发明两次硬化处理刀翼的剖视结构图。
图中标记：11-切削齿石墨替代块；12-喷嘴石墨替代块；21-刀翼内锥；22-刀翼顶部；23-刀翼外锥；24-钻头保径；25-刀翼前端面；26-刀翼后端面；27-水眼四周；28-刀翼上部端面；31-堆焊层；32-喷焊层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的钢体钻头表面二次硬化方法具体包括以下步骤：
A.在钻头刀翼的齿窝和排削槽上的水眼内分别镶嵌切削齿石墨替代块11和喷嘴石墨替代块12进行焊接前保护；
B.将钻头预加热到堆焊需要的温度；
C.采用碳化钨管状焊条对钻头需要表面硬化处理的区域进行氧气乙炔焰堆焊；
D.用镍基自熔性合金粉末对堆焊层进行喷焊； 
E.对喷焊后的钻头进行保温缓慢冷却，以消除焊接的残余应力。
如图2至图5所示，以8寸半、5刀翼的PDC钻头为例，在步骤A中确定将要进行表面硬化处理的范围是刀翼的内锥21、顶部22、外锥23、保径24、刀翼的前端面25、后端面26、水眼的四周27和刀翼的上部端面28。为了避免两次硬化处理堆焊和喷焊的熔液或焊渣掉出水眼内和刀翼上的齿窝内固结，影响钻头后续制造，需要在钻头的齿窝和水眼内镶嵌石墨替代块。
在步骤B中，具体的预加热方法是将钻头竖直置于钎焊炉中，然后使钻头预加热到堆焊所需的温度，要求升温速率3-5℃ /min，预热温度为550℃。
钻头加热到预定稳定后，对钻头进行轮替的堆焊和钎焊作业，其中堆焊的工艺参数为：堆焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化钨管状焊条，焊条直径2—5mm，直径为2mm的碳化钨管状焊条用于堆焊刀翼的内锥21、顶部22、外锥23和刀翼的前端面25，其余部位的喷焊使用直径为5mm的碳化钨管状焊条；堆焊层31的厚度为1—1.5mm。
喷焊的工艺参数为：喷焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；喷焊采用镍基自熔性合金粉末Ni60,喷焊后使表面硬度达HRC≥ 55；喷焊层32厚度为0.5—1mm。
步骤C堆焊和步骤D喷焊的具体的作步骤如下：
C1.对钻头全部刀翼的内锥21、顶部22和水眼出水口的四周27进行堆焊；
C2.对钻头全部刀翼的内锥21、顶部22和水眼出水口的四周27进行喷焊；
C3.将钻头从钎焊炉中取出，且横向装夹在旋转焊机上，钻头可绕轴线自由转动；
C4.转动钻头，使其中一个刀翼的外锥和保径位于钻头的最上方，再先后对该刀翼的外锥23和保径24分别进行堆焊、喷焊；
C5.转动钻头，重复步骤C4的方法依次完成剩余4个刀翼外锥23和保径24的堆焊、喷焊；
C6.转动钻头，使其中一个刀翼的前端面25处于水平向上，再先后对该刀翼的前端面25进行堆焊、喷焊；
C7.重复C6的步骤对剩余4个刀翼的前端面25完成堆焊、喷焊；
C8.转动钻头，使其中一个刀翼的后端面26处于水平向上，再先后对该刀翼的后端面26进行堆焊、喷焊；
C9.重复C8的步骤对剩余4个刀翼的后端面26完成堆焊、喷焊；
C10.将钻头从旋转焊机上取下，将其竖直置放，使钻头的接头向上，再先后对5的刀翼最上部的端面28进行堆焊、喷焊。
堆焊、钎焊硬化刀翼内锥21、顶部22和水眼四周27时的钻头位置如图3所示，其中硬化刀翼水眼四周27的范围是距离水眼外侧5mm的圆环带内。图4表示出堆焊、钎焊硬化刀翼外锥23、保径24和前后端面时钻头的位置是水平装夹在旋转焊机上，图6表示出刀翼的前后端面需要硬化处理的宽度是20—30mm。堆焊、钎焊硬化刀翼上端面28时的钻头位置如图5所示的竖直置放且接头向上，需要硬化处理的是在刀翼上端面28距离外沿10mm的范围内。
最后将钻头放入保温箱中，在钻头上覆盖30—50mm厚的保温棉或保温砂，保温缓慢冷却至常温，以消除或降低钻头进行两次硬化处理产生的热应力。一般8寸半钻头的冷却时间在12—15小时内。
采用本发明的钢体钻头表面二次硬化方法，能够有效地提高钻头的耐磨性和耐冲蚀的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了钻头的生产周期。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，
而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.在钻头刀翼的齿窝和排削槽上的水眼内分别镶嵌切削齿石墨替代块（11）和喷嘴石墨替代块（12）进行焊接前保护；
B.将钻头预加热到堆焊需要的温度；
C.采用碳化钨管状焊条对钻头需要表面硬化处理的区域进行氧气乙炔焰堆焊；
D.用镍基自熔性合金粉末对堆焊层进行喷焊；
E.对喷焊后的钻头进行保温缓慢冷却，以消除焊接的残余应力。
2.如权利要求1所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：钻头表面硬化的范围包含刀翼的外侧面和水眼出水口的四周（27)，需要在刀翼上的齿窝和水眼内安装石墨替代块进行保护屏蔽；其中刀翼的外侧面包括刀翼的内锥（21）、顶部（22）、外锥（23）、保径（24）以及刀翼的前端面（25）、后端面（26）和上端面（28）；所述刀翼前端面(25)、后端面(26)需要硬化处理的宽度为20-30mm；所述刀翼上端面(28)需要硬化处理的宽度为10mm。
3.如权利要求1所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：在步骤B中，具体的预加热方法是将钻头竖直置于钎焊炉中，然后使钻头预加热到堆焊所需的温度，要求升温速率3-5℃ /min，预热温度为550℃。
4.如权利要求1和2所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：步骤C和D轮替地进行表面硬化处理，具体步骤为：
C1.对钻头全部刀翼的内锥(21)、顶部(22)和水眼出水口的四周(27)进行堆焊；
C2.对钻头全部刀翼的内锥(21)、顶部(22)和水眼出水口的四周(27)进行喷焊；
C3.将钻头从钎焊炉中取出，且横向装夹在旋转焊机上，钻头可绕轴线自由转动；
C4.转动钻头，使其中一个刀翼的外锥(23)和保径(24)位于钻头的最上方，再先后对该刀翼的外锥(23）和保径（24）分别进行堆焊、喷焊；
C5.转动钻头，重复步骤C4的方法依次完成所有刀翼外锥（23）和保径（24）的堆焊、喷焊；
C6.转动钻头，使其中一个刀翼的前端面（25）处于水平向上，再先后对该刀翼的前端面（25）进行堆焊、喷焊；
C7.重复C6的步骤对所有刀翼的前端面（25）完成堆焊、喷焊；
C8.转动钻头，使其中一个刀翼的后端面（26）处于水平向上，再先后对该刀翼的后端面（26）进行堆焊、喷焊；
C9.重复C8的步骤对所有刀翼的后端面（26）完成堆焊、喷焊；
C10.将钻头从旋转焊机上取下，将其竖直置放，使钻头的接头向上，再先后对刀翼最上部的端面（28）进行堆焊、喷焊。
5.如权利要求1所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：钻头放入保温箱中，在钻头上覆盖30—50mm厚的保温棉或保温砂，保温缓慢冷却至常温。
6.如权利要求1和4所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：所述步骤C堆焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化钨管状焊条，焊条直径2—5mm，直径为2mm的碳化钨管状焊条用于堆焊刀翼的内锥（21）、顶部922)、外锥(23)和刀翼的前端面(25)，其余部位的喷焊使用直径为5mm的碳化钨管状焊条。
7.如权利要求1和4所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：所述步骤D喷焊使用氧气乙炔焰的方式，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.15Mpa，堆焊时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；喷焊采用镍基自熔性合金粉末Ni60,喷焊后使表面硬度达HRC≥ 55。
8.如权利要求1、7和8所述的钢体钻头表面二次硬化方法，其特征在于：所述步骤C堆焊层(31)厚度1—1.5mm；所述步骤D喷焊层(32)厚度为0.5—1mm；钻头表面两次硬化的厚度为2—2.5mm。
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