CN104588647B - 环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具，该模具包括有上模、下模和砂芯，下模内同心放置砂芯，在砂芯的外侧套设一底部设有外缘的第一套筒，在第一套筒外侧且位于外缘上方设有一第二套筒，第二套筒与第一套筒之间具有设置多个块状聚晶金刚石的环形间隙；在环形间隙上方且位于第一套筒顶部固定设有一套设在砂芯外侧的套环体；上模为卡设在下模上方的一环形容器，容器底面设有透孔；该加工方法包括拌粉、清洗、粘块、组装、烧结和机加工等步骤；可实现环式金刚石复合材料防磨带的加工和块状聚晶金刚石在防磨带中的优化有序排布，提高防磨带的加工质量和效率，降低加工成本；该方法操作方便，省工省时，金刚石排布质量高，成型率高。

Description

环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具

技术领域

本发明是关于一种油田钻井用钻具的制造技术，尤其涉及一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具。

背景技术

目前常规的钻杆接头防磨带在井身结构简单、一般研磨性地层中可以实现防止钻杆接头磨损和保护套管的作用，但在研磨性较强的地层中或井身结构较复杂的井中，常规防磨带的耐磨性已经不能满足使用条件要求，钻杆接头磨损严重，钻杆寿命明显降低；同时常规防磨带对套管的磨损还较严重。鉴于上述公知技术存在的缺陷，一种金刚石复合材料钻杆接头防磨带已研制成功，该防磨带成环状，这种防磨带不仅具有极强的耐磨性，增强了钻杆接头的耐磨能力，同时摩擦系数小，摩擦阻力低，对套管的磨损能力弱，对套管有良好的保护作用。

粉末冶金是金刚石工具制造中应用最广泛的方法，其中多数采用热压法。块状聚晶金刚石的耐热温度最高可达1200℃，而热压法的烧结温度一般在1200℃以上，这对金刚石的性能、寿命等造成严重影响；热压法合成压力一般为15-18Mpa，金刚石表面容易出现微小裂纹，影响材料的正常使用，严重时会使金刚石破损或崩碎；而且热压法也无法实现块状聚晶金刚石的优化有序排布，人工排布好后再烧结也会因为压力过大而使金刚石排序混乱，如果块状聚晶金刚石在防磨带中是随机或无序分布，块状聚晶金刚石就会因为受力不均等原因而造成聚晶金刚石磨损不一致，而出现尖锐棱角，这会造成套管磨损严重，防磨带也易出现剥落掉块而失效。因此有必要提供一种加工方法来实现环式金刚石复合材料防磨带的加工，以及块状聚晶金刚石在这种防磨带中的优化有序排布。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具，以实现环式金刚石复合材料防磨带的加工和块状聚晶金刚石在防磨带中的优化有序排布，提高防磨带的加工质量和效率，降低加工成本。

本发明的另一目的在于提供一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法及模具，该方法操作方便，省工省时，缺陷少，块状聚晶金刚石排布质量高，成型率好。

本发明的目的是这样实现的，一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，首先提供一加工模具，该加工模具包括有上模、下模和砂芯，所述下模为圆环体并水平放置在一平台上，下模内同心放置所述砂芯，砂芯与下模内壁形成环形空间，在砂芯的外侧套设一底部设有外缘的第一套筒，所述第一套筒的外缘抵靠于下模内壁，在所述第一套筒外侧且位于所述外缘上方设有一第二套筒，所述第二套筒的外壁抵靠于下模内壁，所述第二套筒与第一套筒之间具有设置多个块状聚晶金刚石的环形间隙；在所述环形间隙上方且位于第一套筒顶部固定设有一套设在砂芯外侧的套环体；所述上模为卡设在下模上方的一环形容器，该环形容器的底面设有多个连通于下模内部的透孔；

所述加工方法包括以下步骤：

(1)拌粉：将防磨基底材料配方中各种粉末按设计含量要求放入混料罐中，混料时间不少于两小时，保证粉末的均匀混合；

(2)清洗:对第二套筒和多个块状聚晶金刚石进行清洗，确保块状聚晶金刚石的外表面和第二套筒的内表面上无影响粘接性能的杂质存在；

(3)粘块：将设计好的块状聚晶金刚石排布方案按实际尺寸制成双面胶条，并将多个块状聚晶金刚石粘接在双面胶条一面的对应位置上；将粘有聚晶金刚石的双面胶条的另一面贴在第二套筒的内表面上；

(4)组装：将粘有聚晶金刚石的第二套筒放入下模中的相应位置，将上述混合好的防磨基底材料粉末倒入下模内，在震动机上震实后，将上模卡设在下模上，并在上模内部放入适量的粘结合金；

(5)烧结：将组装好的模具放入烧结炉中采用无压浸渗工艺进行烧结，得到钻杆接头防磨带；

(6)机加工：将烧结后的防磨带从烧结炉中取出，并对防磨带进行机加工，使防磨带的实用尺寸满足使用要求。

在本发明的一较佳实施方式中，所述块状聚晶金刚石为石油、地质用热稳定聚晶金刚石，其形状为圆柱体、棱柱体、长方体、弧面长方体或长圆形柱体。

在本发明的一较佳实施方式中，所述块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案为单列、双列或多列排布；

在本发明的一较佳实施方式中，每列上的多个块状聚晶金刚石按等距离设置。

在本发明的一较佳实施方式中，每列上的多个块状聚晶金刚石按等角度设置。

在本发明的一较佳实施方式中，每列上的多个块状聚晶金刚石按交错方式设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述防磨基底材料是由铸造碳化钨粉末与铜粉末、钴粉末、镍粉末、磷粉末中的一种粉末或任意几种粉末按照一定比例混合而成；所述粘结合金为铜基合金、镍基合金、钴基合金中的一种或任意几种的混合。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(5)中，在烧结炉空腔内放入适量的块状石墨，开始烧结，烧结温度为1040℃～1100℃，使熔融的粘结合金逐渐从透孔浸渗到下模中，保温30～50分钟；然后随炉冷却至将至900℃，取出空冷，制得环式金刚石复合材料钻杆接头防磨带，烧结后的材料之间的粘结强度≥60MPa。

本发明的目的还可以这样实现，一种环式金刚石复合材料防磨带的加工模具，该加工模具包括有上模、下模和砂芯，所述下模为圆环体并水平放置在一平台上，下模内同心放置所述砂芯，砂芯与下模内壁形成环形空间，在砂芯的外侧套设一底部设有外缘的第一套筒，所述第一套筒的外缘抵靠于下模内壁，在所述第一套筒外侧且位于所述外缘上方设有一第二套筒，所述第二套筒的外壁抵靠于下模内壁，所述第二套筒与第一套筒之间具有设置多个块状聚晶金刚石的环形间隙；在所述环形间隙上方且位于第一套筒顶部固定设有一套设在砂芯外侧的套环体；所述上模为卡设在下模上方的一环形容器，该环形容器的底面设有多个连通于下模内部的透孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述砂芯的顶面为中间高、四周低的锥面；所述套环体与第一套筒顶部焊接固定；所述第二套筒的上端由其内壁向外壁形成一渐扩的斜面。

由上所述，本发明可以实现环式金刚石复合材料防磨带的加工和块状聚晶金刚石在防磨带中的优化有序排布，提高防磨带的加工质量和效率，降低加工成本；该加工方法操作方便，省工省时，缺陷少，块状聚晶金刚石排布质量高，成型率高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为采用本发明加工方法制作的钻杆接头防磨带的成品结构示意图。

图2A：为本发明中加工模具的结构示意图。

图2B：为加工模具中第一套筒的结构示意图。

图2C：为加工模具中第二套筒的结构示意图。

图2D：为加工模具中套环体的结构示意图。

图2E：为加工模具中上模的结构示意图。

图3：为本发明加工方法的流程示意图。

图4A：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案一示意图(三角柱体金刚石三排排列)。

图4B：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案二示意图(长圆形柱体金刚石两排平行排列)。

图4C：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案三示意图(长圆形柱体金刚石两排等角度倾斜排列)。

图4D：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案四示意图(长圆形柱体金刚石两排等角度倾斜交错排列)。

图4E：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案五示意图(多种形状的金刚石多排规则排列)。

图4F：为块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案六示意图(圆柱体金刚石四排交错排列)。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为采用本发明环式金刚石复合材料防磨带的加工方法制作的防磨带9，该防磨带9呈环状，由钢衬底91、防磨基底材料层92和在钢衬底91外表面有序排布的多个块状聚晶金刚石93构成；这种防磨带9不仅具有极强的耐磨性，可以增强钻杆接头的耐磨能力，同时摩擦系数小，摩擦阻力低，对套管的磨损能力弱，对套管有良好的保护作用。

如图2A～图2E所示，本发明的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，首先要提供(制作)一套加工模具100，该加工模具100包括有上模1、下模2和砂芯3，所述下模2为圆环体并水平放置在一平台8上，下模2内同心放置所述砂芯3，砂芯3与下模2内壁形成环形空间，在砂芯3的外侧套设一底部设有外缘41的第一套筒4，所述第一套筒的外缘41抵靠于下模2内壁，在所述第一套筒4外侧且位于所述外缘41上方设有一第二套筒5，所述第二套筒5的外壁抵靠于下模2的内壁，所述第二套筒5与第一套筒4之间具有设置多个块状聚晶金刚石93的环形间隙；在所述环形间隙上方且位于第一套筒4顶部固定设有一套设在砂芯3外侧的套环体6；所述上模1为卡设在下模2上方的一环形容器，该环形容器的底面设有多个连通于下模2内部(内腔)的透孔11，所述透孔11以环形排布方式设置多个，用作焊料注入口使用；在本实施方式中，所述砂芯3的顶面为中间高、四周低的锥面31；所述第二套筒5的上端由其内壁向外壁形成一渐扩的斜面51。

如图3所示，本发明的加工方法包括以下具体步骤：

(1)拌粉：将防磨基底材料配方中各种粉末按设计含量要求放入混料罐中，混料时间不少于两小时，保证粉末的均匀混合；

所述防磨基底材料是由铸造碳化钨粉末与铜粉末、钴粉末、镍粉末、磷粉末中的一种粉末或任意几种粉末按照一定比例混合而成；该防磨基底材料配方为现有技术；

其中一种配方成分及其含量(重量百分比)为：铸造碳化钨79.18％，钴12％，镍8％，磷0.12％；

(2)清洗:对第二套筒5和多个块状聚晶金刚石93进行清洗，确保块状聚晶金刚石的外表面和第二套筒5的内表面上无影响粘接性能的杂质存在；

(3)粘块：将设计好的块状聚晶金刚石排布方案按实际尺寸制成双面胶条，并将多个块状聚晶金刚石93粘接在双面胶条一面的对应位置上；将粘有聚晶金刚石的双面胶条的另一面粘贴在第二套筒5的内表面(内壁)上；

如图4A～图4F所示，在本实施方式中，所述块状聚晶金刚石93为石油、地质用热稳定聚晶金刚石，其形状可以为圆柱体、棱柱体、长方体、弧面长方体或长圆形柱体。

所述块状聚晶金刚石93在双面胶条7上的排布方案可以为单列、双列或多列排布；每列上的多个块状聚晶金刚石按等距离设置、按等角度设置和/或按交错方式设置。

在本实施方式中，所述双面胶条7的长度与第二套筒5的内壁圆周长度相同，以使双面胶条7对头完整地粘贴在第二套筒5的内表面上；

(4)组装：将粘有聚晶金刚石的第二套筒5放入下模2中的相应位置(即：第二套筒5放置在所述第一套筒4外侧且位于所述外缘41上方，此时第二套筒5的外壁抵靠于下模2的内壁)，在本实施方式中，第二套筒5入位后，再将套环体6固定(可采用焊接方式，以防止后续震动过程中套环体6移位或脱落)设置在第一套筒4顶部，此时套环体6也位于环形间隙的上方；然后，将上述混合好的防磨基底材料粉末倒入下模内，在震动机上震实后，将上模1卡设在下模2上，并在上模1内部放入适量的粘结合金；所述粘结合金为铜基合金、镍基合金、钴基合金中的一种或任意几种的混合。

在震动过程中，由于所述砂芯3的顶面为中间高、四周低的锥面31，并且所述第二套筒5的上端由其内壁向外壁形成一渐扩的斜面51；因此，防磨基底材料粉末很容易通过锥面31和斜面51进入第二套筒5与第一套筒4之间的环形间隙中，并填充到多个块状聚晶金刚石93之间的缝隙中；

(5)烧结：将组装好的模具放入烧结炉(图中未示出)中采用无压浸渗工艺进行烧结，以得到钻杆接头防磨带坯料(半成品)；

在该步骤中，在烧结炉空腔内放入适量的块状石墨，开始烧结，烧结温度为1040℃～1100℃，使熔融的粘结合金逐渐从透孔11浸渗到下模2中，保温30～50分钟；然后随炉冷却至将至900℃，取出空冷，制得环式金刚石复合材料钻杆接头防磨带坯料，烧结后的材料之间的粘结强度≥60MPa。

烧结后所述第一套筒4、第二套筒6、套环体6、排布的多个块状聚晶金刚石93以及防磨基底材料连接成一体，构成所述的防磨带坯料；

(6)机加工：将烧结后的防磨带坯料从烧结炉中取出，并对防磨带坯料进行机加工，使防磨带的实用尺寸满足使用要求。

所述机加工包括有以下步骤：A)粗车，对防磨带坯料进行粗加工，为后续的加工留出加工余量；B)精车，根据加工工艺参数对防磨带坯料进行精加工，加工出防磨带的整体外形；C)研磨，将防磨带外工作面进行粗研磨，使工作表面粗糙度降低；D)抛光，将粗研磨后的防磨带外工作面进行抛光，达到更高的表面的表面光洁度，以满足使用要求。

在本实施方式中，所述上模1、下模2、砂芯3、第一套筒4、第二套筒5和套环体6的中心轴向共线，以使烧结出的钻杆接头防磨带厚度均匀，不偏心。

在本发明的加工方法中，可通过改变块状聚晶金刚石的外形、尺寸、排列组合方式以及防磨带的整体尺寸等获得不同的钻杆接头防磨带，由此满足油田钻井用钻具在不同复杂钻井条件下的使用要求。

本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的加工方法可实现任意形状聚晶金刚石在防磨带中的有序排布。

2、本发明提供的加工方法，采用印有聚晶金刚石块排布方式的双面胶条将块状聚晶金刚石准确定位的方式，可实现金刚石块任意复杂排布，而且精度高、时间短，方便操作。

3、本发明提供的加工方法，通过无压浸渍烧结工艺在实现复杂结构防磨带加工的同时，也能保证上述块状聚晶金刚石定位方式的准确实现，可有效避免所设计的排布方式在烧结过程中发生偏移而失效。

4、本发明提供的加工方法和排布方式，其加工工艺简单，加工时间短，排布精度高，可极大提高工作效率和成品率。

通过本发明的加工方法加工出的钻杆接头防磨带耐磨性高，大大提高了钻杆接头防磨带的使用寿命，提高了金刚石制品的质量与可靠性。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，首先提供一加工模具，该加工模具包括有上模、下模和砂芯，所述下模为圆环体并水平放置在一平台上，下模内同心放置所述砂芯，砂芯与下模内壁形成环形空间，在砂芯的外侧套设一底部设有外缘的第一套筒，所述第一套筒的外缘抵靠于下模内壁，在所述第一套筒外侧且位于所述外缘上方设有一第二套筒，所述第二套筒的外壁抵靠于下模内壁，所述第二套筒与第一套筒之间具有设置多个块状聚晶金刚石的环形间隙；在所述环形间隙上方且位于第一套筒顶部固定设有一套设在砂芯外侧的套环体；所述上模为卡设在下模上方的一环形容器，该环形容器的底面设有多个连通于下模内部的透孔；

所述加工方法包括以下步骤：

(1)拌粉：将防磨基底材料配方中各种粉末按设计含量要求放入混料罐中，混料时间不少于两小时，保证粉末的均匀混合；

(2)清洗:对第二套筒和多个块状聚晶金刚石进行清洗，确保块状聚晶金刚石的外表面和第二套筒的内表面上无影响粘接性能的杂质存在；

(3)粘块：将设计好的块状聚晶金刚石排布方案按实际尺寸制成双面胶条，并将多个块状聚晶金刚石粘接在双面胶条一面的对应位置上；将粘有聚晶金刚石的双面胶条的另一面贴在第二套筒的内表面上；

(4)组装：将粘有聚晶金刚石的第二套筒放入下模中的相应位置，将上述混合好的防磨基底材料粉末倒入下模内，在震动机上震实后，将上模卡设在下模上，并在上模内部放入适量的粘结合金；

(5)烧结：将组装好的模具放入烧结炉中采用无压浸渗工艺进行烧结，得到钻杆接头防磨带；

(6)机加工：将烧结后的防磨带从烧结炉中取出，并对防磨带进行机加工，使防磨带的实用尺寸满足使用要求。

2.如权利要求1所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：所述块状聚晶金刚石为石油、地质用热稳定聚晶金刚石，其形状为圆柱体、棱柱体或长方体。

3.如权利要求1所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：所述块状聚晶金刚石在双面胶条上的排布方案为单列、双列或双列以上排布。

4.如权利要求3所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：每列上的多个块状聚晶金刚石按等距离设置。

5.如权利要求3所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：每列上的多个块状聚晶金刚石按等角度设置。

6.如权利要求3所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：每列上的多个块状聚晶金刚石按交错方式设置。

7.如权利要求1所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：所述防磨基底材料是由铸造碳化钨粉末与铜粉末、钴粉末、镍粉末、磷粉末中的一种粉末或任意几种粉末按照一定比例混合而成；所述粘结合金为铜基合金、镍基合金、钴基合金中的一种或任意几种的混合。

8.如权利要求1所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工方法，其特征在于：在步骤(5)中，在烧结炉空腔内放入适量的块状石墨，开始烧结，烧结温度为1040℃～1100℃，使熔融的粘结合金逐渐从透孔浸渗到下模中，保温30～50分钟；然后随炉冷却至将至900℃，取出空冷，制得环式金刚石复合材料钻杆接头防磨带，烧结后的材料之间的粘结强度≥60MPa。

9.一种环式金刚石复合材料防磨带的加工模具，其特征在于：该加工模具包括有上模、下模和砂芯，所述下模为圆环体并水平放置在一平台上，下模内同心放置所述砂芯，砂芯与下模内壁形成环形空间，在砂芯的外侧套设一底部设有外缘的第一套筒，所述第一套筒的外缘抵靠于下模内壁，在所述第一套筒外侧且位于所述外缘上方设有一第二套筒，所述第二套筒的外壁抵靠于下模内壁，所述第二套筒与第一套筒之间具有设置多个块状聚晶金刚石的环形间隙；在所述环形间隙上方且位于第一套筒顶部固定设有一套设在砂芯外侧的套环体；所述上模为卡设在下模上方的一环形容器，该环形容器的底面设有多个连通于下模内部的透孔。

10.如权利要求9所述的环式金刚石复合材料防磨带的加工模具，其特征在于：所述砂芯的顶面为中间高、四周低的锥面；所述套环体与第一套筒顶部焊接固定；所述第二套筒的上端由其内壁向外壁形成一渐扩的斜面。