CN105156038A - 牙轮钻头梯度复合材料合金齿及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牙轮钻头梯度复合材料合金齿，包括合金齿本体，所述合金齿本体具有一体成型的柱形部分和切削部分，安装时所述柱形部分埋入在牙轮内、所述切削部分伸出在牙轮外，所述合金齿本体从横截面上看呈多层由内向外逐渐扩张并紧密结合的年轮结构，它包括芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层，所述芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层的物理硬度逐渐降低，从而在工作时使芯轴部分和中间年轮层受到来自外圈年轮层的残余压应力。使用过程中会产生自我锐利，利于保持较高的钻进速度。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业钻头领域，具体地指一种牙轮钻头梯度复合材料合金齿及其加工方法。
背景技术
三牙轮钻头是石油、矿山广泛使用的钻井钻孔工具，掘进速度和使用寿命是最重要的性能指标。在钻压、转速、岩石硬度、合金齿齿数、齿型、分布不变的情况下，合金齿的性能决定了掘进速度。钻头的使用寿命主要由钻头的轴承寿命和钻头的合金齿寿命共同决定。在轴承质量能保证的前提下，合金齿寿命决定了牙轮钻头的总体寿命。提高合金齿性能对提高钻井效率、降低钻井成本有重大意义。牙轮钻头使用时会遇到各种地质情况，在钻探高硬度岩石时，合金齿受高压、撞击、磨削很容易损坏，提高合金齿性能要求同时提高其硬度和韧性。目前合金齿由碳化钨粉末与钴合金粉末复合材料烧结制成，碳化钨粉末作为硬质材料，钴合金作为粘结剂。钴合金的含量(6-25％)不同，可制出不同硬度的合金齿，硬度高则韧性低，易脆断，反之亦然。同时提高其硬度和韧性是极难解决的技术问题。另外，合金齿使用中崩裂、磨损会钝化，造成掘进速度下降，如施加更大的钻压，轴承容易过载损坏。目前的技术是制作单一材料不同硬度的合金齿，根据地质条件选用不同硬度的合金齿。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述不足，提供一种硬度和韧性都极佳的牙轮钻头梯度复合材料合金齿及其加工方法。
为实现上述目的，本发明所设计的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，包括合金齿本体，所述合金齿本体具有一体成型的柱形部分和切削部分，安装时所述柱形部分埋入在牙轮内、所述切削部分伸出在牙轮外，其特殊之处在于：所述合金齿本体从横截面上看呈多层由内向外逐渐扩张并紧密结合的年轮结构，它包括芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层，所述芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层的物理硬度逐渐降低，从而在工作时使芯轴部分和中间年轮层受到来自外圈年轮层的残余压应力。
进一步地，所述中间年轮层设置有1～5层。因为合金齿直径不大，层数太多会过于复杂。优选地，所述中间年轮层设置有2～4层。
更进一步地，所述芯轴部分的直径d、所述外圈年轮层的直径D和厚度T外、所述中间年轮层(1.4)厚度T中为和层数N满足如下数学关系：
d≥0.4D，T外≥0.15D，T中＝[(D－d)/2－T外]/N。
再进一步地，所述芯轴部分为钴合金百分含量占6％的碳化钨硬质合金，所述中间年轮层为钴合金百分含量介于6～25％之间的碳化钨硬质合金，所述外圈年轮层为单纯的钴合金。由于外层钴合金和中间层梯度材料的热胀冷缩系数大于芯部高硬度碳化钨硬质合金，冷却过程中会对芯部碳化钨硬质合金产生压应力，芯部高硬度材料受残余压应力保护不容易脆断，外层金属和中间层碳化钨复合材料硬度较低，优先磨损，使用过程中会产生自我锐利，非常有利于保持较高的钻进速度。
再进一步地，所述中间年轮层中钴合金百分含量由内层向外层逐渐递增。
优选地，所述柱形部分呈圆柱形，所述切削部分呈锥形、半圆曲面形、或抛物线曲面形。
本发明所设计的牙轮钻头梯度复合材料合金齿的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取钴合金粉末和碳化钨粉末的复合材料，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得棒状的芯轴部分毛坯和管状的中间年轮层毛坯；其中，钴合金粉末在复合材料中的重量百分比不大于25％，芯轴部分的钴合金粉末含量低于中间年轮层的钴合金粉末含量，有机粘结剂的用量占复合材料重量的5～30％；
2)取单纯的钴合金粉末，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得管状的外圈年轮层毛坯；其中，有机粘结剂的用量占单纯的钴合金粉末重量的5～30％；
3)将所制得的芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层毛坯依次套装好后，再整体嵌入钢制的细长密封桶中，并在细长密封桶上部焊接好带通气管的密封上盖；
4)将通气管与真空泵连接，并将细长密封桶置于加热炉内缓慢加热到摄氏500度以上；与此同时，开启真空泵经由通气管对细长密封桶抽气，使其内的有机粘结剂分解蒸发；
5)当有机粘结剂完全分解蒸发后，压扁通气管，并将其与细长密封桶焊接好，使其内腔形成真空状态；
6)对内腔呈真空状态的细长密封桶进行热等静压处理，使其中的芯轴部分、中间年轮层和外圈年轮层毛坯组件在高温高压下进一步结合密实；
7)再通过酸洗或机加工除去细长密封桶，得到具有梯度复合材料年轮结构的棒坯，经切断、磨削加工，最终制得本发明的合金齿本体。
其中，所述步骤1)中，芯轴部分的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比为6％；中间年轮层的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比介于6～25％之间，且由内层向外层钴合金粉末的含量逐渐增加。
本发明方法由于外层钴合金和中间层梯度材料的热胀冷缩系数大于芯部高硬度碳化钨硬质合金，冷却过程中会对芯部碳化钨硬质合金产生压应力。芯部高硬度材料受残余压应力保护不容易脆断，外层金属和中间层碳化钨复合材料硬度较低，优先磨损，使用过程中会产生自我锐利，利于保持较高的钻进速度。
附图说明
图1为一种牙轮钻头梯度复合材料合金齿结构示意图。
图2为图1中合金齿横截面俯视结构示意图。
图3为牙轮钻头梯度复合材料合金齿加工示意图。
图中：合金齿本体1(其中：柱形部分1.1，切削部分1.2，芯轴部分1.3，中间年轮层1.4，外圈年轮层1.5)，芯轴部分直径d，外圈年轮层直径D，外圈年轮层厚度T外，中间年轮层厚度T中，层数N，细长密封桶2(其中：通气管2.1，密封上盖2.2)，牙轮3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图所示的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，包括合金齿本体1，合金齿本体1具有一体成型的柱形部分1.1和切削部分1.2，柱形部分1.1呈圆柱形，切削部分1.2呈锥形、半圆曲面形、或抛物线曲面形。安装时所述柱形部分1.1埋入在牙轮3内、切削部分1.2伸出在牙轮3外，合金齿本体1从横截面上看呈多层由内向外逐渐扩张并紧密结合的年轮结构，它包括芯轴部分1.3、中间年轮层1.4和外圈年轮层1.5，芯轴部分1.3、中间年轮层1.4和外圈年轮层1.5的物理硬度逐渐降低，从而在工作时使芯轴部分1.3和中间年轮层1.4受到来自外圈年轮层1.5的残余压应力。中间年轮层1.4设置有1～5层，优选为2～4层；芯轴部分1.3的直径d、所述外圈年轮层1.5的直径D和厚度T外、所述中间年轮层1.4厚度T中为和层数N满足如下数学关系：
d≥0.4D，T外≥0.15D，T中＝[(D－d)/2－T外]/N。
其中，芯轴部分1.3为钴合金百分含量占6％的碳化钨硬质合金，具有此类复合材料的最高硬度约HRA90，中间年轮层1.4为钴合金百分含量介于6～25％之间的碳化钨硬质合金，且中间年轮层1.4中钴合金百分含量由内层向外层逐渐递增。外圈年轮层1.5为单纯的钴合金，使得外圈年轮层1.5具有很高的抗冲击韧性。由于外圈年轮层1.5钴合金和中中间年轮层1.4间层梯度材料的热胀冷缩系数大于芯部高硬度碳化钨硬质合金，冷却过程中芯轴部分1.3受到来自外圈年轮层1.5和中间年轮层1.4的残余压应力保护不容易脆断，比一般牙轮钻头合金齿韧性好。合金齿1在使用过程中，由于芯轴部分1.3采用最高硬度碳化钨复合材料，比一般牙轮钻头合金齿硬。另外，外圈年轮层1.5和中间年轮层1.4碳化钨复合材料硬度较低，优先磨损，使用过程中会产生自我锐利，利于保持较高的钻进速度。
为了制造这种梯度复合材料的合金齿，包括以下步骤：
1)取钴合金粉末和碳化钨粉末的复合材料，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得棒状的芯轴部分1.3毛坯和管状的中间年轮层1.4毛坯；其中，钴合金粉末在复合材料中的重量百分比不大于25％，芯轴部分1.3的钴合金粉末含量低于中间年轮层1.4的钴合金粉末含量，有机粘结剂的用量占复合材料重量的5～30％；
2)取单纯的钴合金粉末，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得管状的外圈年轮层1.5毛坯；其中，有机粘结剂的用量占单纯的钴合金粉末重量的5～30％；
3)将所制得的芯轴部分1.3、中间年轮层1.4和外圈年轮层1.5毛坯依次套装好后，再整体嵌入钢制的细长密封桶2中，并在细长密封桶2上部焊接好带通气管2.1的密封上盖2.2；
4)将通气管2.1与真空泵连接，并将细长密封桶2置于加热炉内缓慢加热到摄氏500度以上；与此同时，开启真空泵经由通气管2.1对细长密封桶2抽气，使其内的有机粘结剂分解蒸发；
5)当有机粘结剂完全分解蒸发后，压扁通气管2.1，并将其与细长密封桶2焊接好，使其内腔形成真空状态；
6)对内腔呈真空状态的细长密封桶2进行热等静压处理，使其中的芯轴部分1.3、中间年轮层1.4和外圈年轮层1.5毛坯组件在高温高压下进一步结合密实；
7)再通过酸洗或机加工除去细长密封桶2，得到具有梯度复合材料年轮结构的棒坯，经切断、磨削加工，最终制得本发明的合金齿本体1。
其中，所述步骤1中，芯轴部分1.3的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比为6％；中间年轮层1.4的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比介于6～25％之间，且由内层向外层钴合金粉末的含量逐渐增加。
Claims (9)
1.一种牙轮钻头梯度复合材料合金齿，包括合金齿本体(1)，所述合金齿本体(1)具有一体成型的柱形部分(1.1)和切削部分(1.2)，安装时所述柱形部分(1.1)埋入在牙轮(3)内、所述切削部分(1.2)伸出在牙轮(3)外，其特征在于：所述合金齿本体(1)从横截面上看呈多层由内向外逐渐扩张并紧密结合的年轮结构，它包括芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)，所述芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)的物理硬度逐渐降低，从而在工作时使芯轴部分(1.3)和中间年轮层(1.4)受到来自外圈年轮层(1.5)的残余压应力。
2.根据权利要求1所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述中间年轮层(1.4)设置有1～5层。
3.根据权利要求2所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述中间年轮层(1.4)设置有2～4层。
4.根据权利要求3所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述芯轴部分(1.3)的直径d、所述外圈年轮层(1.5)的直径D和厚度T外、所述中间年轮层(1.4)厚度T中为和层数N满足如下数学关系：
d≥0.4D，T外≥0.15D，T中＝[(D－d)/2－T外]/N。
5.根据权利要求4所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述芯轴部分(1.3)为钴合金百分含量占6％的碳化钨硬质合金，所述中间年轮层(1.4)为钴合金百分含量介于6～25％之间的碳化钨硬质合金，所述外圈年轮层(1.5)为单纯的钴合金。
6.根据权利要求5所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述中间年轮层(1.4)中钴合金百分含量由内层向外层逐渐递增。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述柱形部分(1.1)呈圆柱形，所述切削部分(1.2)呈锥形、半圆曲面形、或抛物线曲面形。
8.一种权利要求1所述牙轮钻头梯度复合材料合金齿的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取钴合金粉末和碳化钨粉末的复合材料，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得棒状的芯轴部分(1.3)毛坯和管状的中间年轮层(1.4)毛坯；其中，钴合金粉末在复合材料中的重量百分比不大于25％，芯轴部分(1.3)的钴合金粉末含量低于中间年轮层(1.4)的钴合金粉末含量，有机粘结剂的用量占复合材料重量的5～30％；
2)取单纯的钴合金粉末，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得管状的外圈年轮层(1.5)毛坯；其中，有机粘结剂的用量占单纯的钴合金粉末重量的5～30％；
3)将所制得的芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)毛坯依次套装好后，再整体嵌入钢制的细长密封桶(2)中，并在细长密封桶(2)上部焊接好带通气管(2.1)的密封上盖(2.2)；
4)将通气管(2.1)与真空泵连接，并将细长密封桶(2)置于加热炉内缓慢加热到摄氏500度以上；与此同时，开启真空泵经由通气管(2.1)对细长密封桶(2)抽气，使其内的有机粘结剂分解蒸发；
5)当有机粘结剂完全分解蒸发后，压扁通气管(2.1)，并将其与细长密封桶(2)焊接好，使其内腔形成真空状态；
6)对内腔呈真空状态的细长密封桶(2)进行热等静压处理，使其中的芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)毛坯组件在高温高压下进一步结合密实；
7)再通过酸洗或机加工除去细长密封桶(2)，得到具有梯度复合材料年轮结构的棒坯，经切断、磨削加工，最终制得本发明的合金齿本体(1)。
9.根据权利要求8所述牙轮钻头梯度复合材料合金齿的加工方法，其特征在于：所述步骤1)中，芯轴部分(1.3)的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比为6％；中间年轮层(1.4)的钴合金粉末在复合材料中的重量百分比介于6～25％之间，且由内层向外层钴合金粉末的含量逐渐增加。
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