CN108607983A - 一种耐磨基体、制备方法及保径耐磨块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨基体、制备方法及保径耐磨块，其中的耐磨基体相较于现有的用于油气开发领域的耐磨材料，能够大幅提高硬度。通过镍基合金作为浸渍材料，在高温烧结重凝后具有极高的强度，有利于提高耐磨基体的整体硬度。保径耐磨块不仅在热稳定聚晶片的耐磨强度上与传统的金刚石复合片保径齿相当，而且整个基体的耐磨强度比传统钢体钻头的保径基体有显著提高，而且在硬度上还有更好的效果，在同等尺寸条件下，成本仅为传统金刚石复合片保径齿的1/5。此外，本方案中的保径耐磨块优选的通过钎焊方式镶嵌在钢体钻头表面，在长期使用损坏后，还能够方便的进行更换，更加延长了钻头使用寿命，降低了钻井工程的成本。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采领域，具体涉及一种耐磨基体、制备方法及保径耐磨块。
背景技术
目前在石油天然气地质钻探领域内，钢体钻头以其制造工艺简单、材料成本低等优点，已经大量取代胎体钻头，得到广泛适用。但是，钢体钻头保径壁的耐磨性能比起胎体钻头而言要差很多。现有技术中大都通过堆焊耐磨材料或镶嵌金刚石复合片的方式来解决这个问题，但是上述方式均存在明显缺陷：其一，堆焊现有的耐磨材料耐磨性不够理想，而且堆焊质量难以保证；其二，镶嵌金刚石复合片成本太高，一颗金刚石复合片的成本就是几百上千。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨基体、制备方法及保径耐磨块，以解决现有技术中钢体钻头保径部位耐磨性较差、成本较高的问题，实现提高钢体钻头保径耐磨性、同时显著降低成本的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种耐磨基体，包括如下重量百分比的组分：粒度200～300目的球形碳化钨粉85％，粒度100～200目的碳化钨单晶粉10％，粒度100～200目的镍粉5％。
针对现有技术中钢体钻头保径部位耐磨性较差、成本较高的问题，本发明首先提出一种耐磨基体，耐磨基体中主要组分为球形碳化钨粉，重量占比为85％，顾名思义，球形碳化钨粉为球状的碳化钨粉，现有技术中在油气开采领域用于增强耐磨性的碳化钨材料均是将碳化钨铸造成块，再将碳化钨块破碎为更为小块状结构，再通过机械式的捣碎，得到碳化钨粉末进行使用，然而这种碳化钨粉末在微观上均具有尖锐的棱角，在成型过程中相互之间的间隙较大，会导致成型后的整体强度与抗压性能较低，而本发明中的球形的碳化钨粉，是指将碳化钨经过制粒、喷粉工艺制作而成的球形结构，相互之间间隙小、质地紧密、成型后强度有显著提高。其中球形碳化钨粉的粒度200～300目，是指能够通过200目筛网而不能够通过300目筛网的球形碳化钨粉。碳化钨单晶粉占比10％，粒度100～200目是指能够通过100目筛网而不能够通过200目筛网的筛选。镍粉占比5％，用于提高耐磨基体的抗腐蚀能力，其中粒度100～200目是指能够通过100目筛网而不能够通过200目筛网的镍粉。本方案中的耐磨基体相较于现有的用于油气开发领域的耐磨材料，能够大幅提高硬度。
一种耐磨基体的制备方法，包括以下步骤：
(a)将粒度200～300目的球形碳化钨粉、粒度100～200目的碳化钨单晶粉、粒度100～200目的镍粉，按照0.85:0.1:0.05的重量百分比混合搅拌，搅拌时间不低于三小时，得到胎粉；
(b)在胎粉中加入浸渍材料，混合均匀后填入模具；
(c)高温烧结，得到耐磨基体。
本方案中首先混合搅拌粒度200～300目的球形碳化钨粉、粒度100～200目的碳化钨单晶粉、粒度100～200目的镍粉，搅拌时间至少三小时，以确保充分的混合均匀，之后加入浸渍材料并混合均匀，再将混有浸渍材料的胎粉加入至模具中，高温烧结过程中，浸渍材料受热融化，从而将胎粉固化凝结在一起，完成耐磨基体的制备。
优选的，所述浸渍材料为镍基合金。由于铜合金熔炼难度低、易于掌握，因此传统的用于本领域内的浸渍材料都为铜基合金，然而使用铜合金作为浸渍材料时，受限于金属铜质软的特性，对于耐磨基体的整体强度不仅没有帮助，反而会有一定的降低，现有技术中并未针对这点缺陷进行有效的研究和改进。而本方案中通过镍基合金作为浸渍材料，在高温烧结重凝后具有极高的强度，有利于提高耐磨基体的整体硬度。
进一步的，所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。本方案中的浸渍材料包括镍、钴、硅、硼、铁几种元素，剩余部分为杂质。
优选的，步骤(c)中的烧结温度为1190℃～1200℃。对于石油开采领域而言，传统的胎体钻头烧结温度大都在1100℃附近，这也是目前用于耐磨材料烧结的问题，而本方案中将烧结温度提高至1190℃～1200℃，能够使得镍基合金更加充分融化、与胎粉进行充分的混合和固化，相较于现有的烧结温度能够极大的提高浸渍质量。
保径耐磨块，包括耐磨基体，所述耐磨基体表面嵌设中心热稳定聚晶片、边缘热稳定聚晶片，所述中心热稳定聚晶片在耐磨基体表面所占面积大于任意一块边缘热稳定聚晶片在耐磨基体表面所占面积，所述边缘热稳定聚晶片的数量为N，N块边缘热稳定聚晶片环形均布在中心热稳定聚晶片外，其中N≥6。
即是本方案中在耐磨基体的表面嵌设一块中心热稳定聚晶片和N块边缘热稳定聚晶片，热稳定聚晶片作为人造金刚石材料的一种，其价格低廉、便于购买。但是由于热稳定聚晶片成型面积较小，而无法直接作为钢体金刚石钻头的保径齿进行使用，而本申请中将其嵌在耐磨基体的表面，耐磨基体可以做成较大结构，因此解决了传统热稳定聚晶片无法作用在保径部位的问题，本申请中的耐磨基体具有极高的硬度，热稳定聚晶片在其上作为主要耐磨体，将保径耐磨块整体焊入至钢体钻头的保径部分，替代现有技术中的金刚石复合片保径齿，不仅在热稳定聚晶片的耐磨强度上与传统的金刚石复合片保径齿相当，而且整个基体的耐磨强度比传统钢体钻头的保径基体有显著提高，而且在硬度上还有更好的效果，在同等尺寸条件下，以19mm齿为例，成本仅为传统金刚石复合片保径齿的1/5。此外，本方案中的保径耐磨块优选的通过钎焊方式镶嵌在钢体钻头表面，在长期使用损坏后，还能够方便的进行更换，更加延长了钻头使用寿命，降低了钻井工程的成本。本方案中的保径耐磨块，除了用于钢体钻头的保径部位外，还可以用于磨鞋、铣鞋等井下需要进行大量摩擦的工具中。
进一步的，所述中心热稳定聚晶片、边缘热稳定聚晶片均为圆形。
优选的，所述中心热稳定聚晶片的直径为6mm，所述边缘热稳定聚晶片的直径为3mm。
优选的，所述耐磨基体内还包括镍基合金，所述镍基合金为耐磨基体的浸渍材料。
优选的，所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明中的耐磨基体相较于现有的用于油气开发领域的耐磨材料，能够大幅提高硬度。
2、本发明通过镍基合金作为浸渍材料，在高温烧结重凝后具有极高的强度，有利于提高耐磨基体的整体硬度。
3、本发明中的保径耐磨块，不仅在热稳定聚晶片的耐磨强度上与传统的金刚石复合片保径齿相当，而且整个基体的耐磨强度比传统钢体钻头的保径基体有显著提高，而且在硬度上还有更好的效果，在同等尺寸条件下，成本仅为传统金刚石复合片保径齿的1/5。此外，本方案中的保径耐磨块优选的通过钎焊方式镶嵌在钢体钻头表面，在长期使用损坏后，还能够方便的进行更换，更加延长了钻头使用寿命，降低了钻井工程的成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例3中保径耐磨块的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-耐磨基体，2-中心热稳定聚晶片，3-边缘热稳定聚晶片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种耐磨基体，包括如下重量百分比的组分：粒度200～300目的球形碳化钨粉85％，粒度100～200目的碳化钨单晶粉10％，粒度100～200目的镍粉5％。球形碳化钨粉的粒度200～300目，是指能够通过200目筛网而不能够通过300目筛网的球形碳化钨粉。碳化钨单晶粉粒度100～200目是指能够通过100目筛网而不能够通过200目筛网的筛选。镍粉粒度100～200目是指能够通过100目筛网而不能够通过200目筛网的镍粉。
实施例2：
一种耐磨基体的制备方法，包括以下步骤：
(a)将粒度200～300目的球形碳化钨粉、粒度100～200目的碳化钨单晶粉、粒度100～200目的镍粉，按照0.85:0.1:0.05的重量百分比混合搅拌，搅拌时间不低于三小时，得到胎粉；(b)在胎粉中加入浸渍材料，混合均匀后填入模具；(c)高温烧结，得到耐磨基体。所述浸渍材料为镍基合金。所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。步骤(c)中的烧结温度为1190℃～1200℃。
本实施例中所制得的耐磨基体，具有如下力学性能：洛氏硬度55～60，抗弯强度≥600MPa，抗冲击性≥4J。其中抗弯强度和抗冲击性均满足石油天然气行业标准SY/T 5217中的要求，而硬度更是远远大于传统钢体钻头保径部位的33～35HRc。
此外，发明人对本实施例中的制备方法进行了对比实验，实验数据与结果如下表：
从上表中可以看出，在不使用球形碳化钨粉或使用铜基合金作为浸渍材料的情况下，所制成的耐磨基体的洛氏硬度与传统的钢体钻头保径部位的33～35HRc较为接近，而一旦开始使用球形碳化钨粉，随着占比不断提高，洛氏硬度显著增大，其余力学性能保持稳定。此外，使用镍基合金作为浸渍材料时，力学性能也要明显优于使用铜基合金作为浸渍材料。并且，在使用相同组分及镍基合金浸渍材料的情况下，烧结温度仅仅提高30℃也对成品的硬度和强度有显著提高。
实施例3：
如图1所示的一种保径耐磨块，包括耐磨基体1，所述耐磨基体1表面嵌设中心热稳定聚晶片2、边缘热稳定聚晶片3，所述中心热稳定聚晶片2在耐磨基体1表面所占面积大于任意一块边缘热稳定聚晶片3在耐磨基体1表面所占面积，所述边缘热稳定聚晶片3的数量为N，N块边缘热稳定聚晶片3环形均布在中心热稳定聚晶片2外，其中N≥6。所述中心热稳定聚晶片2、边缘热稳定聚晶片3均为圆形。所述中心热稳定聚晶片2的直径为6mm，所述边缘热稳定聚晶片3的直径为3mm。所述耐磨基体1内还包括镍基合金，所述镍基合金为耐磨基体1的浸渍材料。所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。本实施例未使用传统的金刚石复合片保径齿，因此作用于保径部分成本仅为现有钢体钻头的1/5，并且保径部分的整体耐磨性还有显著提高。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐磨基体，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：粒度200～300目的球形碳化钨粉85％，粒度100～200目的碳化钨单晶粉10％，粒度100～200目的镍粉5％。
2.一种耐磨基体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将粒度200～300目的球形碳化钨粉、粒度100～200目的碳化钨单晶粉、粒度100～200目的镍粉，按照0.85:0.1:0.05的重量百分比混合搅拌，搅拌时间不低于三小时，得到胎粉；
(b)在胎粉中加入浸渍材料，混合均匀后填入模具；
(c)高温烧结，得到耐磨基体。
3.根据权利要求2所述的一种耐磨基体的制备方法，其特征在于，所述浸渍材料为镍基合金。
4.根据权利要求3所述的一种耐磨基体的制备方法，其特征在于，所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。
5.根据权利要求2所述的一种耐磨基体的制备方法，其特征在于，步骤(c)中的烧结温度为1190℃～1200℃。
6.基于权利要求1所述耐磨基体的保径耐磨块，其特征在于，包括耐磨基体(1)，所述耐磨基体(1)表面嵌设中心热稳定聚晶片(2)、边缘热稳定聚晶片(3)，所述中心热稳定聚晶片(2)在耐磨基体(1)表面所占面积大于任意一块边缘热稳定聚晶片(3)在耐磨基体(1)表面所占面积，所述边缘热稳定聚晶片(3)的数量为N，N块边缘热稳定聚晶片(3)环形均布在中心热稳定聚晶片(2)外，其中N≥6。
7.根据权利要求6所述的保径耐磨块，其特征在于，所述中心热稳定聚晶片(2)、边缘热稳定聚晶片(3)均为圆形。
8.根据权利要求6所述的保径耐磨块，其特征在于，所述中心热稳定聚晶片(2)的直径为6mm，所述边缘热稳定聚晶片(3)的直径为3mm。
9.根据权利要求6所述的保径耐磨块，其特征在于，所述耐磨基体(1)内还包括镍基合金，所述镍基合金为耐磨基体(1)的浸渍材料。
10.根据权利要求9所述的保径耐磨块，其特征在于，所述镍基合金包括以下重量百分比的组分：94％的Ni、1％的Co、3％的Si、1％的B，小于或等于0.1％的Fe。
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