CN110684935B - 一种钻头胎体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻头胎体材料及其制备方法，涉及粉末冶金技术领域。该钻头胎体材料可用于油气勘探PDC钻头。该钻头胎体材料通过以下原料制备得到：碳化钨硬质颗粒、钨纤维、镍粉以及铜合金；其中，所述钨纤维的体积百分含量为3～10％。该钻头胎体材料通过添加钨纤维，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。该钻头胎体材料的制备方法通过将碳化钨硬质颗粒、镍粉以及钨纤维混合后经装模、振实；然后在高温下熔渗铜合金后得到上述的钻头胎体材料。该方法制备得到的钻头胎体材料强度和冲击韧性高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体而言，涉及钻头胎体材料及其制备方法。
背景技术
PDC(聚晶金刚石复合片)胎体钻头在油气勘探中使用越来越多。PDC钻头包括PDC切削齿和胎体，PDC切削齿钎焊在胎体上。胎体的作用是固定PDC切削齿并与钻头钢体连接，是保证钻头质量的关键，对钻头的整体钻进效率、服役寿命、钻进周期及成本至关重要。胎体占整个PDC钻头成本40％以上，是整个PDC钻头核心技术之一，胎体的品质直接决定整个PDC钻头的性能。胎体的脱落、断刀翼、磨心、龟裂等问题将严重影响钻进速度，增加钻井成本，造成极大的经济损失。因此，研发高性能的胎体材料十分重要，对制造高品质的胎体钻头具有极其重要的意义。
钻进不同类型的岩石，需采用有针对性的钻头，才能取得好的钻进效果。钻头的系列化，也要求钻头胎体性能的多样化，能针对不同研磨性的岩层选用不同耐磨性的胎体。钻头胎体的性能包括耐磨性、抗冲蚀性、冲击韧性、硬度、抗弯强度、线膨胀系数和密度等。钻头的品质便是这些性能的综合反映。目前改进胎体性能的主要措施有：
1)调节骨架粉末的振实密度提高钻头胎体的硬度，振实密度愈大，胎体硬度愈高。采用不同比例与粒度的骨架粉体是改善钻头胎体密度和硬度的有效方法。
2)添加不同类型的碳化钨如铸造碳化钨、烧结碳化钨和单晶碳化钨等粉末调节胎体材料的综合性能。
3)改进浸渍合金配方提高胎体性能，如在胎体骨架粉末中添加少量的镍、钴、铁改善浸渍合金的润湿性能，同时起到弥散强化的作用。
钻井区域不同，岩层结构差异大，对钻头的性能需求多样化，胎体材料仍有进一步改进的空间和余地。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供钻头胎体材料及其制备方法，其通过添加钨纤维，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。
本发明是这样实现的：
第一方面，实施例提供一种钻头胎体材料，其通过以下原料制备得到：
碳化钨硬质颗粒、钨纤维、镍粉以及铜合金；
其中，钨纤维的体积百分含量为3～10％。
在可选的实施方式中，钨纤维的直径为50～100μm，长径比为15～50，再结晶开始温度大于1200℃。
在可选的实施方式中，钨纤维中的晶粒呈纤维状，片层厚度1～5μm，晶粒长短轴纵横比2～5。
在可选的实施方式中，碳化钨硬质颗粒包括铸造碳化钨颗粒、单晶碳化钨颗粒和烧结碳化钨颗粒中的至少一种。
在可选的实施方式中，碳化钨硬质颗粒为球形铸造碳化钨颗粒，且具有WC和W2C的共晶组织，其粒度为200～325目，总碳含量3.92％(质量百分数)，硬度3000HV0.1。
在可选的实施方式中，铜合金包括铜、黄铜或者青铜中的任一者。
在可选的实施方式中，铜合金为Cu-Zn-Mn-Ni合金，且各成分质量百分含量为Cu50.61％、Zn 7.78％、Mn 24.97％和Ni 15.61％。
第二方面，实施例提供一种如前述实施方式中任一项的钻头胎体材料的制备方法，包括：
将碳化钨硬质颗粒、镍粉以及钨纤维混合后经装模、振实；在高温下熔渗铜合金。
在可选的实施方式中，熔渗的温度为低于1200℃，且熔渗后保温时间至少为1h。
在可选的实施方式中，熔渗是在真空烧结炉中进行，且真空烧结炉的真空度低于5Pa。
本发明的实施例至少具有以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供一种钻头胎体材料，该钻头胎体材料可用于油气勘探PDC钻头。该钻头胎体材料通过以下原料制备得到：碳化钨硬质颗粒、钨纤维以及铜合金；其中，所述钨纤维的体积百分含量为3～10％。该钻头胎体材料通过添加钨纤维，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。
本发明的实施例还提供了一种钻头胎体材料的制备方法，其通过将碳化钨硬质颗粒、镍粉以及钨纤维混合后经装模、振实；然后在高温下熔渗铜合金后得到上述的钻头胎体材料。该方法制备得到的钻头胎体材料强度和冲击韧性高，使用寿命长。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的实施例提供了一种钻头胎体材料，其通过以下原料制备得到：
碳化钨硬质颗粒、钨纤维、镍粉以及铜合金；
其中，钨纤维的体积百分含量为3～10％。
详细地，通过钨纤维的添加，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。
作为优选的方案，钨纤维的直径为50～100μm，长径比为15～50，再结晶开始温度大于1200℃。且钨纤维中的晶粒呈纤维状，片层厚度1～5μm，晶粒长短轴纵横比2～5。通过对钨纤维的直径、长径比、再结晶的开始温度、片层厚度以及晶粒长短轴纵横比的控制使得其制备得到的钻头胎体材料的强度和冲击韧性得到有效地提高。当然，在本发明的其他实施例中，钨纤维的钨纤维的直径、长径比、再结晶的开始温度、片层厚度以及晶粒长短轴纵横比还可以根据需求进行调整和选择，本发明的实施例不做限定。
在本发明的实施例中，碳化钨硬质颗粒包括铸造碳化钨颗粒、单晶碳化钨颗粒和烧结碳化钨颗粒中的至少一种。镍粉为水雾化镍粉，呈近球形，其粒度为325～400目。
具体地，本发明的实施例采用的为铸造碳化钨颗粒，且为球形铸造碳化钨颗粒，且其具有WC和W2C的共晶组织，其粒度为200～325目，总碳含量3.92％(质量百分数)，硬度3000HV0.1。当然，在本发明的其他实施例中，粒度和含碳量等参数还可以根据需求进行选择和调整，本发明的实施例不做限定。
同时，在本发明的实施例中，铜合金包括铜、黄铜或者青铜中的任一者。其中，具体地，在本发明的实施例中，铜合金为Cu-Zn-Mn-Ni合金，且各成分质量百分含量为Cu50.61％、Zn 7.78％、Mn 24.97％和Ni 15.61％。当然，在本发明的其他实施例中，铜合金的各成分质量百分含量还可以根据需求进行调整，本发明的实施例不再赘述。
本发明的实施例还提供了一种钻头胎体材料的制备方法，其包括：
将碳化钨硬质颗粒、镍粉与钨纤维混合后经装模、振实；然后在高温下熔渗铜合金。该方法制备得到的钻头胎体材料强度和冲击韧性高，使用寿命长。
需要说明的是，熔渗的温度为低于1200℃，且熔渗后保温时间至少为1h。熔渗是在真空烧结炉中进行，且真空烧结炉的真空度低于5Pa。
下面结合实施例对钻头胎体材料及其制备方法中的具体参数选择进行详细地说明。
需要说明的是，以下实施例中选用的碳化钨粉末为球形铸造碳化钨粉末，具有WC和W2C的共晶组织，其粒度为200～325目，总碳含量3.92％(质量百分数)，硬度3000HV0.1。镍粉为水雾化镍粉，呈近球形，其粒度为325～400目铜合金为Cu-Zn-Mn-Ni合金，各成分质量百分含量为Cu 50.61％、Zn 7.78％、Mn 24.97％和Ni 15.61％，余量为其他元素
实施例1
本实施例提供了一种钻头胎体材料，其通过以下方法制备得到：
S1：选取直径为50μm，长径比为30的钨纤维，且钨纤维晶粒片层厚度1～5μm，晶粒长短轴纵横比2～5；
S2：称取质量百分数为75.0％的球形铸造碳化钨粉末、15.0％的镍粉以及10.0％的钨纤维；
S3：球形铸造碳化钨粉末、镍粉和钨纤维混合均匀后装入预备好的模具中，振实，然后在粉末上放置一定重量的Cu-Zn-Mn-Ni合金，以使得原始成分中钨纤维的所占体积分数为5.8％；
S4：将上述装有粉末和铜合金的模具置于高真空烧结炉中，真空度低于5Pa，加热至1150℃后保温1h，保温结束后样品随炉冷却至室温。
实施例2
本实施例提供了一种钻头胎体材料，其通过以下方法制备得到：
S1：选取直径为100μm，长径比为15的钨纤维，钨纤维晶粒片层厚度1～5μm，晶粒长短轴纵横比2～5；
S2：称取质量百分数为80.0％的球形铸造碳化钨粉末、15.0％的镍粉以及5.0％的钨纤维；
S3：球形铸造碳化钨粉末、镍粉和钨纤维混合均匀后装入预备好的模具中，振实，然后在粉末上放置一定重量的Cu-Zn-Mn-Ni合金，以使得原始成分中钨纤维的所占体积分数为2.9％；
S4：将上述装有粉末和铜合金的模具置于高真空烧结炉中，真空度低于5Pa，加热至1150℃后保温1h，保温结束后样品随炉冷却至室温。
实施例3
本实施例提供了一种钻头胎体材料，其通过以下方法制备得到：
S1：选取直径为100μm，长径比为50的钨纤维，钨纤维晶粒片层厚度1～5μm，晶粒长短轴纵横比2～5；
S2：称取质量百分数为75.0％的球形铸造碳化钨粉末、10.0％的镍粉以及15.0％的钨纤维；
S3：球形铸造碳化钨粉末、镍粉和钨纤维混合均匀后装入预备好的模具中，振实，然后在粉末上放置一定重量的Cu-Zn-Mn-Ni合金，以使得原始成分中钨纤维的所占体积分数为8.2％；
S4：将上述装有粉末和铜合金的模具置于高真空烧结炉中，真空度低于5Pa，加热至1150℃后保温1h，保温结束后样品随炉冷却至室温。
对比例1
对比例提供了一种钻头胎体材料，其通过以下方法制备得到：
S1：称取质量百分数为85％的球形铸造碳化钨粉末和15％的镍粉；
S2：球形铸造碳化钨粉末和镍粉混合均匀后装入预备好的模具中，振实，然后在粉末上放置一定重量的Cu-Zn-Mn-Ni合金；
S3：将上述装有粉末和铜合金的模具置于高真空烧结炉中，真空度低于5Pa，加热至1150℃后保温1h，保温结束后样品随炉冷却至室温。
将实施例1-3和对比例1所制备得到的钻头胎体材料从模具中取出，并去掉多余的铜合金后按照国家标准GB/T 229、GB/T 3851和GB/T 230.1检测对应的胎体材料的冲击韧性、抗弯强度和洛氏硬度，其测试结果如表1所示：
表1胎体材料的钨纤维体积分数的力学性能
根据表1所显示的数据可知，本发明的实施例1-3提供的钻头胎体材料的抗弯强度以及冲击功均高于对比例1。同时，当加入的钨纤维的体积分数为5.8％时，其抗弯强度和冲击功最优。因此，根据上述的表格记载的内容可知，该钻头胎体材料通过添加钨纤维，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。
综上所述，本发明的实施例提供的钻头胎体材料，可用于油气勘探PDC钻头。该钻头胎体材料通过以下原料制备得到：碳化钨硬质颗粒、钨纤维、镍粉以及铜合金；其中，所述钨纤维的体积百分含量为3～10％。该钻头胎体材料通过添加钨纤维，使得该钻头胎体强度和冲击韧性得到显著改善，从而使得使用该钻头胎体材料的钻头在中软地层中的钻井寿命大幅度提升。
本发明的实施例提供的钻头胎体材料的制备方法，其通过将碳化钨硬质颗粒、镍粉以及钨纤维混合后经装模、振实；然后在高温下熔渗铜合金后得到上述的钻头胎体材料。该方法制备得到的钻头胎体材料强度和冲击韧性高，使用寿命长。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种钻头胎体材料，其特征在于，其通过以下原料制备得到：
碳化钨硬质颗粒、钨纤维、镍粉以及铜合金；
其中，所述钨纤维的体积百分含量为5.8%；所述钨纤维的直径为50 μm，长径比为30，再结晶开始温度大于1200℃；所述钨纤维中的晶粒呈纤维状，片层厚度1~5 μm，晶粒长短轴纵横比2~5；
所述碳化钨硬质颗粒为球形铸造碳化钨颗粒，所述碳化钨硬质颗粒具有WC 和W2C 的共晶组织，其粒度为200~325目，总碳含量3.92%，其中%为质量百分数，硬度3000HV0.1；
所述铜合金为Cu-Zn-Mn-Ni合金，且各成分质量百分含量为Cu 50.61%、Zn 7.78%、Mn24.97%和Ni 15.61%，余量为其他元素。
2.一种如权利要求1中所述的钻头胎体材料的制备方法，其特征在于，包括：
将所述碳化钨硬质颗粒、所述镍粉以及所述钨纤维混合后经装模、振实；在高温下熔渗所述铜合金。
3.根据权利要求2所述的钻头胎体材料的制备方法，其特征在于：
熔渗的温度为低于1200℃，且熔渗后保温时间至少为1 h。
4.根据权利要求2所述的钻头胎体材料的制备方法，其特征在于：
熔渗是在真空烧结炉中进行，且所述真空烧结炉的真空度低于5 Pa。
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