CN114082955A - 一种高性能胎体钻头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能胎体钻头的制造方法，包括以下步骤：烧结模具制造；制粉料：粉料为宏晶碳化钨、细碳化钨、细镍粉的混合粉料；制钢体骨架；装配预热；无压浸渍烧结；冷却脱模，得到胎体钻头半成品；再经过常规后续工序后得到胎体钻头成品。通过本发明制造胎体钻头，可使钻头的烧结质量得到显著改善，大幅减少烧结疏松现象，提高烧结质量和成品质量；按不同细度对应不同质量份混合的胎体粉料，保证了胎体所有位置性能的均匀性，增强了胎体烧结的结合强度；通过本发明最终制得的胎体钻头的胎体强度、机械性能和冲击功均明显提高，同时抗冲蚀性也得到较大程度的提高，整体质量明显提高。

Description

一种高性能胎体钻头的制造方法
技术领域
本发明涉及一种胎体钻头的制造方法，主要是涉及一种较高机械性能和较优抗冲蚀性能的高性能胎体钻头的制造方法。
背景技术
胎体钻头是指由碳化钨类耐磨粉料与粘结合金烧结而成且用于石油钻探的复合材料钻头体。
胎体钻头的传统制造方法是使用不同目数的碳化钨类粉末与粘结相粉末，按照各类配方进行机械式物理混合后，倒入阴模，通过震动进行震实，最后加入粘结合金在高温下无压浸渍烧结而成，该类工艺方法制造的胎体的机械性能与抗冲蚀性能存在较大的局限性，无法在现有性能的基础上同步提高，只能进行此消彼长的调整关系。
具备一定生产条件的厂家为提高胎体性能，则会引进相关增压烧结设备，进行胎体钻头有压浸渍烧结，这在一定程度上提高了生产成本。而在较高扭矩负荷和冲击负荷工况下，钻头胎体的机械性能又至关重要，如果负荷过载，甚至会出现断刀翼等钻井事故，同时，在高压泥浆的冲击下，胎体还需具备较强的抗冲蚀性能，如果抗冲蚀性能降低，胎体表面则会被冲蚀成孔洞或大面积凹坑，严重情况下可能会间接导致掉齿等事故。另外，常规无压浸润主要依靠粉末间毛细作用进行浸润，也会偶有烧结疏松的缺陷，影响生产质量。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能显著提高烧结质量的高性能胎体钻头的制造方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种高性能胎体钻头的制造方法，包括以下步骤：
步骤1、烧结模具制造：烧结模具包括钻头凹模内的替代块和石墨喷嘴；
步骤2、制粉料：取如下质量百分比的各原料：宏晶碳化钨30-50％，细碳化钨45-65％，细镍粉5-25％，将三种原料混合后进行1700-1900℃的真空预烧，然后破碎、筛分，得到细度为A的料粉，按如下细度与质量份的对应关系准备料粉：A＜60目、5-10份，60目≤A＜80目、15-25份，80目≤A＜120目、15-25份，120目≤A＜170目、15-25份，170目≤A＜230目、15-25份，230目≤A＜325目、15-25份，325目≤A、30-40份，将这些料粉混合均匀，得到粉料；
步骤3、制钢体骨架：通过机加工制造一种具备钻头刀翼特征的钢体骨架；
步骤4、装配预热：即在进行升温之前，将步骤1的烧结模具与步骤3的钢体骨架装配在一起，将步骤2的粉料置于烧结模具内，充分震实，在350-500℃的温度下预热2-8小时；
步骤5、无压浸渍烧结：预热完成后，添加粘结合金和助熔剂，在还原性气氛下升温至1100℃-1200℃，恒温烧结2-8小时；
步骤6、冷却脱模：烧结完成后，按照200-300℃/小时的速度匀速降温至室温，然后脱模，得到胎体钻头半成品；再经过常规后续工序后得到胎体钻头成品。
作为优选，所述粘结合金为铜、镍、锡、锰四元合金，所述助熔剂为硼化物。
作为优选，所述步骤2中，三种原料的百分比为：宏晶碳化钨35-45％，细碳化钨50-60％，细镍粉10-20％，真空预烧温度为1780-1820℃，料粉按如下细度与质量份的对应关系准备：A＜60目、7-9份，60目≤A＜80目、18-22份，80目≤A＜120目、18-22份，120目≤A＜170目、18-22份，170目≤A＜230目、18-22份，230目≤A＜325目、18-22份，325目≤A、33-37份。
作为优选，预热温度为420-460℃，预热时间为5-6小时。
作为优选，烧结温度为1150-1180℃，烧结时间为5-6小时。
本发明的有益效果在于：
通过本发明制造胎体钻头，可使钻头的烧结质量得到显著改善，除宏晶碳化钨表现出对浸润合金的亲和性以外，呈现孔洞状的胎体颗粒具有的吸附性更利于合金浸渍，从而大幅减少烧结疏松现象，提高烧结质量和成品质量；按不同细度对应不同质量份混合的胎体粉料，将在震实工序中避免传统机械物理混合粉料随振动产生的材料偏析，保证了胎体所有位置性能的均匀性，胎体颗粒自身孔洞将贯穿更多的粘结合金，增强了胎体烧结的结合强度；通过本发明最终制得的胎体钻头的胎体强度、机械性能和冲击功均明显提高，同时抗冲蚀性也得到较大程度的提高，整体质量明显提高。
附图说明
图1是通过本发明所述制造方法烧结成形的胎体粉末电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明所述高性能胎体钻头的制造方法包括以下步骤：
步骤1、烧结模具制造：烧结模具包括钻头凹模内的替代块和石墨喷嘴；
步骤2、制粉料：取如下质量百分比的各原料：宏晶碳化钨30-50％，优选为35-45％，细碳化钨45-65％，优选为50-60％，细镍粉5-25％，优选为10-20％，将三种原料混合后进行1700-1900℃的真空预烧，真空预烧温度优选为1780-1820℃，然后破碎、筛分，得到细度为A的料粉，按如下细度与质量份的对应关系准备料粉：A＜60目、5-10份，60目≤A＜80目、15-25份，80目≤A＜120目、15-25份，120目≤A＜170目、15-25份，170目≤A＜230目、15-25份，230目≤A＜325目、15-25份，325目≤A、30-40份，细度与质量份的对应关系优选为：A＜60目、7-9份，60目≤A＜80目、18-22份，80目≤A＜120目、18-22份，120目≤A＜170目、18-22份，170目≤A＜230目、18-22份，230目≤A＜325目、18-22份，325目≤A、33-37份，将这些料粉混合均匀，得到粉料；
步骤3、制钢体骨架：通过机加工制造一种具备钻头刀翼特征的钢体骨架；
步骤4、装配预热：即在进行升温之前，将步骤1的烧结模具与步骤3的钢体骨架装配在一起，将步骤2的粉料置于烧结模具内，充分震实，在350-500℃的温度下预热2-8小时，优选的预热温度为420-460℃，预热时间为5-6小时；
步骤5、无压浸渍烧结：预热完成后，添加粘结合金和助熔剂，其中粘结合金为铜、镍、锡、锰四元合金，助熔剂为硼化物，在还原性气氛下升温至1100℃-1200℃，恒温烧结2-8小时；优选的烧结温度为1150-1180℃，烧结时间为5-6小时；
步骤6、冷却脱模：烧结完成后，按照200-300℃/小时的速度匀速降温至室温，然后使用冲击锤和风动砂轮等工装脱模，得到胎体钻头半成品；再经过常规后续工序后得到胎体钻头成品，如图1所示，由图可知其胎体颗粒致密、强度高。
下面通过胎体性能对比试验验证通过本发明方法制得的胎体钻头具有较高机械性能和较优抗冲蚀性能。
试验方法：横向断裂强度试验/冲击韧性试验/抗冲蚀试验。
试验过程：将通过本发明方法烧结的胎体和通过传统方法烧结的常规胎体，各取样6件(试样尺寸20*6.5*5.25mm)进行横向断裂强度试验(执行标准GB3851)，其数据如下表所示。
Figure BDA0002649545370000051
由上表可知，通过本发明方法烧结的胎体的横向断裂强度明显提高。
再各取样6件(试样尺寸55*10*10mm)进行冲击功测试(执行标准GB/T229)，其数据如下表所示。
Figure BDA0002649545370000052
由上表可知，通过本发明方法烧结的胎体的冲击功明显提高。
各取样1件，进行石英砂泥浆冲蚀试验(试验环境：15Mpa，4mm喷嘴，直射胎体，时间5分钟)，通过本发明方法烧结的胎体的减轻重量优于通过传统方法烧结的常规胎体，其抗冲蚀性能提高约33.3％。
综上，通过本发明方法烧结的胎体，其横向断裂强度提高约40.5％，冲击功提高约62％。可以得出本发明方法能较大程度地提高胎体的综合性能，从而延长胎体钻头的使用寿命。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种高性能胎体钻头的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、烧结模具制造：烧结模具包括钻头凹模内的替代块和石墨喷嘴；
步骤2、制粉料：取如下质量百分比的各原料：宏晶碳化钨30-50％，细碳化钨45-65％，细镍粉5-25％，将三种原料混合后进行1700-1900℃的真空预烧，然后破碎、筛分，得到细度为A的料粉，按如下细度与质量份的对应关系准备料粉：A＜60目、5-10份，60目≤A＜80目、15-25份，80目≤A＜120目、15-25份，120目≤A＜170目、15-25份，170目≤A＜230目、15-25份，230目≤A＜325目、15-25份，325目≤A、30-40份，将这些料粉混合均匀，得到粉料；
步骤3、制钢体骨架：通过机加工制造一种具备钻头刀翼特征的钢体骨架；
步骤4、装配预热：即在进行升温之前，将步骤1的烧结模具与步骤3的钢体骨架装配在一起，将步骤2的粉料置于烧结模具内，充分震实，在350-500℃的温度下预热2-8小时；
步骤5、无压浸渍烧结：预热完成后，添加粘结合金和助熔剂，在还原性气氛下升温至1100℃-1200℃，恒温烧结2-8小时；
步骤6、冷却脱模：烧结完成后，按照200-300℃/小时的速度匀速降温至室温，然后脱模，得到胎体钻头半成品；再经过常规后续工序后得到胎体钻头成品。
2.根据权利要求1所述的高性能胎体钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤5中，所述粘结合金为铜、镍、锡、锰四元合金，所述助熔剂为硼化物。
3.根据权利要求1或2所述的高性能胎体钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤2中，三种原料的百分比为：宏晶碳化钨35-45％，细碳化钨50-60％，细镍粉10-20％，真空预烧温度为1780-1820℃，料粉按如下细度与质量份的对应关系准备：A＜60目、7-9份，60目≤A＜80目、18-22份，80目≤A＜120目、18-22份，120目≤A＜170目、18-22份，170目≤A＜230目、18-22份，230目≤A＜325目、18-22份，325目≤A、33-37份。
4.根据权利要求1或2所述的高性能胎体钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤4中，预热温度为420-460℃，预热时间为5-6小时。
5.根据权利要求1或2所述的高性能胎体钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤5中，烧结温度为1150-1180℃，烧结时间为5-6小时。
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