CN114592141B - 一种钻头胎体用浸渍合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钻头胎体用浸渍合金及其制备方法和应用，涉及浸渍合金领域。具体而言，所述钻头胎体用浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；Mn 20％～30％、Ni 8％～16％、Zn 6％～14％、Co1％～3.5％、Cr 0.4％～1.0％、Zr 0.1％～0.5％和余量的Cu。本发明通过取消锡元素添加的同时引入钴、铬、锆元素，并对各元素质量含量进行调整，使所述钻头胎体用浸渍合金具有力学性能好、高温强度高、接头强度高、润湿性提高等优点，解决了现有技术中石油钻头因服役条件苛刻而使钻探性能受限、使用寿命低等技术问题。

Description

一种钻头胎体用浸渍合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及浸渍合金领域，具体而言，涉及一种钻头胎体用浸渍合金及其制备方法和应用。
背景技术
在PDC石油钻头的生产中钻头胎体常采用浸渍钎焊技术制造，将浸渍合金、碳化钨颗粒和钢基体一同置于石墨模具中，高温下浸渍合金受毛细管压力的作用，合金熔体自发地渗入并充满碳化钨颗粒的孔隙中，冷却后形成碳化钨颗粒增强金属基复合材料。同时又受毛细现象的影响，将胎体合金与钢基体焊接起来，并粘结TSP热稳定聚晶金刚石镶嵌片。采用浸渍合金可以同时实现钻头胎体合金的烧结和焊接过程，大幅提高工作效率，降低成本。
目前常用的浸渍合金一般为铜基合金，常用的有516合金、CuNi36Mn10合金。516合金由于含有Sn元素，易形成低熔点相，影响焊接接头的高温性能；CuNi36Mn10合金熔化温度较高，高温下容易损害钢基体和硬质合金性能，且成本较高。此外，在地下钻探的苛刻服役条件下，常出现钻头磨损失效的情况，这将严重降低PDC石油钻头的钻探能力和使用寿命。因此，需研发改进一种硬度更高的浸渍合金材料，并增强钻头胎体强度。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种钻头胎体用浸渍合金，通过取消锡元素添加的同时引入钴、铬、锆元素，并对各元素质量含量进行调整，使所述的钻头胎体用浸渍合金具有力学性能好、高温强度高、接头强度高、润湿性提高等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的钻头胎体用浸渍合金的制备方法，以该方法制备得到的浸渍合金综合性能高，更适合钻头胎体的浸渍钎焊。
本发明的第三目的在于提供一种所述的钻头胎体用浸渍合金在制备PDC钻头中的应用，以解决现有技术中由于浸渍合金材料硬度不足、强度不够高而导致的钻头磨损失效的技术问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种钻头胎体用浸渍合金，所述浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；
Mn 20％～30％、Ni 8％～16％、Zn 6％～14％、Co 1％～3.5％、Cr0.2％～0.8％、Zr 0.1％～0.4％和余量的Cu。
优选地，所述浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；
Mn 22％～28％、Ni 10％～15％、Zn 8％～12％、Co 2％～2.5％、Cr0.3％～0.6％、Zr 0.1％～0.3％和余量的Cu。
Co可以提高合金的润湿性和高温强度；Cr、Zr可以显著提高合金的力学性能；Co、Cr、Zr均具有固溶强化作用；通过七种不同元素的协调以使浸渍合金具有硬度更高、拉伸性能更好、熔点降低、流动性能好等优势。
所述钻头胎体用浸渍合金的制备方法主要包括如下步骤：
将除锰外的全部原料组分混合，熔炼至完全熔化后，将锰压入熔融液底部，保温静置，即得。
优选地，所述熔炼为感应熔炼；
优选地，所述感应熔炼的温度为1000℃～1350℃；
优选地，所述感应熔炼的时间为8min～15min。
优选地，混合后的原料组分表面还包括一层覆盖剂；所述覆盖剂包括脱水硼砂和/或木炭粉。
优选地，所述熔炼至完全熔化后，降温至1050℃～1250℃，再将锰压入熔融液底部。
优选地，所述保温的时间为4min～6min；
优选地，所述静置的时间为1min～2min。
优选地，所述静置后还包括：将熔融液倒入预热后的石墨坩埚中，空冷至室温；
优选地，所述预热的温度为450℃～550℃。
所述钻头胎体用浸渍合金在制备PDC钻头中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明相对传统铜基浸渍合金，通过取消Sn元素的添加，引入Co、Cr、Zr元素，同时调整各元素的含量，进而得到一种钻头胎体用浸渍合金。其中，通过调整Mn元素的含量改善了合金的高温强度和润湿性，降低了合金熔点；通过加入Co元素，提高了浸渍合金的高温性能和润湿性，同时改善钎缝塑性，提高了钎焊接头强度；通过加入了Cr、Zr元素，有助于细化晶粒，提高合金的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的浸渍合金的金相组织在50倍下的微观图；
图2为实施例1提供的浸渍合金的拉伸力-位移曲线图；
图3为实施例1提供的浸渍合金的DSC-温度曲线图；
图4为实施例2提供的浸渍合金的金相组织在50倍下的微观图；
图5为实施例2提供的浸渍合金的拉伸力-位移曲线图；
图6为实施例2提供的浸渍合金的DSC-温度曲线图；
图7为实施例3提供的浸渍合金的金相组织在50倍下的微观图；
图8为实施例3提供的浸渍合金的拉伸力-位移曲线图；
图9为实施例3提供的浸渍合金的DSC-温度曲线图；
图10为实施例中提供的516合金的金相组织在50倍下的微观图；
图11为实施例中提供的CuNi36Mn10合金的金相组织在50倍下的微观图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。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。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种钻头胎体用浸渍合金，所述浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；
Mn 20％～30％、Ni 8％～16％、Zn 6％～14％、Co 1％～3.5％、Cr0.2％～0.8％、Zr 0.1％～0.4％和余量的Cu。
作为一种优选的实施方式，所述浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；
Mn 22％～28％、Ni 10％～15％、Zn 8％～12％、Co 2％～2.5％、Cr0.3％～0.6％、Zr 0.1％～0.3％和余量的Cu。
作为一种优选的实施方式，所述浸渍合金中：Mn的质量含量包括但不限于：22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、27％、27.5％、28％；Ni的质量含量包括但不限于10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％；Zn的质量含量包括但不限于：8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、；Co的质量含量包括但不限于：2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％；Cr的质量含量包括但不限于：0.3％、0.4％、0.5％、0.6％；Zr的质量含量包括但不限于：0.1％、0.2％、0.3％。
所述钻头胎体用浸渍合金的制备方法主要包括如下步骤：
将除锰外的全部原料组分混合，熔炼至完全熔化后，将锰压入熔融液底部，保温静置，即得。
作为一种优选的实施方式，对于所述原料组分：铜源采用纯度为5N以上(Cu≥99.999％)的纯铜，锰源采用电解锰，钴、铬、锆分别以中间合金CuCo、CuCr、CuZr的形式加入，以避免元素偏析或烧毁；
作为一种优选的实施方式，所述熔炼为感应熔炼；
作为一种优选的实施方式，所述感应熔炼的温度为1000℃～1350℃；
作为一种优选的实施方式，所述感应熔炼的时间为8min～15min；
作为一种更优选的实施方式，所述感应熔炼的时间为10min；
作为一种优选的实施方式，混合后的原料组分表面还包括一层覆盖剂；所述覆盖剂包括脱水硼砂和/或木炭粉；通过覆盖剂实现空气的隔绝，避免金属原料氧化；
作为一种优选的实施方式，所述混合的容器包括石墨坩埚。
作为一种优选的实施方式，所述熔炼至完全熔化后，降温至1050℃～1250℃，再将锰压入熔融液底部；
作为一种优选的实施方式，所述压入采用石英钟罩进行。
作为一种优选的实施方式，所述保温的时间为4min～6min；
作为一种更优选的实施方式，所述保温的时间为5min；通过一段时间的保温使锰熔化入熔融液中；
作为一种更优选的实施方式，所述保温通过盖上石墨坩埚盖进行；
作为一种优选的实施方式，所述保温后、所述静置前还包括：搅拌溶液至混合均匀；
作为一种更优选的实施方式，所述搅拌通过石墨棒进行；
作为一种优选的实施方式，所述静置的时间为1min～2min；
作为一种更优选的实施方式，所述静置的时间为1min。
作为一种优选的实施方式，所述静置后还包括：将熔融液倒入预热后的石墨坩埚中，空冷至室温；
作为一种优选的实施方式，所述预热的温度为450℃～550℃；
作为一种更优选的实施方式，所述预热的温度为500℃。
所述钻头胎体用浸渍合金在制备PDC钻头中的应用。
实施例1
一、钻头胎体用浸渍合金的制备
1)将各原料：纯度为99.999％的纯Cu锭、电解锰片、Ni粉、Zn锭、CuCo、CuCr和CuZr按质量含量进行称取准备；其中，各元素的质量含量分别为：Cu 48％、Mn 27％、Ni 14％、Zn8％、Co 2.1％、Cr 0.6％以及Zr 0.3％；将除电解锰片外其他配好的原料放入高纯石墨坩埚中，表面覆盖脱水硼砂和木炭粉；
2)采用感应熔炼的方式熔炼上述原料，设置熔炼条件为1300℃、10min。熔炼结束后，待温度将至1100℃时将电解锰片用石英钟罩压入到熔融液底部，盖上石墨坩埚盖，保温5min后用石墨棒充分搅拌溶液；而后静置1min，将熔融液倒入500℃预热的另一石墨坩埚中，空冷至室温后得到本实施例1的钻头胎体用浸渍合金，其合金表达式为Cu48Mn27Ni14Zn8Co2.1Cr0.6Zr0.3。
其中，图1为本实施例提供的浸渍合金在50倍放大下的金相组织微观图。
二、钻头胎体用浸渍合金的性能测试
1)维氏硬度
参照GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测试浸渍合金的维氏硬度，载荷300g，加载时间15s。硬度测试结果如表1所示。
表1实施例1维氏硬度测量值
Figure BDA0003540319940000091
表2常规铸态试样维氏硬度测量值
1 2 3 4 5 6 平均值/HV
516合金 147.7 150.8 137.6 125.9 126.9 130.9 136.6
CuNi36Mn10 135.9 130 132.4 127.9 124.2 120.5 128.5
同时，表2中额外给出了两种常规的、应用广泛的PDC钻头的合金原料；其中，516合金的表达式为Cu78NiSnMn，熔炼成分为Cu78Ni11Sn5.5Mn5Si0.5，其由于成本价格低、性能较好而具有较好的应用前景；图10为其在50倍放大下的金相组织微观图。图11为合金CuNi36Mn10在50倍放大下的金相组织微观图。
通过表1、表2间的对比可以发现：本实施例的合金最高硬度406.0HV，硬度平均为392.0HV,而铸态516合金的显微硬度均值为136.6HV，铸态CuNi36Mn10合金的显微硬度均值为128.5HV，本实施例维氏硬度的平均值约为516合金的2.9倍,为CuNi36Mn10合金的3.1倍。
2)拉伸强度
参照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准进行拉伸强度测试。实验结果如表3所示；实验过程中力-位移曲线如图2所示。
表3实施例1拉伸性能表
1 2 3 抗拉强度平均值/MPa
实施例1 699 684.1 680 687.7
对比例(516合金) 405.1 394.4 395.5 398.3
对比例(CuNi36Mn10) 450.2 473.9 458.7 460.9
由表3可以发现本实施例合金的平均抗拉强度为516合金的1.7倍，为CuNi36Mn10合金的1.5倍。
3)熔化特性
采用STA449F3热分析仪对本实施例的熔化特性进行测试，升温速率为20℃/min。实验结果如表4所示，实验过程所得的DSC-温度曲线如图3所示。
表4实施例1熔化性能表
起始点 峰值
实施例1 929 963
对比例(516合金) 956 1079
对比例(CuNi36Mn10) 1133 1163
由表4和图3可以发现本实施例合金的初始熔化温度为929℃，相较于516合金的温度降低了27℃，相较于CuNi36Mn10合金的温度降低了204℃，有利于提高合金的流动性能。
实施例2
一、钻头胎体用浸渍合金的制备
本实施例与实施例1的区别仅在于：本实施例采用的各元素的质量含量分别为：Cu52％、Mn 23％、Ni 10％、Zn 12％、Co 2.3％、Cr0.5％以及Zr 0.2％，其合金表达式为Cu52Mn23Ni10Zn12Co2.3Cr0.5Zr0.2。
其中，图4为本实施例提供的浸渍合金在50倍放大下的金相组织微观图。
二、钻头胎体用浸渍合金的性能测试
1)维氏硬度
参照GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测试浸渍合金的维氏硬度，载荷300g，加载时间15s。硬度测试结果如表5所示。
表5实施例2维氏硬度测量值
Figure BDA0003540319940000111
由表5可以发现本实施例的合金最高硬度355.1HV，硬度值平均为345.8HV,而铸态516合金的显微硬度均值为136.6HV，铸态CuNi36Mn10合金的显微硬度均值为128.5HV，本实施例维氏硬度的平均值约为516合金的2.6倍,为CuNi36Mn10合金的2.8倍。
2)拉伸强度
参照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准进行拉伸强度测试。实验结果如表6所示；实验过程中力-位移曲线如图5所示。
表6实施例2拉伸性能表
1 2 3 抗拉强度/MPa
实施例2 683 686.2 638.9 669.4
对比例(516合金) 405.1 394.4 395.5 398.3
对比例(CuNi36Mn10) 450.2 473.9 458.7 460.9
由表6和图5可以发现本实施例合金的平均抗拉强度为516合金的1.7倍，为CuNi36Mn10合金的1.5倍。
3)熔化特性
采用STA449F3热分析仪对本实施例的熔化特性进行测试，升温速率为20℃/min。实验结果如表7所示，实验过程所得的DSC-温度曲线如图6所示。
表7实施例2熔化性能表
起始点 峰值
实施例2 919 964
对比例(516合金) 956 1079
对比例(CuNi36Mn10) 1133 1163
由表7和图6可以发现本实施例合金的初始熔化温度为919℃，相较于516合金的温度降低了37℃，相较于CuNi36Mn10合金的温度降低了214℃，有利于提高合金的流动性能。
实施例3
一、钻头胎体用浸渍合金的制备
本实施例与实施例1的区别仅在于：本实施例采用的各元素的质量含量分别为：Cu50％、Mn25％、Ni 12％、Zn 10％、Co 2％、Cr 0.7％以及Zr 0.3％，其合金表达式为Cu50Mn25Ni12Zn10Co2Cr0.7Zr0.3。
其中，图7为本实施例提供的浸渍合金在50倍放大下的金相组织微观图。
二、钻头胎体用浸渍合金的性能测试
1)维氏硬度
参照GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测试浸渍合金的维氏硬度，载荷300g，加载时间15s。硬度测试结果如表8所示。
表8实施例3维氏硬度测量值
Figure BDA0003540319940000131
由表8可以发现本实施例的合金最高硬度308.6HV，硬度的平均值为292.6HV,而铸态516合金的显微硬度均值为136.6HV，铸态CuNi36Mn10合金的显微硬度均值为128.5HV，本实施例维氏硬度的平均值约为516合金的2.3倍,为CuNi36Mn10合金的2.4倍。
2)拉伸强度
参照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准进行拉伸强度测试。实验结果如表2所示；实验过程中力-位移曲线如图8所示。
表9实施例3拉伸性能表
1 2 3 抗拉强度/MPa
实施例3 616.4 601.1 612.3 609.9
对比例(516合金) 405.1 394.4 395.5 398.3
对比例(CuNi36Mn10) 450.2 473.9 458.7 460.9
由表9和图8可以发现本实施例合金的平均抗拉强度为516合金的1.5倍，为CuNi36Mn10合金的1.3倍。
3)熔化特性
采用STA449F3热分析仪对本实施例的熔化特性进行测试，升温速率为20℃/min。实验结果如表3所示，实验过程所得的DSC-温度曲线如图9所示。
表10实施例3熔化性能表
起始点 峰值
实施例3 918 952
对比例(516合金) 956 1079
对比例(CuNi36Mn10) 1133 1163
由表10和图9可以发现本实施例合金的初始熔化温度为918℃，相较于516合金的温度降低了38℃，相较于CuNi36Mn10合金的温度降低了215℃，有利于提高合金的流动性能。
由上述实施例及其实验数据可见：本发明的钻头胎体用浸渍合金在硬度、钎焊强度和熔化性能上均有较好的表现，通过对合金种类及其含量的调整实现了浸渍合金综合性能的提高，进而保障了制备所得的钻头胎体整体强度，改善了PDC石油钻头钻探能力受限、使用寿命短的技术问题，更具实用性。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (3)

1.一种钻头胎体用浸渍合金，其特征在于，所述浸渍合金包括按质量百分比计的以下组分；
Mn 22%~28%、Ni 10.5%~15%、Zn 8%~9.5%、Co 2%~2.5%、Cr 0.3%~0.6%、Zr 0.1%~0.3%和余量的Cu；
所述的钻头胎体用浸渍合金的制备方法主要包括如下步骤：
将除锰外的全部原料组分混合，感应熔炼至完全熔化后，降温至1050℃~1250℃，再将锰压入熔融液底部，保温静置，将熔融液倒入预热后的石墨坩埚中，空冷至室温，即得；
所述感应熔炼的温度为1300℃~1350℃；所述感应熔炼的时间为8min~15min；
所述保温的时间为4min~6min，所述静置的时间为1min~2min；
所述预热的温度为450℃~550℃。
2.根据权利要求1所述的钻头胎体用浸渍合金，其特征在于，混合后的原料组分表面还包括一层覆盖剂；所述覆盖剂包括脱水硼砂和/或木炭粉。
3.权利要求1所述的钻头胎体用浸渍合金在制备PDC钻头中的应用。
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