CN114855159A - 一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头及其制备方法，该基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头包括底层的钢质基材以及覆设在所述钢质基材表层的复合熔敷层，所述复合熔敷层为双层的复合结构，包括内侧的过渡层以及表层的硬质层，其中，所述过渡层为通过等离子弧熔敷工艺将镍基合金粉末熔融并加入碳化钨硬质合金颗粒进行堆焊形成，所述硬质层为碳化钨。本发明公采用双层耐磨层复合结构，利用镍基合金粉末与碳化钨之间优异的润湿性，在镍基合金粉末中添加碳化钨颗粒，并进一步将碳化钨硬质粉末涂覆在镍基耐磨层外，利用等离子弧熔敷工艺方法制造双层复合钻头，具有良好的冶金结合效果，以及较佳的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及钻头技术领域，尤其涉及一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头及其制备方法。
背景技术
钻头作为钻井工程、石油开采等工业领域中常用的钻削岩层的工具，其中，牙轮钻头作为常用的钻头应用较为广泛。牙轮钻头中常见的包括三牙轮钻头、两牙轮钻头、单牙轮钻头几类。牙轮钻头通过合金齿对地层的冲击和刮削破碎岩石，适用于软硬交替地层，对地层适应较好，其缺点是合金齿易磨损和断裂，寿命较低。或者在使用过程中，合金齿比下部钻头区域磨损慢，钻头已经发生严重磨损与合金齿之间的结合不再牢固，从而发生脱落，造成钻头无法继续使用。钻头设计和使用者都致力于将金刚石材料用于牙轮钻头上，以期待提高钻头的破岩效率和寿命。现有技术中也有将牙轮上的硬质合金切削齿替换成金刚石加强的硬质合金齿，但这种齿也因质量原因和成本较高并没有在牙轮钻头上普遍采用。多年来牙轮钻头的结构形式没有太大的变化，限制了金刚石切削元件的牙轮钻头上的使用。
在现有技术中，几乎没有对钻头结构进行改进或者优化，只能对现有的钻头材料进行不断强化来延长钻头的使用寿命，因此，当前亟待出现一种耐磨、使用寿命高的新结构钻头。
发明内容
为了克服现有技术中相关产品的不足，本发明提出一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头及其制备方法。
本发明提供的一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，包括：底层的钢质基材以及覆设在所述钢质基材表层的复合熔敷层，所述复合熔敷层为双层的复合结构，包括内侧的过渡层以及表层的硬质层，其中，所述过渡层为通过等离子弧熔敷工艺将镍基合金粉末熔融并加入碳化钨硬质合金颗粒进行堆焊形成，所述硬质层为碳化钨。
在本发明的某些实施方式中，所述钢质基材为H13钢，12CrMo钢，30CrMo钢中的一种。
在本发明的某些实施方式中，所述过渡层的组分包括如下质量百分比：C：0.6～1.0，Cr：27～31，Si：3～4.5，Fe：5～7，余量为Ni，其中所述碳化钨硬质合金颗粒的含量为所述过渡层的质量的30-60％。
在本发明的某些实施方式中，所述过渡层的厚度为5-10mm，且显微硬度平均值为HV＝1225；所述硬质层厚度为1-3mm，显微硬度为17300MPa。
本发明还提供了一种应用于上述任一项所述基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：等离子熔敷前基材预处理，包括用磨光机将钢质基材表面的铁锈和氧化层打磨干净，选用丙酮或者四氯化碳溶剂清除掉基材表面的杂质和油污，在等离子熔敷前，对钢质基材进行300℃的预热；
步骤2：将镍基合金粉末二次过筛，其中，配料中采用的过筛后粉末，其粒度尺寸分布在100～300目，粉末的形态均为球形或类球形；所述过筛后粉末在干燥箱中90℃温度下进行干燥，并均匀平铺在上述温度下保持5小时，干燥过程中对粉末进行翻动；使用球磨机混料，混料机的装粉量不超过其容积的1/3；
步骤3：根据使用的熔敷粉末成分以及熔敷层性能要求，通过预先分析钢质基体以及熔敷材料，确定的制备过渡层的工艺参数如下：选用氩气作为熔敷过程中的工作气体，工作电流160-180A，工作电压29-30V，其中，保护气体的流量为600L/h，离子气体的流量为300L/h，送粉气体的流量为400L/h，喷嘴距钢质基材表面距离8-10mm，扫描速度180-200mm/min；
步骤4：通过等离子熔敷技术，在过渡层表面制备硬质层。
在本发明的某些实施方式中，在上述步骤4中，所述在过渡层表面制备硬质层还具体包括：
用钢丝刷将过渡层表面的焊渣擦刷干净，选用丙酮或者四氯化碳溶剂清除掉过渡层表面的杂质和油污；将碳化钨粉末二次过筛，配料中采用的过筛后粉末，其粒度尺寸分布在300～500目，粉末的形态均为球形或类球形；在干燥箱中90℃温度下进行干燥，并均匀平铺在上述温度下保持5小时，干燥过程中对粉末进行翻动；将干燥后的粉末用粘结剂涂覆到过渡层上，涂覆厚度为1-3mm；采用等离子熔敷作为热源，氩气作为熔敷过程中的工作气体，工作电流为180-190A，工作电压为29-30V，保护气体的流量为600L/h，离子气体的流量为300L/h，喷嘴距过渡层表面距离8-10mm，扫描速度250-270mm/min；将碳化钨粉末与过渡层烧结在一起。
在本发明的某些实施方式中，所述粘结剂为环氧树脂、701导电胶中的一种。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1、采用双层耐磨层复合结构，利用镍基合金粉末与碳化钨之间优异的润湿性，在镍基合金粉末中添加碳化钨颗粒，并进一步将碳化钨硬质粉末涂覆在镍基耐磨层外，利用等离子弧熔敷工艺方法制造双层复合钻头，具有良好的冶金结合效果，以及较佳的耐磨性能；
2、本发明中的钻头不需要在钻头顶部打孔进行牙齿的镶嵌，可以直接进行整体制造，之后直接在钻头顶部制备高硬度复合层，大大简化了工艺流程，提高了产品的生产率；不仅保证了钻头的完整性和硬度，而且规避了使用较为昂贵的块体金刚石材料，在大大节约生产成本的同时，保证了钻头的使用寿命和工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明30％WC含量等离子熔敷过渡层XRD图谱；
图2为本发明40％WC含量等离子熔敷过渡层熔合线附近金相图片；
图3为本发明30％WC含量等离子熔敷过渡层上部金相图片；
图4为本发明40％WC含量等离子熔敷过渡层上部金相图片；
图5为本发明过渡层从熔敷层表面直至基材的硬度分布图。
附图标记说明：
1、过渡层；2、碳化钨硬质颗粒；3、熔合线；4、基材；5、Cr和W的碳化物相；6、Cr和C结合形成的二次相；7、Ni基基体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明实施例提供了一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，通过等离子熔敷技术将镍基高铬粉末碳化钨硬质颗粒粉末熔敷进行熔敷堆焊，将碳化钨颗粒充分熔融进镍基高铬粉末中。
实施例1
以H13钢板为基材，尺寸为100×100×10mm，用磨砂机将表面氧化皮打磨干净，并用乙醇清洗油污之后进行等离子堆焊。对基材进行300℃预热。堆焊基材为镍基高铬粉末，其化学成分(质量分数％)为：C：0.6～1.0，Cr：27～31，Si：3～4.5，Fe：5～7，余量为Ni。在镍基高铬粉末中分别加入质量分数为30％和40％的WC粉末。通过过筛法及显微观测法对各成分粉末进行筛选，粒度尺寸分布在100～300目，为增大粉末的流动性，粉末形态控制在球形或者类球形，然后将各成分粉末均匀平铺放入干燥箱中进行干燥，温度控制在90℃，干燥过程中对粉末加以翻动。使用行星球磨机将各成分粉末进行混合，混合时间2h，装粉量不超过球磨罐容积的1/3，采用湿磨法，在球磨罐中加入酒精，并且在氩气氛围中进行球磨。使用PTA-BX-400A型高能等离子弧粉末堆焊设备，选定氩气作为工作气，熔敷电流180A，工作电压29V，保护气体流量600L/h，离子气体流量300L/h，送粉气体流量400L/h，喷嘴距基材表面距离9mm，焊枪行进速度180mm/min。对熔敷后表面进行打磨和切样，确保熔敷层厚度一致，表面洁净。
将碳化钨粉末二次过筛，配料中采用通过第一个筛子和留在第二个筛子上的粒级粉末，其粒度尺寸分布在300～500目，粉末的形态均为球形或类球形；在干燥箱中90℃温度下进行干燥，被干燥的粉末装入盘中，均匀平铺在上述温度下保持5小时，干燥过程中要对粉末加以翻动；将干燥后的粉末用环氧树脂涂覆到过渡层上，按照需求涂覆厚度可以在1-3mm左右；采用等离子熔敷作为热源，氩气作为熔敷过程中的工作气体，工作电流180-190A，工作电压29-30V，保护气体流量600L/h，离子气体流量300L/h，喷嘴距过渡层表面距离8-10mm，扫描速度250-270mm/min。把预置碳化钨粉末与过渡层烧结在一起
图1为实施例1中30％WC含量的等离子熔敷耐磨层XRD图谱，熔敷层中含有γ-Ni、Ni3Fe等基体组织，并且包含大量的Cr和C结合形成的Cr23C6、Cr7C3等高硬度的硬质相，在基体中弥散分布起到强化作用；除此之外，Cr元素还会和Ni、B、Si等元素形成金属间化合物，提高了焊层的硬度。加入WC后，熔融的W元素固溶在晶粒中，造成晶格发生畸变，增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，未熔融的WC颗粒则以硬质相的形式弥散分布在焊层中从而进一步使合金层的硬度增加。这是因为在等离子熔敷高温作用下，Fe、Cr、C、W等元素固溶于γ-Ni，一部分合金碳化物是由于Fe，Cr等元素和C元素处于过饱和状态，在之后冷却过程中不断从晶界析出而形成，另一小部分是由于一些未熔的合金元素在高温下直接形成的。
图2是实施例1中40％WC含量的等离子熔敷层熔合线附近的金相图片。由于等离子熔敷的温度非常高(弧柱中心温度可达20000℃)，而通常试验都是在室温下进行的且基材温度都比较低，所以在熔敷过程中，沿垂直于熔敷方向会产生很大温度梯度，在熔融的合金粉末刚接触基材时，液态金属侧具有很大的正温度梯度，凝固组织以平面晶形态向前缓慢推进，不断生长，最终在熔合区和基材结合区域形成一层平面界面，形成图2中的“白亮带”，它表示熔敷层和基材的结合方式是以冶金结合，且结合状况良好，没有明显的裂纹和缺陷等问题。
图3和图4是实施例1等离子熔敷层上部金相图片，在耐磨层顶部，由于直接接触外部环境，温度下降速度极快，在熔敷过程中已经出现了大程度的成分过冷，在固液界面前沿还没有推进到的位置就已经开始形成新的晶核，并且在熔体中自由生长，形成方向各异但尺寸相近的等轴树枝晶，即图中针状的深色组织。白色不规则的块状组织，主要是由Cr和W的碳化物相组成；深色的枝状组织，主要以Cr23C6、Cr7C3以及M7C3等二次相为主；剩下的为均匀的富含Ni的基体组织构成。其中白色和深色的块体组织占整个耐磨层的60％以上，分布也比较均匀。而且从可以明显看到当WC含量逐渐增大时，等轴晶的尺寸也逐渐变大，同时白色块状组织也逐渐变大变多。
图5是实施例1中等离子熔敷层的硬度曲线，硬度最高可以达到1273HV，远远高于基材的H13钢。并且整个耐磨层硬度基本保持一致。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，其特征在于，包括底层的钢质基材以及覆设在所述钢质基材表层的复合熔敷层，所述复合熔敷层为双层的复合结构，包括内侧的过渡层以及表层的硬质层，其中，所述过渡层为通过等离子弧熔敷工艺将镍基合金粉末熔融并加入碳化钨硬质合金颗粒进行堆焊形成，所述硬质层为碳化钨。
2.根据权利要求1所述的基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，其特征在于：所述钢质基材为H13钢，12CrMo钢，30CrMo钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，其特征在于：所述过渡层的组分包括如下质量百分比：C：0.6～1.0，Cr：27～31，Si：3～4.5，Fe：5～7，余量为Ni，其中所述碳化钨硬质合金颗粒的含量为所述过渡层的质量的30-60％。
4.根据权利要求3所述的基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头，其特征在于：所述过渡层的厚度为5-10mm，且显微硬度平均值为HV＝1225；所述硬质层厚度为1-3mm，显微硬度为17300MPa。
5.一种应用于权利要求1-4任一项所述基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：等离子熔敷前基材预处理，包括用磨光机将钢质基材表面的铁锈和氧化层打磨干净，选用丙酮或者四氯化碳溶剂清除掉基材表面的杂质和油污，在等离子熔敷前，对钢质基材进行300℃的预热；
步骤2：将镍基合金粉末二次过筛，其中，配料中采用的过筛后粉末，其粒度尺寸分布在100～300目，粉末的形态均为球形或类球形；所述过筛后粉末在干燥箱中90℃温度下进行干燥，并均匀平铺在上述温度下保持5小时，干燥过程中对粉末进行翻动；使用球磨机混料，混料机的装粉量不超过其容积的1/3；
步骤3：根据使用的熔敷粉末成分以及熔敷层性能要求，通过预先分析钢质基体以及熔敷材料，确定的制备过渡层的工艺参数如下：选用氩气作为熔敷过程中的工作气体，工作电流160-180A，工作电压29-30V，其中，保护气体的流量为600L/h，离子气体的流量为300L/h，送粉气体的流量为400L/h，喷嘴距钢质基材表面距离8-10mm，扫描速度180-200mm/min；
步骤4：通过等离子熔敷技术，在过渡层表面制备硬质层。
6.根据权利要求5所述的基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头的制备方法，其特征在于：在上述步骤4中，所述在过渡层表面制备硬质层还具体包括：
用钢丝刷将过渡层表面的焊渣擦刷干净，选用丙酮或者四氯化碳溶剂清除掉过渡层表面的杂质和油污；将碳化钨粉末二次过筛，配料中采用的过筛后粉末，其粒度尺寸分布在300～500目，粉末的形态均为球形或类球形；在干燥箱中90℃温度下进行干燥，并均匀平铺在上述温度下保持5小时，干燥过程中对粉末进行翻动；将干燥后的粉末用粘结剂涂覆到过渡层上，涂覆厚度为1-3mm；采用等离子熔敷作为热源，氩气作为熔敷过程中的工作气体，工作电流为180-190A，工作电压为29-30V，保护气体的流量为600L/h，离子气体的流量为300L/h，喷嘴距过渡层表面距离8-10mm，扫描速度250-270mm/min；将碳化钨粉末与过渡层烧结在一起。
7.根据权利要求5所述的基于等离子熔敷的耐磨双层复合钻头的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂、701导电胶中的一种。
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Citations (4)
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| CN111733414A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-02 | 合肥工业大学 | 一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备wc颗粒增强金属基复合涂层的方法 |
| CN112853342A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-28 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种大厚度碳化钨涂层及其制备方法和应用 |
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2022
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