CN115971495A - 高耐磨牙轮钻头的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井工具技术领域，特别是一种高耐磨牙轮钻头的制作方法。包括以下步骤：一、制作耐磨材料，二、将步骤一的耐磨材料和齿本体放入到模具中进行烧结，使耐磨材料附着在齿本体上；三、取出烧结体，经850℃保温1小时油冷，随后490℃回火1小时，出炉空冷；四、最后进行机加工，将烧结体加工到需要的尺寸，通过车削齿根部的预留部分，精确的车削及磨削到设计尺寸，保证与牙轮孔的过盈配合。本发明通过烧结的方法制作一种特殊的齿，引入金刚石层，可以有更优良的耐磨性，基体为合金钢，通过热处理，本体保持非常良好的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工具技术领域，特别是一种高耐磨牙轮钻头的制作方法。
背景技术
牙轮钻头是石油钻采行业的一种重要的工具，广泛应用于石油、天然气、地热、水井等行业的钻采作业，三牙轮钻头是目前牙轮钻头的主要形式，三牙轮是由三片牙掌单片通过焊接组合而成，目前单片钻头掌片在工程方面的应用也非常广泛，将数片掌片焊接在钢制本体上做成的非开挖工具，穿越工具等用于打成品油管线，天然气管线，大桥的桥桩孔等等。
三牙轮钻头目前主要有两种形式，一种为钢齿钻头，在牙轮上直接通过铣削加工出齿，通过氧乙炔火焰将耐磨材料熔覆在齿的表面，耐磨材料主要为碳化钨焊条，焊接后加强齿的耐磨性能。另一种钻头为镶齿钻头，以钢材加工成牙轮，硬质合金烧结齿通过过盈配合压入牙轮的齿孔中。
现有的钻头齿都是通过堆焊的方式加工耐磨层，但金刚石由于在空气中，金刚石超过800℃很容易发生氧化随后变为石墨，因此不能使用氧乙炔在齿表面堆焊的方法。
发明内容
本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种高耐磨牙轮钻头的制作方法。
具体技术方案如下：
一种高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制作耐磨材料，耐磨材料的配比如下：
金刚石单晶：0.7mm粒度5.5％
铸造碳化钨：60-80目14.5％
铸造碳化钨：80-200目60％
单晶碳化钨：200-400目13％
Ni粉：100-200目7％
步骤二、将步骤一的耐磨材料和齿本体放入到模具中进行烧结，使耐磨材料附着在齿本体上；
步骤三、取出烧结体，经850℃保温1小时油冷，随后490℃回火1小时，出炉空冷；
步骤四、最后进行机加工，将烧结体加工到需要的尺寸，通过车削齿根部的预留部分，精确的车削及磨削到设计尺寸，保证与牙轮孔的过盈配合。
优选地，所述金刚石单晶选用带有包覆层的金刚石，包覆材料选择Ni，Ti或者Si。
优选地，步骤二中、先将耐磨材料放入到模具腔体的底部，在放入齿本体，用工装定位。
优选地，拆掉工装，在齿本体的后半部分周围装填导流粉。
优选地，所述导流粉为Fe粉、316不锈钢粉、Ni粉或单质的金属钨粉。
优选地，烧结过程在Ar气体保护炉中烧结。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过烧结的方法制作一种特殊的齿，引入金刚石层，可以有更优良的耐磨性，基体为合金钢，通过热处理，本体保持非常良好的韧性。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是本发明中工装的结构示意图；
图3是本发明中工装的定位套俯视图；
图4是本发明中工装的定位套侧视图；
图5-9为本发明中烧结后不同形状的齿结构图。
具体实施方式
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。本发明采用一种全新齿，用于相应的地层钻采，也可以用于某些穿越管线或者孔类的施工。
齿5的材料选择钢材，可以为合金钢，也可以是工具钢，最终钢材通过热处理达到设计要求的硬度和韧性即可。
耐磨材料选用金刚石混入，由于在空气中，金刚石超过800℃很容易发生氧化随后变为石墨，因此不能使用氧乙炔在齿表面堆焊的方法。
金刚石选用金刚石单晶，粒度可以根据需要选择0.2mm，0.5mm，0.7mm甚至1mm等等。为了提升金刚石的与其他材料的粘接能力，选用带有包覆层的金刚石，就是行业内称为“包衣”，常用的包覆材料有Ni，Ti或者Si，可以根据需要选择，本专业使用包覆Ti的金刚石单晶0.7mm粒度作为例子。
其他材料选择
金刚石堆积密度取3.4g/cm3，碳化钨粉末堆积密度取15.5，二者密度相差较大，设计的金刚石体积百分比为20％，通过计算，金刚石的质量百分比约为5.3％，按5.5％添加。
金刚石单晶：0.7mm粒度5.5％
铸造碳化钨：60-80目14.5％
铸造碳化钨：80-200目60％
单晶碳化钨：200-400目13％
Ni粉：100-200目7％
以上粉末的混合量根据生产的需要进行计算，可以在自动的混料机中进行，也可以人工混，需要注意的是，金刚石的密度和碳化钨密度相差较大，不容易混合均匀，可以采用一些化学试剂，如添加液态石蜡等辅助混合，最终的作用是形成齿的耐磨层1。
耐磨层与齿本体通过烧结进行结合。
齿形可以根据需要进行加工，可以见以下几种齿形，如球头齿，楔形齿或者不对称的楔形齿甚至锥形齿，对于耐磨层的厚度需要在齿基体上进行预留，预留的多少可以根据工况和设计的需求进行。
以上为准备烧结的模具和齿以及装填粉末的组装图，齿可以为球形，可以为锥球型，可以为楔形，齿的本体可以对称，也可以不对称，烧结层可以为均匀型也可以不均匀型，如齿端部可以略厚，或者齿根部略厚。总之通过模具的角度和齿本体的角度设计达到制作不同齿形的目的。对于齿的中心定位，可以通过一些专门设计的工装进行，当然工装的形式不限于此，本发明仅举例说明。
举例
可在模具内计算好顶部的装粉量，将金刚石和碳化钨的混合粉末装入模具的齿顶部分，随后放入齿的基体(以合金钢为例)，随后使用工装定位中心。举例的一种工装见如图2-4所示，四个爪子分别卡到齿的四个方位定位，当然，工装类型不限于此。
随后将图中示意的齿的冠部都装填金刚石、碳化钨混合粉，此粉末装填完毕后，就能拆掉工装。随后装填齿后半部分(圆柱部分)四周的导流粉。
模具4采用石墨模具，齿的下端部填充包含金刚石的混合粉末，导流粉2为普通金属粉末，主要作用为导流以及过滤，可以使用Fe粉，不锈钢粉如304不锈钢粉，316不锈钢粉，Ni粉甚至单质的金属钨粉，起到烧结导流以及过滤钎料的氧化膜等作用。粒度选择80-200目或者其他粒度，能够起到作用即可。
石墨模具耐高温，在高温时与氧也会发生反应生成一氧化碳(Co)，有一定的还原作用，对于金刚石起到保护。
烧结炉采用气体保护炉，可以使用N2气或者Ar等惰性气体保护，本发明使用Ar气体保护炉做烧结。
钎料3可以使用Cu-Mn-Ni，Cu-Mn-Ni-Sn或者Cu-Mn-Ni-Zn以及Cu-Mn-Co混合的低温合金，其中的元素可以根据需要和烧结的温度进行调整，使用Cu-Mn-Ni-Zn材料作为钎料，Ni 8％，Mn15％，Zn 20％Cu余量。加入少量的助溶及脱氧剂，如硼、磷类的化合物进铜合金的辅助熔化及脱氧，烧结温度为1050℃，烧结时间40分钟，随后随炉冷却。
当烧结完毕后，将石墨模具破坏取出烧结体，烧结体根据钢材进行淬火+回火处理(炉内甲醇和氮气作气氛保护)，齿基体5为40CrNiMo材料经850℃保温1小时油冷，随后490℃回火1小时，出炉空冷。当然，材料不限于此，选择合适的强度和韧性的材料即可。
最后进行机加工，将烧结体加工到需要的尺寸，通过车削齿根部的预留部分，精确的车削及磨削到设计尺寸，保证与牙轮孔的过盈配合。
如图5-9所示，使用这种方法，烧结层可以根据模具和齿基体的调整制作出不同的齿，以上一些例子，调整顶部厚度，调整根部厚度，根部不对称，齿顶部与底部不对称等等，例子不限于这些。成品齿制作完毕后，压入牙轮孔完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制作耐磨材料，耐磨材料的配比如下：
金刚石单晶：0.7mm粒度 5.5％
铸造碳化钨：60-80目 14.5％
铸造碳化钨：80-200目 60％
单晶碳化钨：200-400目 13％
Ni粉： 100-200目 7％
步骤二、将步骤一的耐磨材料和齿本体放入到模具中进行烧结，使耐磨材料附着在齿本体上；
步骤三、取出烧结体，经850℃保温1小时油冷，随后490℃回火1小时，出炉空冷；
步骤四、最后进行机加工，将烧结体加工到需要的尺寸，通过车削齿根部的预留部分，精确的车削及磨削到设计尺寸，保证与牙轮孔的过盈配合。
2.根据权利要求1所述的高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于，所述金刚石单晶选用带有包覆层的金刚石，包覆材料选择Ni，Ti或者Si。
3.根据权利要求1所述的高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于，步骤二中、先将耐磨材料放入到模具腔体的底部，在放入齿本体，用工装定位。
4.根据权利要求3所述的高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于，拆掉工装，在齿本体的后半部分周围装填导流粉。
5.根据权利要求4所述的高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于，所述导流粉为Fe粉、316不锈钢粉、Ni粉或单质的金属钨粉。
6.根据权利要求1所述的高耐磨牙轮钻头的制作方法，其特征在于，烧结过程在Ar气体保护炉中烧结。
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