CN1298496C

CN1298496C - 超硬材料与金属基体材料复合的方法及石油钻具稳定器和石油钻头

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Publication number: CN1298496C
Application number: CNB021581053A
Authority: CN
Inventors: 张志刚; 黄春宏
Original assignee: HAINENG HAITE PETROLEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd BEIJING
Current assignee: HAINENG HAITE PETROLEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd BEIJING
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-12-23
Also published as: CN1509839A

Abstract

一种超硬材料与金属基体材料复合的方法，制作形状记忆合金容器，并对其进行定型处理，使其内部空间小于超硬材料的轮廓尺寸，超硬材料将在后续步骤中置入容器中；对容器进行扩张其容量的处理；将超硬材料置入形状记忆合金容器内，激发其形状记忆效应，使形状记忆合金容器箍紧超硬材料，两者形成复合体；将复合体过盈配合镶固在金属基体上。本发明还涉及一种超硬材料与金属基体材料复合方法制成的石油钻具稳定器；和一种用该方法制成的石油钻头。本发明工艺简单，成本低，加热温度低，不影响超硬材料和金属基体材料本身的性能，同时，由于形状记忆合金的超弹性与高阻尼减震特性，可缓冲外界载荷的冲击应力，避免应力集中和脆性破碎。

Description

超硬材料与金属基体材料复合的方法及石油钻具稳定器和石油钻头

技术领域：

本发明涉及一种超硬材料与金属基体材料复合的方法，特别是一种通过形状记忆合金管套将超硬材料柱体包裹后镶固在金属基体上的方法，可应用在石油钻探工具方面，属于石油钻井工具技术领域。

背景技术：

超硬材料通常指的是金刚石类材料，例如：天然金刚石、人造聚晶金刚石PCD、聚晶金刚石复合块PDC和孕镶金刚石烧结块以及立方氮化硼CBN等具有极高的硬度和耐磨性的材料。超硬材料与金属材料，尤其是钢复合可以制成综合性能极佳的各种超硬耐磨工具。目前广泛应用于石油钻探工具、地质勘探、采矿工程、切削刀具、磨具及特殊耐磨件等领域。现有技术中一般采用无压浸渍烧结法或钎焊法，将超硬材料和合金钢连接在一起。上述的这些方法，实现起来工艺复杂，成本较高，而且烧结焊接过程中的高温加热会明显降低超硬材料和金属基体的综合性能。

现有技术中还有采用过盈配合的方式将碳化钨硬质合金齿镶固在钢基体上的方法，但该方法对硬质合金齿柱的加工精度要求很高，一般需要采用磨削加工才能达到最终装配尺寸。但对于高温压制的金刚石聚晶或立方氮化硼聚晶来说，由于其形状和尺寸的误差较大，无法直接用过盈配合的方法镶固在金属基体上，只能采用磨削加工的方法，使其达到最终装配尺寸。而这种超硬材料的磨削加工难度大、时间长、成本高，所以工业应用上难以直接将超硬材料柱体镶固在金属基体上。

发明内容：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足提供一种超硬材料与金属基体材料复合的方法，工艺简单，成本低，加热温度低，不影响超硬材料和金属基体材料本身的性能。

本发明的另一目的在于针对现有技术的不足提供超硬材料与金属基体材料复合的方法，可缓冲外界载荷的冲击应力，避免应力集中和脆性破碎。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种超硬材料与金属基体材料复合的方法，该复合方法包括如下工艺步骤：

步骤1：制作形状记忆合金容器，并对其进行定型处理，使其内部空间小于超硬材料的轮廓尺寸；

步骤2：对形状记忆合金容器进行扩张处理，将超硬材料置入其中；

步骤3：激发该容器的形状记忆效应，使该形状记忆合金容器箍紧超硬材料，两者形成复合体；

步骤4：将复合体过盈配合镶固在金属基体上。

步骤1中形状记忆合金容器壁厚范围为0.5-5mm，容器内部尺寸比超硬材料轮廓尺寸小2％-15％。

步骤2中扩张处理为为在室温或低温下机械扩张该形状记忆合金容器的容积，使形状记忆合金容器内部尺寸大于超硬材料的轮廓尺寸。

形状记忆合金容器的形状为管套，置入其中的超硬材料的形状为圆柱体。

上述的激发为对容器本体进行加热处理。

在步骤4之前还进一步包括对复合体的外部进行磨削加工，使其达到装配尺寸。

过盈配合中的过盈量为0.02-0.20mm。

在复合体底部和金属基体之间还设有用于减震的记忆合金垫片，该垫片的厚度范围为0.5-5mm。

超硬材料为天然金刚石或者人造聚晶金刚石PCD或者聚晶金刚石复合块PDC或者孕镶金刚石烧结块或者立方氮化硼CBN。

形状记忆合金容器的材质为NiTi二元合金或者NiTiNb三元合金或者NiTiCu三元合金或者Fe-Mn-Si系合金或者Cu基合金。

上述的超硬材料与金属基体材料复合方法可以具体应用在石油钻探工具上，制成超硬耐磨的石油钻具稳定器和钻头等。

本发明还提供了一种应用上述各方案中所述超硬材料与金属基体材料复合方法制成的石油钻具稳定器，将一个以上超硬材料柱体用形状记忆合金管套包裹后，过盈配合镶嵌到钻具稳定器的钢基体上的齿孔中，形成表面耐磨层。

本发明又提供了一种应用上述各方案中所述超硬材料与金属基体材料复合方法制成的石油钻头，将一个以上超硬材料柱体用形状记忆合金管套包裹后，过盈配合镶嵌到钻头表面的齿孔中，形成高硬度、高耐磨性的钻头牙齿，提高钻头的耐磨性。

本发明的主要优点是：工艺简单，成本低，加热温度低，不影响超硬材料和金属基体材料本身的性能，可以很好地解决超硬材料柱体和金属基体的结合问题。同时，由于形状记忆合金的超弹性与高阻尼减震特性，可缓冲外界载荷的冲击应力，避免应力集中和脆性破碎。

附图说明：

图1为本发明形状记忆合金管套结构示意图；

图2为本发明形状记忆合金管套扩孔后的结构示意图；

图3为本发明形状记忆合金管套内放入超硬材料后的结构示意图；

图4为本发明复合体结构示意图；

图5为本发明复合体镶固在金属基体上的结构示意图之一；

图6为本发明复合体镶固在金属基体上的结构示意图之二；

图7为本发明镶嵌金刚石聚晶柱体的钻具稳定器结构示意图；

图8为图7中A-A剖面的局部放大图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地说明。

实施例1：

本发明超硬材料与金属基体材料复合方法的工艺过程包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，制作形状记忆合金容器，其形状为管套2，通常管套的壁厚范围为0.5-5mm，其最佳值根据超硬材料柱体1直径及镶固工艺要求来确定。在管套2内部尺寸比超硬材料柱体1轮廓尺寸小2％-15％的情况下，对其进行定型处理。超硬材料柱体1将在后续步骤中置入管套2中。

步骤2：如图2所示，对管套2进行扩张其容量的处理，即扩孔处理；在室温或低温下机械扩孔，使管套2内部尺寸大于超硬材料柱体1的轮廓尺寸。

步骤3：如图3所示，先将超硬材料1置入形状记忆合金管套2内，然后将其加热到适当温度，通常为50-150℃，由于形状记忆合金管套2受热后即产生恢复至原有形状，而超硬材料1阻止其缩径变形，致使记忆合金管套2以很大的回复力紧紧地箍住超硬材料1，这样形成一个复合体4。复合体4形成后，将其外部形状磨削加工为最终装配尺寸，如图4所示。

步骤4：如图5所示，将复合体4过盈配合镶固在金属基体3上，其过盈量为0.02-0.20mm。在金属基体3的齿孔底部放置了一个记忆合金垫片5，以缓冲减震。在不用减震的情况下，可以不需要垫片5，垫片5的厚度范围为0.5-5mm，其结构如图6所示。

超硬材料1为天然金刚石或者人造聚晶金刚石PCD或者聚晶金刚石复合块PDC或者孕镶金刚石烧结块或者立方氮化硼CBN。其镶入管套2内的部分形状为圆柱体，露出管套2的部分可以为其他形状。

形状记忆合金管套2的材质为NiTi二元合金或者NiTiNb三元合金或者NiTiCu三元合金或者Fe-Mn-Si系合金或者Cu基合金。

实施例2：

上述的超硬材料与金属基体材料复合方法可以具体应用在石油钻探工具上，比如：石油钻具稳定器的应用，如下所述：

在石油钻井中广泛使用钻具稳定器，用来稳定钻头、控制井眼轨迹和修整井壁，特别是在定向井和水平井中，对钻具稳定器的耐磨性提出了更高的要求。目前普遍使用的钻具稳定器主要以碳化钨硬质合金作为其表面的耐磨层，一般采用在钢基体上镶嵌碳化钨柱体、焊接碳化钨块或堆焊碳化钨等方式。在定向井和水平井中，由于与井壁的接触载荷较大，以碳化钨作为耐磨层的钻具稳定器磨损严重，寿命较短，钻具稳定器磨损后影响井眼轨迹控制的准确性。为了提高钻具稳定器的耐磨性和使用寿命，可以采用本发明上述的方法在钢基体上镶嵌金刚石聚晶柱体取代碳化钨柱体作为其耐磨层，由于金刚石聚晶柱体的耐磨性是碳化钨柱体的90-100倍左右，因此可大大提高钻具稳定器的耐磨性。

如图7所示，为本发明镶嵌金刚石聚晶柱体的钻具稳定器结构示意图。由图中可知，采用上述方法，将一个以上金刚石聚晶柱体1’用形状记忆合金管套2包裹后，过盈配合镶嵌到钻具稳定器的钢基体3上的齿孔中，形成表面耐磨层。图8为图7中A-A剖面的局部放大图，可明确显示出过盈配合镶嵌到钻具稳定器的钢基体3上的一个以上金刚石聚晶柱体1’，以及形状记忆合金管套2之间具体的位置关系。

实施例3：

上述的超硬材料与金属基体材料复合方法可以具体应用在石油钻探工具上，比如：钻头。

通过相同的方法，在牙轮钻头的钻头体或牙爪背部、牙轮表面上，镶嵌金刚石聚晶柱体或金刚石聚晶牙齿，作为保径齿或修边齿，取代目前使用的碳化钨硬质合金齿，能够大大提高钻头的耐磨性和保径能力，起保持钻头直径和修整井壁的作用。

还有另一种应用方式，在目前镶嵌碳化钨硬质合金齿的基础上，采用形状记忆合金管套包箍硬质合金齿柱后，再过盈镶嵌到牙轮表面的齿孔中，由于形状记忆合金的超弹性与高阻尼减震特性，可缓冲外界载荷的冲击应力，避免牙齿碎裂。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：该复合方法包括如下工艺步骤：

步骤2：对形状记忆合金容器进行扩张处理，将超硬材料置入形状记忆合金容器内；

步骤4：将复合体过盈配合镶固在金属基体上。

2、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的步骤1中形状记忆合金容器壁厚范围为0.5-5mm，容器内部尺寸比超硬材料轮廓尺寸小2％-15％。

3、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的步骤2中扩张处理为在室温或低温下机械扩张该形状记忆合金容器的容积，使形状记忆合金容器内部尺寸大于超硬材料的轮廓尺寸。

4、根据权利要求1或2或3所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的形状记忆合金容器的形状为管套，置入其中的超硬材料的形状为圆柱体。

5、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的激发为对容器本体进行加热处理。

6、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：在步骤4之前还进一步包括对复合体的外部进行磨削加工，使其达到装配尺寸。

7、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的过盈配合中的过盈量为0.02-0.20mm。

8、根据权利要求1所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：在复合体底部和金属基体之间还设有用于减震的记忆合金垫片，该垫片的厚度范围为0.5-5mm。

9、根据权利要求1或2或3所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的超硬材料为天然金刚石或者人造聚晶金刚石PCD或者聚晶金刚石复合块PDC或者孕镶金刚石烧结块或者立方氮化硼CBN。

10、根据权利要求1或2或3所述的超硬材料与金属基体材料复合的方法，其特征在于：所述的形状记忆合金容器的材质为NiTi二元合金或者NiTiNb三元合金或者NiTiCu三元合金或者Fe-Mn-Si系合金或者Cu基合金。

11、一种应用根据权利要求1-10任一所述超硬材料与金属基体材料复合方法制成的石油钻具稳定器，其特征在于：将一个以上超硬材料柱体用形状记忆合金管套包裹后，过盈配合镶嵌到钻具稳定器的钢基体上的齿孔中，形成表面耐磨层。

12、一种应用根据权利要求1-10任一所述超硬材料与金属基体材料复合方法制成的石油钻头，其特征在于：将一个以上超硬材料柱体用形状记忆合金管套包裹后，过盈配合镶嵌到钻头表面的齿孔中，形成高硬度牙齿，提高钻头的耐磨性。