CN1818104A - 石油钻井钻头用浸润合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
石油钻井钻头用浸润合金的制备方法，涉及一种铜基合金，其步骤是：A.配料，将原材料按Ni∶Cu∶CuMn中间合金∶CuSn中间合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；B.熔炼，将A中的原料依次加入真空感应加热炉中加热至金属全部熔化后，加脱氧和变质剂为原材料金属重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并进行搅拌；C.精炼，在高于熔炼温度50～220℃的范围真空重熔10～20分钟，然后浇铸，即制得石油钻井钻头用浸润合金。该方法制备的石油钻井钻头用浸润合金比已有浸润合金的熔点低、强度高、材料成本低、流动性好。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及一种铜基合金，具体地说是一种石油钻井钻头用浸润合金的制备方法。
背景技术
石油钻井用多晶金刚石粉结合体(以下简称PDC)钻头切削刃所采用的超硬PDC，具有较强的耐磨性，钻进效率高，钻头寿命长，适应于石油钻井、采矿、采煤等探矿掘进工程的使用。
2003年以来，国际上美国克里斯坦森公司、史密斯钻头公司等13家知名钻头制造公司所推出的新型石油钻井用PDC钻头是采用铸造碳化钨粉(以下简称WC)加入浸润合金无压烧结制成的。钻头的使用寿命、抗剪切能力、耐磨性能，均取决于浸润合金性能的优劣程度。目前所使用的浸润合金大多数为Cu-Ni-Mn合金，成分为Ni：30-40％、Mn：10-20％、Cu余量。这种合金材料的成本高、抗拉强度较低、流动性差、熔点偏高，其浸渗温度为1200℃～1210℃。CN 91100132.8披露了用作基体岩石钻头中浸渗粘结剂的低熔点铜-锰-锌合金。它是一种含有约5％至65％重量的锰，35％以下重量的锌，其余为铜的新型浸渗合金，该浸渗合金最好含有20％重量的锰，20％重量的锌，其余为铜。虽然该浸渗合金的浸渗温度有所降低，但流动性下降。并且，加入高含量的Mn就不可避免的使其基体合金的晶粒粗大，又降低了基体合金的强度和韧性。
总之，目前已有石油钻井钻头用浸润合金研制方面的困难是：
1.随着合金的熔点降低材料强度降低：目前常用的铜基合金，如黄铜、青铜，在较低温度浇铸时，铸态下抗拉强度偏低，合金基体与碳化钨粉的润湿性不良，界面结合力差。
2.在较高温度浇铸时，随着合金的浸润性提高合金的流动性变坏：在浸润合金中随着镍含量的增加合金的熔点升高，就需要高的成型烧结温度。温度过高对基体碳化钨粉造成损害。随着锰含量的增加提高了合金的浸润性，但流动性下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种石油钻井钻头用浸润合金的制备方法，该方法制备的石油钻井钻头用浸润合金比已有浸润合金的熔点低、强度高、材料成本低、流动性好。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：本发明的石油钻井钻头用浸润合金的制备方法，其步骤是：
A.配料：将原材料按Ni∶Cu∶CuMn中间合金∶CuSn中间合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；
B.熔炼：将按上述比例称好的Ni、Cu、CuMn中间合金、CuSn中间合金依次加入真空感应加热炉中，抽真空，真空度为1.3～1.6×10Pa，加热到1200℃～1250℃，至金属全部熔化后加脱氧和变质剂为原材料金属重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并进行磁场搅拌和/或机械搅拌，SiFe的组成为55～85％Si∶15～45％Fe，CuLi的组成为95.9～99.1％Cu∶0.9～4.9％Li；
C.精练：在高于熔炼温度50～220℃的温度范围进行真空重熔10～20分钟，然后出炉浇铸，即制得石油钻井钻头用的浸润合金。
上述方法中各种组分的含量比均为重量百分比。
本发明的有益效果是：
1.成本降低：本发明石油钻井钻头用浸润合金的镍含量降低了10％，因而材料成本较已有石油钻井钻头用浸润合金降低了1倍。
2.熔点降低：在本发明合金中加入了熔点低的Sn。Sn能显著提高基体合金对金刚石的润湿性，且Sn与基体合金中的Ni形成固溶体，使合金的熔点降低至1030℃～1050℃，与已有石油钻井钻头用浸润合金相比熔点降低了150℃，节省了能源。
3.本发明合金中Mn的含量较低，且加入了起到晶粒细化作用的0.3～1.0％SiFe和0.3～0.9％CuLi，这就能明显地细化晶粒，显著提高基体合金的力学性能。本发明合金的抗拉强度和剪切强度比已有石油钻井钻头用浸润合金提高了100～120mPa。(见下表2)
4.本发明合金中加入适量的Mn，使合金的流动性大大提高。
表1 石油钻井钻头用浸润合金的成分
| 材料编号 | 材料成分 | 备注 |
| 1号 | 8～12％Ni∶65～75％Cu∶5～10％CuMn中间合金∶6～13％CuSn中间合金，加入0.3～1.0％SiFe和0.3～0.9％CuLi | 本发明合金 |
| 2号 | Cu-38Ni-15Mn | 先有合金 |
表2 石油钻井钻头用浸润合金的性能
表2中，UTS为极限抗拉强度的英文缩写，mpa是强度单位，是国际上通用的写法。
具体实施方式
实施例1
1.配料：将原材料按Ni∶Cu∶CuMn中间合金∶CuSn中间合金＝8％∶75％∶5％∶12％的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝75.5％∶23％∶1.5％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝75.5％∶23％∶1.5％；
2.熔炼：将按比例称好的Ni、Cu、CuMn中间合金、CuSn中间合金依次加入50kg真空感应加热炉中，抽真空，真空度为1.3×10Pa，加热到1200℃，至金属全部熔化后加脱氧和变质剂为原材料金属重量的0.3％的SiFe和0.3％的CuLi，并进行磁场搅拌和机械搅拌，SiFe的组成为55％Si∶45％Fe，CuLi的组成为95.1％Cu∶4.9％Li；
3.精练：在高于熔炼温度50℃的温度下进行真空重熔10分钟，然后出炉浇铸，即制得石油钻井钻头用的浸润合金。
上述方法中各种组分的含量比均为重量百分比。
实施例2
1.配料：将原材料按10％电解镍∶73％电解铜∶7.5％CuMn中间合金∶9.5％CuSn中间合金的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝70％∶29％∶1％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝70％∶29％∶1％；
2.熔炼：将按比例称好的Ni、Cu、CuMn中间合金、CuSn中间合金依次加入真空感应加热炉中，抽真空，真空度为1.5×10Pa，加热到1230℃，至金属全部熔化后加脱氧和变质剂为原材料金属重量的0.6％的SiFe和0.6％的CuLi，并进行磁场搅拌，SiFe的组成为70％Si∶30％Fe，CuLi的组成为97.1％Cu∶2.9％Li；
3.精练：在高于熔炼温度140℃的温度下进行真空重熔15分钟，然后出炉浇铸，即制得石油钻井钻头用的浸润合金。
上述方法中各种组分的含量比均为重量百分比。
实施例3
1.配料：将原材料按Ni∶Cu∶CuMn中间合金∶CuSn中间合金＝12％∶69％∶10％∶9％的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝65.5％∶34％∶0.5％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝65.5％∶34％∶0.5％；
2.熔炼：将按比例称好的Ni、Cu、CuMn中间合金、CuSn中间合金依次加入50kg真空感应加热炉中，抽真空，真空度为1.6×10Pa，加热到1250℃，至金属全部熔化后加脱氧和变质剂为原材料金属重量的1.0％的SiFe和0.9％的CuLi，并进行机械搅拌，SiFe的组成为85％Si∶15％Fe，CuLi的组成为99.1％Cu∶0.9％Li；
3.精练：在高于熔炼温度220℃的温度下进行真空重熔20分钟，然后出炉浇铸，即制得石油钻井钻头用的浸润合金。
上述方法中各种组分的含量比均为重量百分比。
Claims (2)
1.石油钻井钻头用浸润合金的制备方法，其特征在于步骤是：
A.配料：将原材料按Ni∶Cu∶CuMn中间合金∶CuSn中间合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例称好，其中，CuMn中间合金的组成为Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中间合金的组成为Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；
B.熔炼：将按上述比例称好的Ni、Cu、CuMn中间合金、CuSn中间合金依次加入真空感应加热炉中，抽真空，真空度为1.3～1.6×10Pa，加热到1200℃～1250℃，至金属全部熔化后加脱氧和变质剂为原材料金属重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并进行磁场搅拌和/或机械搅拌，SiFe的组成为55～85％Si∶15～45％Fe，CuLi的组成为95.9～99.1％Cu∶0.9～4.9％Li；
C.精练：在高于熔炼温度50～220℃的温度范围进行真空重熔10～20分钟，然后出炉浇铸，即制得石油钻井钻头用的浸润合金。
上述方法中各种组分的含量比均为重量百分比。
2.根据权利要求1所述的石油钻井钻头用浸润合金的制备方法，其特征在于：所用的原料Ni是电解镍，原料Cu是电解铜。
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