CN108754492A - 一种pdc钢体钻头表面增强方法 - Google Patents

一种pdc钢体钻头表面增强方法 Download PDF

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C24/10Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明属于PDC钻头表面加工技术领域,具体涉及一种PDC钢体钻头表面增强方法,包括在其表面熔覆结合层和增强层。本发明相比现有技术具有以下优点:本发明中通过在钻头表面熔覆结合层和增强层,能够实现增强层与工件基体之间具有较高的结合强度,增强层中通过,使其表面耐磨性提高,且表面光滑,能够提高钻头的工作效率,提高原料利用率,有效避免了表层剥落等问题。

Description

一种PDC钢体钻头表面增强方法
技术领域
本发明属于PDC钻头表面加工技术领域,具体涉及一种PDC钢体钻头表面增强方法。
背景技术
PDC钻头按基体材质分为胎体和钢体两种,但制造工艺截然不同,钢体钻头造型不必受刀翼强度的限制,生产效率高,生产成本低,比胎体钻头具有更多的优越性,随着高压喷射钻头技术的不断完善,钻头泵压不断提高,钢体钻头的冲蚀失效问题日益加重,严重影响了钻井的速度,因此现有技术通过研究如何提高钻头的耐冲蚀性提高钢钻头的应用范围,现有技术中通过氧化乙炔焰将碳化钨管状焊条融化堆焊在钻头表面,实现堆焊层与钻头基体结合,能够有效避免堆焊层脱落,但其耐磨性差,致密性较低,堆焊层表面光洁度差,还需要进一步打磨,在打磨过程中还可能会影响堆焊层的性能;而通过热喷涂使涂层加热融化或半熔化,利用高速气体使涂层分散材料高速撞击形成涂层,机械结合为主的结合激励决定了热喷涂涂层的结合强度比较差,只相当于母体材料的5-30%,最高也只打到70MPa,因此钻头上涂层容易出现脱层现象,因此,如何在保证涂层结合强度的基础上,提高PDC钢体钻头的耐磨性和表面光滑程度是现在需要研究解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题,提供了一种PDC钢体钻头表面增强方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种PDC钢体钻头表面增强方法,包括以下内容:
(1)用清洗剂去除钻头刀翼的齿窝和排削槽内的油污或其他污渍,然后用清水冲洗干净;
(2)配制结合层粉末,包括以下重量份的原料:铁粉22-26份、费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉6-8份、铜粉1-5份、碳化铝2-4份;
配制增强层粉末,包括以下重量份的原料:钛粉4-10份、重组粉料12-18份、平均粒径为0.5-1.0μm的锡粉2-6份、钴粉1-3份;
所述重组粉料包括以下重量份的原料铁10-12份、镍4-7份、钼1-3份、氮化钛0.8-1.6份、改性六环石粉6-10份;
(3)将步骤(1)处理后的钻头送入加热设备中,在温度为300-400℃的条件下加热1-2小时,完成后将结合层粉末熔覆在钻头表面,得到厚度为0.2-0.6mm的结合层;
(4)用质量浓度为8.2-8.6%的盐酸溶液冲洗结合层表面,完成后用酒精冲洗干净,在温度为85-90℃的烘箱中使其表面烘干;
(5)将增强层粉末熔覆在结合层表面,形成厚度为1.4-1.8mm的增强层。
作为对上述方案的进一步改进,所述清洗剂为金属油污清洗剂JC-015,清洗过程中配合超声波频率为60-70kHz。
作为对上述方案的进一步改进,所述改性六环石粉的制备方法将六环石粉在质量浓度为6%的硝酸溶液中浸泡30-40分钟,完成后取出用去离子水冲洗至中性,然后在温度为620-680℃的条件下煅烧12-16小时,干燥粉碎过200目筛得到。
作为对上述方案的进一步改进,所述重组粉料的制备方法为将各原料按配比混合后,在氮气氛围下,用球磨机在球料比为20:1、转速为600-800转/分钟的条件下球磨20-24小时即得。
作为对上述方案的进一步改进,所述步骤(3)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2600-2800W,光板直径为1.6-2.2mm,熔覆扫描速率为220-240mm/分钟。
作为对上述方案的进一步改进,所述盐酸溶液的温度为45-55℃。
作为对上述方案的进一步改进,所述步骤(5)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2900-3000W,光板直径为2.4-2.8mm,熔覆扫描速率为160-180mm/分钟。
本发明相比现有技术具有以下优点:本发明中通过在钻头表面熔覆结合层和增强层,能够实现增强层与工件基体之间具有较高的结合强度,增强层中通过,使其表面耐磨性提高,且表面光滑,能够提高钻头的工作效率,提高原料利用率,有效避免了表层剥落等问题。
具体实施方式
实施例1
一种PDC钢体钻头表面增强方法,包括以下内容:
(1)用清洗剂去除钻头刀翼的齿窝和排削槽内的油污或其他污渍,然后用清水冲洗干净;
(2)配制结合层粉末,包括以下重量份的原料:铁粉24份、费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉7份、铜粉3份、碳化铝3份;
配制增强层粉末,包括以下重量份的原料:钛粉7份、重组粉料15份、平均粒径为0.5-1.0μm的锡粉4份、钴粉2份;
所述重组粉料包括以下重量份的原料铁11份、镍5.5份、钼2份、氮化钛1.2份、改性六环石粉8份;
(3)将步骤(1)处理后的钻头送入加热设备中,在温度为350℃的条件下加热1.5小时,完成后将结合层粉末熔覆在钻头表面,得到厚度为0.4mm的结合层;
(4)用质量浓度为8.4%的盐酸溶液冲洗结合层表面,完成后用酒精冲洗干净,在温度为88℃的烘箱中使其表面烘干;
(5)将增强层粉末熔覆在结合层表面,形成厚度为1.6mm的增强层。
其中,所述清洗剂为金属油污清洗剂JC-015,清洗过程中配合超声波频率为65kHz。
其中,所述改性六环石粉的制备方法将六环石粉在质量浓度为6%的硝酸溶液中浸泡35分钟,完成后取出用去离子水冲洗至中性,然后在温度为650℃的条件下煅烧14小时,干燥粉碎过200目筛得到;
所述重组粉料的制备方法为将各原料按配比混合后,在氮气氛围下,用球磨机在球料比为20:1、转速为700转/分钟的条件下球磨22小时即得。
其中,所述步骤(3)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2700W,光板直径为2mm,熔覆扫描速率为230mm/分钟;所述盐酸溶液的温度为50℃;所述步骤(5)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2950W,光板直径为2.6mm,熔覆扫描速率为1780mm/分钟。
实施例2
一种PDC钢体钻头表面增强方法,包括以下内容:
(1)用清洗剂去除钻头刀翼的齿窝和排削槽内的油污或其他污渍,然后用清水冲洗干净;
(2)配制结合层粉末,包括以下重量份的原料:铁粉22份、费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉8份、铜粉5份、碳化铝2份;
配制增强层粉末,包括以下重量份的原料:钛粉10份、重组粉料12份、平均粒径为0.5-1.0μm的锡粉6份、钴粉3份;
所述重组粉料包括以下重量份的原料铁10份、镍7份、钼1份、氮化钛1.6份、改性六环石粉6份;
(3)将步骤(1)处理后的钻头送入加热设备中,在温度为400℃的条件下加热2小时,完成后将结合层粉末熔覆在钻头表面,得到厚度为0.2mm的结合层;
(4)用质量浓度为8.6%的盐酸溶液冲洗结合层表面,完成后用酒精冲洗干净,在温度为85℃的烘箱中使其表面烘干;
(5)将增强层粉末熔覆在结合层表面,形成厚度为1.4mm的增强层。
其中,所述清洗剂为金属油污清洗剂JC-015,清洗过程中配合超声波频率为60kHz。
其中,所述改性六环石粉的制备方法将六环石粉在质量浓度为6%的硝酸溶液中浸泡30分钟,完成后取出用去离子水冲洗至中性,然后在温度为680℃的条件下煅烧12小时,干燥粉碎过200目筛得到;
所述重组粉料的制备方法为将各原料按配比混合后,在氮气氛围下,用球磨机在球料比为20:1、转速为600转/分钟的条件下球磨24小时即得。
其中,所述步骤(3)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2600W,光板直径为2.2mm,熔覆扫描速率为240mm/分钟;所述盐酸溶液的温度为55℃;所述步骤(5)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2900W,光板直径为2.4mm,熔覆扫描速率为180mm/分钟。
实施例3
一种PDC钢体钻头表面增强方法,包括以下内容:
(1)用清洗剂去除钻头刀翼的齿窝和排削槽内的油污或其他污渍,然后用清水冲洗干净;
(2)配制结合层粉末,包括以下重量份的原料:铁粉26份、费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉6份、铜粉1份、碳化铝4份;
配制增强层粉末,包括以下重量份的原料:钛粉4份、重组粉料18份、平均粒径为0.5-1.0μm的锡粉2份、钴粉1份;
所述重组粉料包括以下重量份的原料铁12份、镍4份、钼3份、氮化钛0.8份、改性六环石粉10份;
(3)将步骤(1)处理后的钻头送入加热设备中,在温度为300℃的条件下加热1小时,完成后将结合层粉末熔覆在钻头表面,得到厚度为0.6mm的结合层;
(4)用质量浓度为8.2%的盐酸溶液冲洗结合层表面,完成后用酒精冲洗干净,在温度为90℃的烘箱中使其表面烘干;
(5)将增强层粉末熔覆在结合层表面,形成厚度为1.8mm的增强层。
其中,所述清洗剂为金属油污清洗剂JC-015,清洗过程中配合超声波频率为70kHz。
其中,所述改性六环石粉的制备方法将六环石粉在质量浓度为6%的硝酸溶液中浸泡40分钟,完成后取出用去离子水冲洗至中性,然后在温度为620℃的条件下煅烧16小时,干燥粉碎过200目筛得到;
所述重组粉料的制备方法为将各原料按配比混合后,在氮气氛围下,用球磨机在球料比为20:1、转速为800转/分钟的条件下球磨20小时即得。
其中,所述步骤(3)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2800W,光板直径为1.6mm,熔覆扫描速率为220mm/分钟;所述盐酸溶液的温度为45℃;所述步骤(5)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为3000W,光板直径为2.8mm,熔覆扫描速率为160mm/分钟。
设置对照组1,将实施例1中结合层粉末原料中费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉去掉,其余内容不变;设置对照组2,将实施例1中结合层粉末原料中碳化铝去掉,其余内容不变;设置对照组3,将实施例1中增强层粉末中重组粉料去掉,其余内容不变;设置对照组4,将实施例1中改性六环石粉去掉,其余内容不变;设置对照组5,将实施例1中步骤(4)去掉,其余内容不变;设置对照组6,将实施例1中步骤(3)中钻头预加热步骤去掉,其余内容不变;
对以上各组结合强度进行检测,结合强度为结合层与基体间结合力与结合面积的比值,其观察方式为B方式断裂,对增强层耐冲击强度和剥离强度进行检测,同时检测增强层表面粗糙度,得到以下结果:
表1
组别 结合强度(MPa) 耐冲击强度(kg/cm) 剥离强度(kg/cm) 表面粗糙度Ra(μm)
实施例1 24.5 58.37 5.92 0.25
实施例2 25.1 58.96 5.97 0.22
实施例3 24.8 58.72 5.94 0.23
对照组1 22.5 56.85 4.37 /
对照组2 21.7 54.17 4.83 /
对照组3 / 53.64 4.56 0.35
对照组4 / 52.13 4.62 0.27
对照组5 / 50.82 3.84 0.22
对照组6 21.3 53.75 5.93 0.24
通过表1中方法所制备的钻头表面光滑,结合层的合理设置提高了增强层与基体的结合强度,能防止剥离,且具有较强的耐冲击强度,能提高钻头的使用性能。

Claims (7)

1.一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,包括以下内容:
(1)用清洗剂去除钻头刀翼的齿窝和排削槽内的油污或其他污渍,然后用清水冲洗干净;
(2)配制结合层粉末,包括以下重量份的原料:铁粉22-26份、费氏粒度为0.6-2μm的羰基镍粉6-8份、铜粉1-5份、碳化铝2-4份;
配制增强层粉末,包括以下重量份的原料:钛粉4-10份、重组粉料12-18份、平均粒径为0.5-1.0μm的锡粉2-6份、钴粉1-3份;
所述重组粉料包括以下重量份的原料铁10-12份、镍4-7份、钼1-3份、氮化钛0.8-1.6份、改性六环石粉6-10份;
(3)将步骤(1)处理后的钻头送入加热设备中,在温度为300-400℃的条件下加热1-2小时,完成后将结合层粉末熔覆在钻头表面,得到厚度为0.2-0.6mm的结合层;
(4)用质量浓度为8.2-8.6%的盐酸溶液冲洗结合层表面,完成后用酒精冲洗干净,在温度为85-90℃的烘箱中使其表面烘干;
(5)将增强层粉末熔覆在结合层表面,形成厚度为1.4-1.8mm的增强层。
2.如权利要求1所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述清洗剂为金属油污清洗剂JC-015,清洗过程中配合超声波频率为60-70kHz。
3.如权利要求1所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述改性六环石粉的制备方法将六环石粉在质量浓度为6%的硝酸溶液中浸泡30-40分钟,完成后取出用去离子水冲洗至中性,然后在温度为620-680℃的条件下煅烧12-16小时,干燥粉碎过200目筛得到。
4.如权利要求3所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述重组粉料的制备方法为将各原料按配比混合后,在氮气氛围下,用球磨机在球料比为20:1、转速为600-800转/分钟的条件下球磨20-24小时即得。
5.如权利要求1所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述步骤(3)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2600-2800W,光板直径为1.6-2.2mm,熔覆扫描速率为220-240mm/分钟。
6.如权利要求1所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述盐酸溶液的温度为45-55℃。
7.如权利要求1所述一种PDC钢体钻头表面增强方法,其特征在于,所述步骤(5)中熔覆过程采用窄带熔覆加工,熔覆功率为2900-3000W,光板直径为2.4-2.8mm,熔覆扫描速率为160-180mm/分钟。
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