鋼體鉆頭表面二次硬化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋼體鉆頭表面二次硬化方法，該方法首先對鉆頭刀翼的齒窩和排削槽上的水眼鑲嵌石墨替代塊進行焊接前保護，然后將鉆頭預(yù)加熱到堆焊需要的溫度，采用碳化鎢管狀焊條對鉆頭冠部進行氧氣乙炔焰堆焊，再用鎳基自熔性合金粉末對堆焊層進行一次噴焊，最后通過保溫緩慢冷卻的方式消除焊接的殘余應(yīng)力。本發(fā)明先后使用了堆焊和噴焊的兩次表面硬化工藝，本發(fā)明的方法能夠有效地提高鉆頭的耐磨性和耐沖蝕的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了鉆頭的生產(chǎn)周期。
【專利說明】鋼體鉆頭表面二次硬化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面硬化技術(shù)，更具體地說涉及一種通過堆焊和噴焊實現(xiàn)鋼體鉆頭表面二次硬化的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]PDC鉆頭按基體材質(zhì)分為胎體、鋼體兩種，但制造工藝截然不同。鋼體鉆頭造型不必受刀翼強度的限制，鉆頭冠部主體強度高，復(fù)合片的釬焊強度高，使用后易于修復(fù)，生產(chǎn)工藝流程短，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，比胎體鉆頭具有更多的優(yōu)越性。隨著高壓噴射鉆井技術(shù)的不斷完善，鉆井泵壓不斷提高，鋼體鉆頭的沖蝕失效問題日益加重，嚴重影響了鉆井速度。因此，提聞鉆頭的耐沖蝕性能才能提聞鋼體鉆頭的應(yīng)用范圍。
[0003]針對上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用堆焊的方法，即使用氧氣乙炔焰的方法熔化碳化鎢管狀焊條將其堆焊在鉆頭表面。堆焊是在零件表面熔覆上一層耐磨、耐熱、耐蝕等具有特殊性能合金層的技術(shù)。堆焊的物理本質(zhì)和冶金過程與一般的熔焊工藝沒有什么區(qū)別。實現(xiàn)堆焊層與基體之間、堆焊層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，這種方法的堆焊層與基體的結(jié)合強度高，在各種復(fù)雜鉆井條件下都很難發(fā)生堆焊層脫落的問題。
[0004]但堆焊的方法也存在如下問題:堆焊層的耐磨性不高，鉆頭的冠部和保徑在研磨性地層易于磨損；堆焊的致密性較低，碳化鎢管狀焊條熔化后的流動性很低，堆焊后表面凹凸不平；在制造鉆頭中，需要對堆焊層表面進行長時間的打磨，甚至在堆焊層表面刮膩子灰，再打磨以達到較高的表面光潔度，降低了鉆頭的生產(chǎn)效率。
[0005]在鉆頭修復(fù)中，部分鉆頭受到磨損，現(xiàn)有技術(shù)中通常使用噴焊方法，采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實現(xiàn)涂層與基體之間、涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙噴焊層組織致密；噴焊冶金缺陷少，與基材結(jié)合強度高，強度最高達到400MPa ;噴焊層表面光滑成鏡面，噴焊后鉆頭無需進行后無需打磨處理，鉆頭生產(chǎn)效率高。但噴焊效率較低，一般噴焊層厚度不超過1mm，因此噴焊技術(shù)只用在舊鉆頭的修復(fù)上，沒有應(yīng)用到新鉆頭的表面硬化處理中。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，中國發(fā)明專利CN103045985A公開了一種鋼體I3DC鉆頭表面強化防護工藝，該工藝使用了熱噴涂的方法硬化鉆頭表面。熱噴涂熱噴涂是采用各種熱源使涂層加熱熔化或半熔化，利用高速氣體是涂層材料分散細化并高速撞擊到基體表面形成涂層的工藝過程。熱噴涂可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層，而且基體溫度低，變形小，熱影響區(qū)小，操作靈活，涂層厚度范圍寬，涂層表面光滑成鏡面，噴涂后鉆頭無需進行后續(xù)打磨處理，鉆頭生產(chǎn)效率高。但熱噴涂技術(shù)中涂層與基材的結(jié)合機理主要為機械結(jié)合或稱“拋錨作用”，即最先形成的薄片顆粒與基體表面凹凸不平出產(chǎn)生機械咬合為主的噴涂層。機械結(jié)合為主的結(jié)合機理決定了熱噴涂涂層的結(jié)合強度比較差，只相當(dāng)于其母體材料的5%?30%，最高也只能達到70MPa，因此鉆頭上涂層容易發(fā)生脫層現(xiàn)象。熱噴涂技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低，浪費大和涂層與基材結(jié)合強度較低三個方面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，本發(fā)明的目的是提供一種鋼體鉆頭表面二次硬化方法，能夠有效地提高鉆頭的耐磨性和耐沖蝕的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了鉆頭的生產(chǎn)周期。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
A.在鉆頭刀翼的齒窩和排削槽上的水眼內(nèi)分別鑲嵌切削齒石墨替代塊和噴嘴石墨替代塊進行焊接前保護；
B.將鉆頭預(yù)加熱到堆焊需要的溫度；
C.采用碳化鎢管狀焊條對鉆頭需要表面硬化處理的區(qū)域進行氧氣乙炔焰堆焊；
D.用鎳基自熔性合金粉末對堆焊層進行噴焊；
E.對噴焊后的鉆頭進行保溫緩慢冷卻，以消除焊接的殘余應(yīng)力。
[0009]鉆頭表面硬化的范圍包含刀翼的外側(cè)面和水眼出水口的四周，需要在刀翼上的齒窩和水眼內(nèi)安裝石墨替代塊進行保護屏蔽；其中刀翼的外側(cè)面包括刀翼的內(nèi)錐、頂部、夕卜錐、保徑以及刀翼的前端面、后端面和上端面；所述刀翼前端面、后端面需要硬化處理的寬度為20-30mm ;所述刀翼上端面需要硬化處理的寬度為10mm。
[0010]在步驟B中，具體的預(yù)加熱方法是將鉆頭豎直置于釬焊爐中，然后使鉆頭預(yù)加熱到堆焊所需的溫度，要求升溫速率3-5°C /min,預(yù)熱溫度為550°C。
[0011]步驟C和D輪替地進行表面硬化處理，具體步驟為:
Cl.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐、頂部和水眼出水口的四周進行堆焊；
C2.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐、頂部和水眼出水口的四周進行噴焊；
C3.將鉆頭從釬焊爐中取出，且橫向裝夾在旋轉(zhuǎn)焊機上，鉆頭可繞軸線自由轉(zhuǎn)動；
C4.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的外錐和保徑位于鉆頭的最上方，再先后對該刀翼的外錐和保徑分別進行堆焊、噴焊；
C5.轉(zhuǎn)動鉆頭，重復(fù)步驟C4的方法依次完成所有刀翼外錐和保徑的堆焊、噴焊；
C6.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的前端面處于水平向上，再先后對該刀翼的前端面進行堆焊、噴焊；
C7.重復(fù)C6的步驟對所有刀翼的前端面完成堆焊、噴焊；
CS.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的后端面處于水平向上，再先后對該刀翼的后端面進行堆焊、噴焊；
C9.重復(fù)CS的步驟對所有刀翼的后端面完成堆焊、噴焊；
C1.將鉆頭從旋轉(zhuǎn)焊機上取下，將其豎直置放，使鉆頭的接頭向上，再先后對刀翼最上部的端面進行堆焊、噴焊。
[0012]在步驟C中，堆焊使用氧氣乙炔焰的方式,氧氣表壓力3.5—4.0Mpa,乙炔表壓力
0.10-0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化鎢管狀焊條，焊條直徑2 — 5mm，直徑為2mm的碳化鎢管狀焊條用于堆焊刀翼的內(nèi)錐、頂部、外錐和刀翼的前端面，其余部位的噴焊使用直徑為5mm的碳化鎢管狀焊條。
[0013]在步驟D中，噴焊使用氧氣乙炔焰的方式，氧氣表壓力3.5 — 4.0Mpa，乙炔表壓力
0.10—0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；噴焊采用鎳基自熔性合金粉末Ni60，噴焊后使表面硬度達HRC > 55。
[0014]步驟C堆焊層厚度I一1.5mm ;步驟D噴焊層厚度為0.5—Imm ;鉆頭表面兩次硬化的厚度為2 — 2.5mm。
[0015]在步驟E中，將鉆頭放入保溫箱中，在鉆頭上覆蓋30— 50mm厚的保溫棉或保溫砂，保溫緩慢冷卻至常溫。
[0016]在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的鋼體鉆頭表面二次硬化方法有益效果是:
1.通過在剛體鉆頭表面先后進行堆焊和噴焊兩次硬化方法，使堆焊層與工件之間實現(xiàn)冶金結(jié)合，其結(jié)合強度高，堆焊層不易發(fā)生脫層；
2.噴焊的方法使鉆頭表面耐磨性提高，并提高了鉆頭的耐沖蝕性能；
3.噴焊層表面光滑成鏡面，噴焊后鉆頭無需進行后無需打磨處理，鉆頭生產(chǎn)效率高，降低了鉆頭的生產(chǎn)周期。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0018]圖2是本發(fā)明鉆頭需要表面硬化處理的范圍示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明硬化處理刀翼內(nèi)錐、頂部和水眼四周時鉆頭的俯視圖。
[0020]圖4是本發(fā)明硬化處理刀翼外錐、保徑和前后端面時鉆頭的位置圖。
[0021]圖5是本發(fā)明硬化處理刀翼上端面時鉆頭的俯視圖。
[0022]圖6是本發(fā)明兩次硬化處理刀翼的剖視結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖中標記:11_切削齒石墨替代塊；12_噴嘴石墨替代塊；21_刀翼內(nèi)錐；22_刀翼頂部；23_刀翼外錐；24_鉆頭保徑；25_刀翼前端面；26_刀翼后端面；27_水眼四周；28_刀翼上部端面；31_堆焊層；32_噴焊層。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明的鋼體鉆頭表面二次硬化方法具體包括以下步驟:
A.在鉆頭刀翼的齒窩和排削槽上的水眼內(nèi)分別鑲嵌切削齒石墨替代塊11和噴嘴石墨替代塊12進行焊接前保護；
B.將鉆頭預(yù)加熱到堆焊需要的溫度；
C.采用碳化鎢管狀焊條對鉆頭需要表面硬化處理的區(qū)域進行氧氣乙炔焰堆焊；
D.用鎳基自熔性合金粉末對堆焊層進行噴焊；
E.對噴焊后的鉆頭進行保溫緩慢冷卻，以消除焊接的殘余應(yīng)力。
[0026]如圖2至圖5所示，以8寸半、5刀翼的PDC鉆頭為例，在步驟A中確定將要進行表面硬化處理的范圍是刀翼的內(nèi)錐21、頂部22、外錐23、保徑24、刀翼的前端面25、后端面26、水眼的四周27和刀翼的上部端面28。為了避免兩次硬化處理堆焊和噴焊的熔液或焊渣掉出水眼內(nèi)和刀翼上的齒窩內(nèi)固結(jié)，影響鉆頭后續(xù)制造，需要在鉆頭的齒窩和水眼內(nèi)鑲嵌石墨替代塊。
[0027]在步驟B中，具體的預(yù)加熱方法是將鉆頭豎直置于釬焊爐中，然后使鉆頭預(yù)加熱到堆焊所需的溫度，要求升溫速率3-5°C /min,預(yù)熱溫度為550°C。
[0028]鉆頭加熱到預(yù)定穩(wěn)定后，對鉆頭進行輪替的堆焊和釬焊作業(yè)，其中堆焊的工藝參數(shù)為:堆焊使用氧氣乙炔焰的方式，氧氣表壓力3.5—4.0Mpa,乙炔表壓力0.10—0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化鎢管狀焊條，焊條直徑2 — 5mm，直徑為2mm的碳化鎢管狀焊條用于堆焊刀翼的內(nèi)錐21、頂部22、外錐23和刀翼的前端面25，其余部位的噴焊使用直徑為5mm的碳化鎢管狀焊條；堆焊層31的厚度為I一
1.5mm。
[0029]噴焊的工藝參數(shù)為:噴焊使用氧氣乙炔焰的方式，氧氣表壓力3.5—4.0Mpa,乙炔表壓力0.10—0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；噴焊采用鎳基自熔性合金粉末Ni60，噴焊后使表面硬度達HRC彡55 ;噴焊層32厚度為0.5 —1_。
[0030]步驟C堆焊和步驟D噴焊的具體的作步驟如下:
Cl.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐21、頂部22和水眼出水口的四周27進行堆焊；
C2.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐21、頂部22和水眼出水口的四周27進行噴焊；
C3.將鉆頭從釬焊爐中取出，且橫向裝夾在旋轉(zhuǎn)焊機上，鉆頭可繞軸線自由轉(zhuǎn)動；
C4.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的外錐和保徑位于鉆頭的最上方，再先后對該刀翼的外錐23和保徑24分別進行堆焊、噴焊；
C5.轉(zhuǎn)動鉆頭，重復(fù)步驟C4的方法依次完成剩余4個刀翼外錐23和保徑24的堆焊、噴焊;
C6.轉(zhuǎn)動鉆頭,使其中一個刀翼的前端面25處于水平向上,再先后對該刀翼的前端面25進行堆焊、噴焊；
C7.重復(fù)C6的步驟對剩余4個刀翼的前端面25完成堆焊、噴焊；
CS.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的后端面26處于水平向上，再先后對該刀翼的后端面26進行堆焊、噴焊；
C9.重復(fù)CS的步驟對剩余4個刀翼的后端面26完成堆焊、噴焊；
C10.將鉆頭從旋轉(zhuǎn)焊機上取下，將其豎直置放，使鉆頭的接頭向上，再先后對5的刀翼最上部的端面28進行堆焊、噴焊。
[0031]堆焊、釬焊硬化刀翼內(nèi)錐21、頂部22和水眼四周27時的鉆頭位置如圖3所示，其中硬化刀翼水眼四周27的范圍是距離水眼外側(cè)5mm的圓環(huán)帶內(nèi)。圖4表示出堆焊、釬焊硬化刀翼外錐23、保徑24和前后端面時鉆頭的位置是水平裝夾在旋轉(zhuǎn)焊機上，圖6表示出刀翼的前后端面需要硬化處理的寬度是20— 30mm。堆焊、釬焊硬化刀翼上端面28時的鉆頭位置如圖5所示的豎直置放且接頭向上，需要硬化處理的是在刀翼上端面28距離外沿1mm的范圍內(nèi)。
[0032]最后將鉆頭放入保溫箱中，在鉆頭上覆蓋30— 50mm厚的保溫棉或保溫砂，保溫緩慢冷卻至常溫，以消除或降低鉆頭進行兩次硬化處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力。一般8寸半鉆頭的冷卻時間在12 —15小時內(nèi)。
[0033]采用本發(fā)明的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，能夠有效地提高鉆頭的耐磨性和耐沖蝕的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了鉆頭的生產(chǎn)周期。
[0034]本【技術(shù)領(lǐng)域】中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，
而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于，包括以下步驟: A.在鉆頭刀翼的齒窩和排削槽上的水眼內(nèi)分別鑲嵌切削齒石墨替代塊(11)和噴嘴石墨替代塊(12)進行焊接前保護； B.將鉆頭預(yù)加熱到堆焊需要的溫度； C.采用碳化鎢管狀焊條對鉆頭需要表面硬化處理的區(qū)域進行氧氣乙炔焰堆焊； D.用鎳基自熔性合金粉末對堆焊層進行噴焊； E.對噴焊后的鉆頭進行保溫緩慢冷卻，以消除焊接的殘余應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:鉆頭表面硬化的范圍包含刀翼的外側(cè)面和水眼出水口的四周(27)，需要在刀翼上的齒窩和水眼內(nèi)安裝石墨替代塊進行保護屏蔽；其中刀翼的外側(cè)面包括刀翼的內(nèi)錐(21)、頂部(22)、外錐(23)、保徑(24)以及刀翼的前端面(25)、后端面(26)和上端面(28);所述刀翼前端面(25)、后端面(26)需要硬化處理的寬度為20-30mm ;所述刀翼上端面(28)需要硬化處理的寬度為10mm。
3.如權(quán)利要求1所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:在步驟B中，具體的預(yù)加熱方法是將鉆頭豎直置于釬焊爐中，然后使鉆頭預(yù)加熱到堆焊所需的溫度，要求升溫速率3-5°C /min,預(yù)熱溫度為550°C。
4.如權(quán)利要求1和2所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:步驟C和D輪替地進行表面硬化處理，具體步驟為: Cl.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐(21)、頂部(22)和水眼出水口的四周(27)進行堆焊； C2.對鉆頭全部刀翼的內(nèi)錐(21)、頂部(22)和水眼出水口的四周(27)進行噴焊； C3.將鉆頭從釬焊爐中取出，且橫向裝夾在旋轉(zhuǎn)焊機上，鉆頭可繞軸線自由轉(zhuǎn)動； C4.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的外錐(23)和保徑(24)位于鉆頭的最上方，再先后對該刀翼的外錐(23)和保徑(24)分別進行堆焊、噴焊； C5.轉(zhuǎn)動鉆頭，重復(fù)步驟C4的方法依次完成所有刀翼外錐(23)和保徑(24)的堆焊、噴焊; C6.轉(zhuǎn)動鉆頭,使其中一個刀翼的前端面(25)處于水平向上,再先后對該刀翼的前端面(25)進行堆焊、噴焊； C7.重復(fù)C6的步驟對所有刀翼的前端面(25)完成堆焊、噴焊； CS.轉(zhuǎn)動鉆頭，使其中一個刀翼的后端面(26)處于水平向上，再先后對該刀翼的后端面(26)進行堆焊、噴焊； C9.重復(fù)CS的步驟對所有刀翼的后端面(26)完成堆焊、噴焊； C10.將鉆頭從旋轉(zhuǎn)焊機上取下，將其豎直置放，使鉆頭的接頭向上，再先后對刀翼最上部的端面(28)進行堆焊、噴焊。
5.如權(quán)利要求1所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:鉆頭放入保溫箱中，在鉆頭上覆蓋30— 50mm厚的保溫棉或保溫砂，保溫緩慢冷卻至常溫。
6.如權(quán)利要求1和4所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:所述步驟C堆焊使用氧氣乙炔焰的方式，氧氣表壓力3.5—4.0Mpa，乙炔表壓力0.10—0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；堆焊采用的碳化鎢管狀焊條，焊條直徑2 — 5mm，直徑為2mm的碳化鎢管狀焊條用于堆焊刀翼的內(nèi)錐(21)、頂部922)、外錐(23)和刀翼的前端面(25)，其余部位的噴焊使用直徑為5mm的碳化鎢管狀焊條。
7.如權(quán)利要求1和4所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:所述步驟D噴焊使用氧氣乙炔焰的方式，氧氣表壓力3.5—4.0Mpa，乙炔表壓力0.10—0.15Mpa，堆焊時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面堆焊；噴焊采用鎳基自熔性合金粉末Ni60，噴焊后使表面硬度達HRC彡55。
8.如權(quán)利要求1、7和8所述的鋼體鉆頭表面二次硬化方法，其特征在于:所述步驟C堆焊層(31)厚度I一 1.5mm ;所述步驟D噴焊層(32)厚度為0.5—Imm ;鉆頭表面兩次硬化的厚度為2—2.5mm。
【文檔編號】B23K5/18GK104174964SQ201410409569
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】張占奎, 尹艷娥, 劉偉京, 李勇杰, 崔芳, 王微 申請人:滄州格銳特鉆頭有限公司