鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于石油鉆井設備技術領域，特別涉及鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝。
【背景技術】
[0002]三牙輪鉆頭是石油鉆井的重要工具，其工作性能的好壞將直接影響鉆井質量、鉆井效率和鉆井成本。工作過程中，三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破碎巖石，即牙齒通過對巖石的沖擊、加壓和伴有少量的滑移刮切來破碎巖石。
[0003]目前，鉆井工程中所使用的三牙輪鉆頭包括鋼齒鉆頭(又稱銑齒鉆頭)和硬質合金齒鉆頭(又稱鑲齒鉆頭)兩種，其中，銑齒牙輪鉆頭一般是在鋼質材料的牙輪胚體上直接銑出切削齒，且由于牙齒的尺寸大，故銑齒鉆頭在軟地層的鉆進中破巖效率高，但由于切削齒材料的限制，鉆頭切削齒易發(fā)生強度失效和磨損失效，因此，銑齒牙輪鉆頭的切削齒壽命不高，限制了其使用壽命及其在較硬或研磨性強的地層中的應用。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒尺寸較小，且其齒頂寬度均明顯小于下部鑲固部分的直徑，所形成的較尖銳的牙齒頭部能較好的適應較硬地層的破巖，但是由于牙齒尺寸小，鑲齒牙輪鉆頭在軟底層的鉆進效率明顯不及銑齒牙輪鉆頭。綜上所述，銑齒牙輪鉆頭在軟地層的鉆進中破巖效率高，且制造工藝簡單；鑲齒牙輪鉆頭能較好的適應較硬地層的破巖，但在軟底層的鉆進效率明顯不及銑齒牙輪鉆頭，且成本較高。

【發(fā)明內容】

[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，通過該工藝制備出強度高、抗磨性能好、破巖效率高的牙輪鉆頭。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
[0006]鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，包括以下步驟:
[0007]I)棒料準備:采用低碳合金鋼材質棒料1-1 ;
[0008]2)棒料徑向鍛造及下料:
[0009]2.1)采用徑向鍛造工藝對低碳合金鋼材質棒料1-1進行徑向鍛造得到徑向鍛造態(tài)棒料1-2，其中始鍛溫度為1150?1250°C，終鍛溫度為700?900°C，且要保證經過軋制變形得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2的徑向斷面收縮率達到40%以上；
[0010]2.2)對步驟2.1)得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2進行下料得到鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)還料1-3 ；
[0011]3) 二次重熔:將步驟2)中得到的鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料1-3放入電爐或者中頻感應加熱爐中進行加熱及保溫處理，且控制加熱溫度為低碳合金鋼材質棒料1-1的半固態(tài)溫度區(qū)間范圍內，保溫時間為5?30min，從而獲得固相分數在40%?60%之間且具有細小、均勻、球狀微觀組織的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4 ;
[0012]4)半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造成形:將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4放入半固態(tài)模鍛成形的模具型腔，采用半固態(tài)模鍛工藝成形出鉆井牙輪鉆頭1-5 ;或者將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4放入半固態(tài)擠壓鑄造的模具型腔，采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝成形出鉆井牙輪鉆頭1-5 ;
[0013]5)熱處理:當完成步驟4)半固態(tài)擠壓鑄造成形的出鉆井牙輪鉆頭1-5溫度降到800?900°C時，對其進行油淬處理，接著將油淬后的鉆井牙輪鉆頭1-5再加熱到150?250°C進行回火處理，從而完成鉆井牙輪鉆頭1-5的熱處理，得到牙輪鉆頭成形件1-6。
[0014]相對于現有技術，本發(fā)明將徑向鍛造的應變誘發(fā)法用于制備鉆井牙輪鉆頭具有以下優(yōu)點:
[0015]1.本發(fā)明利用徑向鍛造的應變誘發(fā)法制備的鉆井牙輪鉆頭具有微觀組織晶粒細小，分布均勻且不存在縮松、氣孔等缺陷，產品力學性能好的特點。
[0016]2.與傳統銑齒鉆頭的制造工藝相比，本發(fā)明為整體成形，材料利用率高、成形件的金屬流線完整、力學性能更好。此外，本發(fā)明對鉆井牙輪鉆頭采用的半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造成形工藝具有成形力小、成形件性能好的特點，此外由于半固態(tài)坯料的流動性好，因此該工藝也可用于成形其他較復雜的零件。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明中從低碳合金鋼材質棒料1-1到鉆井牙輪鉆頭成形件1-6的制造過程不意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做詳細描述。
[0020]實施例1，參照圖1和圖2，鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，包括以下步驟:
[0021]I)棒料準備:采用低碳合金鋼材質棒料1-1，所選低碳合金鋼材質棒料1-1為20CrMnTi 鋼；
[0022]2)棒料徑向鍛造及下料:對低碳合金鋼材質棒料1-1的徑向鍛造及下料，具體步驟包括:
[0023]2.1)采用徑向鍛造工藝對低碳合金鋼材質棒料1-1進行徑向鍛造得到徑向鍛造態(tài)棒料1-2，其中始鍛溫度為1200°C，終鍛溫度為800°C，且要保證經過軋制變形得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2的徑向斷面收縮率達到40%以上；
[0024]2.2)對步驟2.1)得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2進行下料得到鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)還料1-3 ；
[0025]3) 二次重熔:將步驟2)中得到的鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料1-3放入電爐中進行加熱及保溫處理，且控制加熱溫度為低碳合金鋼材質棒料1-1的半固態(tài)溫度區(qū)間范圍內，保溫時間為5?30min，從而獲得固相分數在40%?60%之間且具有細小、均勻、球狀微觀組織的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4 ;
[0026]4)半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造成形:將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4放入半固態(tài)模鍛成形的模具型腔，采用半固態(tài)模鍛工藝成形出鉆井牙輪鉆頭1-5 ；
[0027]5)熱處理:包括油淬和回火，首先，當完成步驟4)半固態(tài)擠壓鑄造成形的出鉆井牙輪鉆頭1-5溫度降到820?860°C時，對其進行油淬處理，接著將油淬后的鉆井牙輪鉆頭1-5再加熱到180?200°C進行回火處理，從而完成鉆井牙輪鉆頭1-5的熱處理，得到牙輪鉆頭成形件1-6。
[0028]實施例2，參照圖1和圖2，鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，包括以下步驟:
[0029]I)棒料準備:采用低碳合金鋼材質棒料1-1，所選低碳合金鋼材質棒料1-1為20CrNiMo 鋼；
[0030]2)棒料徑向鍛造及下料:對低碳合金鋼材質棒料1-1的徑向鍛造及下料，具體步驟包括:
[0031]2.1)采用徑向鍛造工藝對低碳合金鋼材質棒料1-1進行徑向鍛造得到徑向鍛造態(tài)棒料1-2，其中始鍛溫度為1230°C，終鍛溫度為830°C，且要保證經過軋制變形得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2的徑向斷面收縮率達到40%以上；
[0032]2.2)對步驟2.1)得到的徑向鍛造態(tài)棒料1-2進行下料得到鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)還料1-3 ；
[0033]3) 二次重熔:將步驟2)中得到的鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料1-3放入中頻感應加熱爐中進行加熱及保溫處理，且控制加熱溫度為低碳合金鋼材質棒料1-1的半固態(tài)溫度區(qū)間范圍內，保溫時間為5?30min，從而獲得固相分數在40 %?60 %之間且具有細小、均勻、球狀微觀組織的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4 ;
[0034]4)半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造成形:將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料1-4放入半固態(tài)擠壓鑄造的模具型腔，采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝成形出鉆井牙輪鉆頭 1-5 ；
[0035]5)熱處理:包括油淬和回火，首先，當完成步驟4)半固態(tài)擠壓鑄造成形的出鉆井牙輪鉆頭1-5溫度降到800?850°C時，對其進行油淬處理，接著將油淬后的鉆井牙輪鉆頭1-5再加熱到180?200°C進行回火處理，從而完成鉆井牙輪鉆頭1-5的熱處理，得到牙輪鉆頭成形件1-6。
【主權項】
1.鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，其特征在于，包括以下步驟: .1)棒料準備:采用低碳合金鋼材質棒料(1-1); .2)棒料徑向鍛造及下料: .2.1)采用徑向鍛造工藝對低碳合金鋼材質棒料(1-1)進行徑向鍛造得到徑向鍛造態(tài)棒料(1-2)，其中始鍛溫度為1150?1250°C，終鍛溫度為700?900°C，且要保證經過軋制變形得到的徑向鍛造態(tài)棒料(1-2)的徑向斷面收縮率達到40%以上； .2.2)對步驟2.1)得到的徑向鍛造態(tài)棒料(1-2)進行下料得到鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料(1-3)； .3)二次重熔:將步驟2)中得到的鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料(1-3)放入電爐或者中頻感應加熱爐中進行加熱及保溫處理，且控制加熱溫度為低碳合金鋼材質棒料(1-1)的半固態(tài)溫度區(qū)間范圍內，保溫時間為5?30min，從而獲得固相分數在40%?60%之間且具有細小、均勻、球狀微觀組織的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料(1-4); . 4)半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造成形:將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料(1-4)放入半固態(tài)模鍛成形的模具型腔，采用半固態(tài)模鍛工藝成形出鉆井牙輪鉆頭(1-5);或者將步驟3)得到的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料(1-4)放入半固態(tài)擠壓鑄造的模具型腔，采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝成形出鉆井牙輪鉆頭(1-5); .5)熱處理:當完成步驟4)半固態(tài)擠壓鑄造成形的出鉆井牙輪鉆頭(1-5)溫度降到800?900°C時，對其進行油淬處理，接著將油淬后的鉆井牙輪鉆頭(1-5)再加熱到150?250°C進行回火處理，從而完成鉆井牙輪鉆頭(1-5)的熱處理，得到牙輪鉆頭成形件(1-6)。
【專利摘要】鉆井牙輪鉆頭的徑向鍛造的應變誘發(fā)法半固態(tài)制造工藝，先對準備的低碳合金鋼材質棒料進行徑向鍛造得到徑向鍛造態(tài)棒料且保證其徑向斷面收縮率達到40％以上，并對其進行下料以得到鉆井牙輪鉆頭畸變態(tài)坯料；隨后，對該畸變態(tài)坯料進行二次重熔且保證得到固相率在40％～60％之間的鉆井牙輪鉆頭半固態(tài)坯料；接著利用該半固態(tài)坯料進行半固態(tài)整體模鍛或半固態(tài)擠壓鑄造，從而成形出鉆井牙輪鉆頭；最后進行熱處理，本發(fā)明具有工藝簡單，材料利用率高以及產品力學性能好的特點。
【IPC分類】B23P15-28, C21D1-18, B21K5-08, C21D9-22
【公開號】CN104551583
【申請?zhí)枴緾N201410828739
【發(fā)明人】趙升噸, 王永飛, 張晨陽, 范淑琴
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日