專利名稱：一種金剛石鉆頭的鉆頭體及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的金剛石鉆頭的鉆頭體及該鉆頭體的制作方法。
背景技術(shù)：
在石油鉆井中，金剛石鉆頭(PDC鉆頭)由于具有使用壽命較長的特性而被廣泛應(yīng)用。金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)上主要由與鉆桿連接的上體、鉆頭體和焊接在鉆頭體球鼻上的刀片三個部分組成，鉆頭體上設(shè)置有噴嘴孔，鉆頭體是金剛石鉆頭起關(guān)鍵作用的部件?，F(xiàn)有的金剛石鉆頭鉆頭體都是以碳化鎢粉為骨架材料，以Cu合金為粘結(jié)金屬，采用無壓浸漬的方法制造的。這樣的鉆頭體固然耐磨損，抗沖蝕，但是胎體的強度和韌性比較低，通?？箯潖姸仍?00MPa左右，沖擊韌性不高于5J/CM2。在實際使用中由于強度低的問題易引起鉆頭體刀翼的開裂甚至斷裂，從而給鉆井帶來潛在的隱患和危險，嚴重影響金剛石鉆頭的綜合性能和使用壽命。美國專利4884477介紹了一種在鉆頭體骨架材料中添加鋼、鐵等金屬粉末，表面采用強化工藝的鉆頭體制造方法，但是該專利介紹的表面強化工藝是反復(fù)噴膠和碳化鎢粉的工藝方法，這種方法效率低，涂層薄，表面強化效果受到很大的限制。至于鋼體PDC鉆頭體，固然具有很高的強度和韌性，但是采用堆焊等方法進行表面強化的鋼體鉆頭體仍然容易受到?jīng)_蝕。因此，如何在提高鉆頭體強度的同時，保證鉆頭體的耐磨、抗沖蝕能力，是提高金剛石鉆頭體綜合性能的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種表面耐磨、抗沖蝕、心部強而韌的金剛石鉆頭鉆頭體，以及制作該鉆頭體的方法。
本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的鉆頭體技術(shù)方案為包括有骨芯和外耐磨層，鉆頭體上開設(shè)有噴嘴孔，其不同之處在于所述的骨芯由鋼芯8和包覆鋼芯的鑄鋼丸燒結(jié)體6構(gòu)成，所述的外耐磨層由碳化鎢燒結(jié)層2構(gòu)成，所述的鑄鋼丸燒結(jié)體與碳化鎢燒結(jié)層由粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，并與鋼芯燒結(jié)成一體。
按上述方案，在鉆頭體的噴嘴孔內(nèi)壁覆有碳化鎢燒結(jié)層2。
按上述方案，所述的碳化鎢燒結(jié)層的厚度為1～8毫米，由粒徑為0.01～0.50毫米的鑄造或者燒結(jié)碳化鎢粉與粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，鑄造或者燒結(jié)碳化鎢粉所占重量比為55～70％，粘結(jié)金屬為余量。
按上述方案，所述的鑄鋼丸燒結(jié)體由粒徑為0.05～0.50毫米的鑄鋼丸與粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，鑄鋼丸所占重量比為40～60％，粘結(jié)金屬為余量。
本發(fā)明的制作方法的技術(shù)方案為首先，設(shè)置與待加工的金剛石鉆頭鉆頭體相匹配的石墨或陶瓷凹腔模具1，包括水孔和噴嘴孔芯棒3；在凹腔模具表面涂抹由碳化鎢粉和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層的厚度為1～8毫米，待燒結(jié)層碳化鎢粉和膠粘劑混合的組分含量按重量計為碳化鎢粉80-90％，膠粘劑余量；涂抹好之后把鑄鋼丸裝入模具中，裝好鋼芯8，同時將水孔和噴嘴孔芯棒放入定位，再加入粘結(jié)金屬9和助熔劑，然后入爐熔滲燒結(jié)，熔滲燒結(jié)溫度在900-1200C°之間，等粘結(jié)金屬完全浸漬了表面涂抹層后出爐保溫冷卻，再開模清理即成。
按上述方案，噴嘴孔芯棒3為石墨芯棒，在噴嘴孔芯棒上涂抹由碳化鎢粉和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層的厚度為1～8毫米。
按上述方案，所述的膠粘劑是由甘油，烷基丙烯酸脂，二乙二醇單丁醚配制而成的流態(tài)膠粘劑，這種膠粘劑在500℃下完全揮發(fā)，達到鉆頭體浸漬溫度后，通過粘結(jié)金屬的熔滲，在鉆頭體外表面形成了一層碳化鎢耐磨層。所述的粘結(jié)金屬為銅基合金。
本發(fā)明的有益效果在于1、本發(fā)明主要通過采用鑄鋼丸作為骨架材料來實現(xiàn)鉆頭體心部的高強高韌，同時通過把碳化鎢和流態(tài)膠粘劑混合后涂抹在模具表面，燒結(jié)后來實現(xiàn)鉆頭體表層的耐磨抗沖蝕，且熔滲燒結(jié)體的應(yīng)力分布均勻。2、本發(fā)明的鉆頭體，其表層和傳統(tǒng)碳化鎢粉胎體PDC鉆頭體一樣耐磨抗沖蝕，同時鉆頭體心部的抗彎強度和沖擊韌性比傳統(tǒng)碳化鎢粉胎體PDC鉆頭體性能提高40％以上。3、因為碳化鎢粉的用量大大降低，從而不但降低了鉆頭制造成本，而且避免了鉆頭體刀翼因強度低而發(fā)生裂縫甚至開裂情況的發(fā)生，有效增強了金剛石鉆頭的綜合性能，提高了金剛石鉆頭的使用壽命。


圖1為本發(fā)明一個實施例在制作時放入凹腔模具熔滲燒結(jié)時剖視結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明一個實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明制作方法中石墨噴嘴孔芯棒涂抹含膠粘劑碳化鎢粉后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明一個實施例碳化鎢燒結(jié)層的金相圖。
圖5為本發(fā)明一個實施例鑄鋼丸燒結(jié)體金相圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實施例。
實施例如圖1、2所示。首先將粒徑介于0.037毫米到0.149毫米之間的鑄造碳化鎢粉和膠粘劑混合，制成具有一定膠粘性能的碳化鎢粉膠合體，碳化鎢顆粒和膠粘劑混合的組分含量按重量計為碳化鎢顆粒90％，膠粘劑 余量。所述的膠粘劑按重量計由甘油1～10％，烷基丙烯酸脂5～15％，二乙二醇單丁醚余量，配制而成的流態(tài)膠粘劑，然后將碳化鎢粉膠合體均勻的涂抹在組裝好的石墨凹腔模具1和上模4上，涂抹3毫米厚左右，形成待燒結(jié)碳化鎢燒結(jié)層2；同樣在石墨噴嘴孔芯棒3的表面也均勻的涂抹一層3毫米厚左右的碳化鎢粉膠合體，形成待燒結(jié)碳化鎢燒結(jié)層2；涂抹好后放入凹腔模具1；然后在凹腔模具中裝入一定量的鑄鋼丸，鑄鋼丸粒徑介于0.05毫米到0.50毫米之間，鑄鋼丸的主要化學(xué)成分為C0.85-1.20％，Mn0.6-1.2％，Si0.4-1.0％，S、P＜0.05％，F(xiàn)e余量；適當(dāng)振動之后，裝入鋼芯8(含刀片5)，然后再裝入足夠的鑄鋼丸，套上套筒7，根據(jù)所裝入的鑄鋼丸的量裝入適量的銅基(銅合金)粘結(jié)金屬9和助熔劑，助熔劑可為硼砂，加入的量按重量計為為粘結(jié)金屬的10％左右，再入爐燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)爐爐溫到達1100C°后保溫30分鐘，然后將鉆頭體凹腔模具出爐、冷卻，開模清理。
按照本工藝方法燒結(jié)的鉆頭體經(jīng)過后續(xù)釬焊、組焊、整形等工序制造的金剛石鉆頭的剖面示意圖如圖2所示，鉆頭體通過組焊焊縫焊接與上體12相固聯(lián)，在鉆頭體的下端焊接金剛石復(fù)合片11。
本發(fā)明做了材料力學(xué)性能測試對比試驗。在同樣的條件下，對鑄造碳化鎢粉燒結(jié)試樣和鑄鋼丸燒結(jié)試樣性能進行了測試分析，下表為傳統(tǒng)鑄造碳化鎢粉和鑄鋼丸燒結(jié)試樣性能數(shù)據(jù)測試對比表。
表一鑄造碳化鎢粉鉆頭體和鑄鋼丸鉆頭體性能數(shù)據(jù)測試對比表


注[1]條試樣是直接燒結(jié)成條形試樣，其中上試樣是接近粘結(jié)金屬部位的試樣，下試樣是遠離粘結(jié)金屬部位的試樣。
注[2]板試樣是在板狀燒結(jié)體上取得的試樣。
注[3]“---”表示沒有試樣，無測試數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種金剛石鉆頭的鉆頭體，包括有骨芯和外耐磨層，鉆頭體上開設(shè)有噴嘴孔，其特征在于所述的骨芯由鋼芯和包覆鋼芯的鑄鋼丸燒結(jié)體構(gòu)成，所述的外耐磨層由碳化鎢燒結(jié)層構(gòu)成，所述的鑄鋼丸燒結(jié)體與碳化鎢燒結(jié)層由粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，并與鋼芯燒結(jié)成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石鉆頭的鉆頭體，其特征在于在鉆頭體的噴嘴孔內(nèi)壁覆有碳化鎢燒結(jié)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金剛石鉆頭的鉆頭體，其特征在于所述的碳化鎢燒結(jié)層的厚度為1～8毫米，由粒徑為0.01～0.50毫米的鑄造或者燒結(jié)碳化鎢粉與粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，鑄造或者燒結(jié)碳化鎢粉所占重量比為55～70％，粘結(jié)金屬為余量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金剛石鉆頭的鉆頭體，其特征在于所述的鑄鋼丸燒結(jié)體由粒徑為0.05～0.50毫米的鑄鋼丸與粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，鑄鋼丸所占重量比為40～60％，粘結(jié)金屬為余量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金剛石鉆頭的鉆頭體，其特征在于鑄鋼丸的主要化學(xué)成分為C0.85-1.20％，Mn0.6-1.2％，Si0.4-1.0％，S、P＜0.05％，F(xiàn)e余量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金剛石鉆頭的鉆頭體，其特征在于所述的粘結(jié)金屬為銅基合金。
7.一種金剛石鉆頭的鉆頭體制作方法，其特征在于首先，設(shè)置與待加工的金剛石鉆頭鉆頭體相匹配的石墨或陶瓷凹腔模具，包括水孔和噴嘴孔芯棒；在凹腔模具表面涂抹由碳化鎢粉和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層的厚度為1～8毫米，待燒結(jié)層碳化鎢粉和膠粘劑混合的組分含量按重量計為碳化鎢粉80-90％，膠粘劑余量；涂抹好之后把鑄鋼丸裝入模具中，裝好鋼芯8，同時將水孔和噴嘴孔芯棒放入定位，再加入粘結(jié)金屬和助熔劑，然后入爐熔滲燒結(jié)，熔滲燒結(jié)溫度在900-1200℃之間，等粘結(jié)金屬完全浸漬了表面涂抹層后出爐保溫冷卻，再開模清理即成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金剛石鉆頭的鉆頭體制作方法，其特征在于噴嘴孔芯棒為石墨芯棒，在噴嘴孔芯棒上涂抹由碳化鎢顆粒和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層的厚度為1～8毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的金剛石鉆頭的鉆頭體制作方法，其特征在于所述的膠粘劑按重量計由甘油1～10％，烷基丙烯酸脂5～15％，二乙二醇單丁醚余量，配制而成的流態(tài)膠粘劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的金剛石鉆頭的鉆頭體及該鉆頭體的制作方法。包括有骨芯和外耐磨層，其特征在于所述的骨芯由鋼芯和包覆鋼芯的鑄鋼丸燒結(jié)體構(gòu)成，外耐磨層由碳化鎢燒結(jié)層構(gòu)成，鑄鋼丸燒結(jié)體與碳化鎢燒結(jié)層由粘結(jié)金屬經(jīng)高溫熔滲燒結(jié)而成，并與鋼芯燒結(jié)成一體。本發(fā)明主要通過采用鑄鋼丸作為骨架材料來實現(xiàn)鉆頭體心部的高強高韌，其表層和傳統(tǒng)碳化鎢粉胎體PDC鉆頭體一樣耐磨抗沖蝕，同時鉆頭體心部的抗彎強度和沖擊韌性比傳統(tǒng)碳化鎢粉胎體PDC鉆頭體性能提高40％以上。這不但降低了鉆頭制造成本，而且避免了鉆頭體刀翼因強度低而發(fā)生裂縫甚至開裂情況的發(fā)生，有效增強了金剛石鉆頭的綜合性能和使用壽命。
文檔編號C22C29/06GK101016826SQ20071005163
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者彭金龍, 張烈華 申請人:江漢石油鉆頭股份有限公司