牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金行業(yè)鉆頭領(lǐng)域，具體地指一種牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三牙輪鉆頭是石油、礦山廣泛使用的鉆井鉆孔工具，掘進(jìn)速度和使用壽命是最重要的性能指標(biāo)。在鉆壓、轉(zhuǎn)速、巖石硬度、合金齒齒數(shù)、齒型、分布不變的情況下，合金齒的性能決定了掘進(jìn)速度。鉆頭的使用壽命主要由鉆頭的軸承壽命和鉆頭的合金齒壽命共同決定。在軸承質(zhì)量能保證的前提下，合金齒壽命決定了牙輪鉆頭的總體壽命。提高合金齒性能對(duì)提高鉆井效率、降低鉆井成本有重大意義。牙輪鉆頭使用時(shí)會(huì)遇到各種地質(zhì)情況，在鉆探高硬度巖石時(shí)，合金齒受高壓、撞擊、磨削很容易損壞，提高合金齒性能要求同時(shí)提高其硬度和韌性。目前合金齒由碳化鎢粉末與鈷合金粉末復(fù)合材料燒結(jié)制成，碳化鎢粉末作為硬質(zhì)材料，鈷合金作為粘結(jié)劑。鈷合金的含量(6-25% )不同，可制出不同硬度的合金齒，硬度高則韌性低，易脆斷，反之亦然。同時(shí)提高其硬度和韌性是極難解決的技術(shù)問(wèn)題。另外，合金齒使用中崩裂、磨損會(huì)鈍化，造成掘進(jìn)速度下降，如施加更大的鉆壓，軸承容易過(guò)載損壞。目前的技術(shù)是制作單一材料不同硬度的合金齒，根據(jù)地質(zhì)條件選用不同硬度的合金齒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是要克服上述不足，提供一種硬度和韌性都極佳的牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒及其加工方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒，包括合金齒本體，所述合金齒本體具有一體成型的柱形部分和切削部分，安裝時(shí)所述柱形部分埋入在牙輪內(nèi)、所述切削部分伸出在牙輪外，其特殊之處在于:所述合金齒本體從橫截面上看呈多層由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)張并緊密結(jié)合的年輪結(jié)構(gòu)，它包括芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層，所述芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層的物理硬度逐漸降低，從而在工作時(shí)使芯軸部分和中間年輪層受到來(lái)自外圈年輪層的殘余壓應(yīng)力。
[0005]進(jìn)一步地，所述中間年輪層設(shè)置有I?5層。因?yàn)楹辖瘕X直徑不大，層數(shù)太多會(huì)過(guò)于復(fù)雜。優(yōu)選地，所述中間年輪層設(shè)置有2?4層。
[0006]更進(jìn)一步地，所述芯軸部分的直徑d、所述外圈年輪層的直徑D和厚度、所述中間年輪層(1.4)厚度Τφ為和層數(shù)N滿(mǎn)足如下數(shù)學(xué)關(guān)系:
[0007]d 彡 0.4D，T外彡 0.15D，T中=[(D — d) /2 — T外]/N。
[0008]再進(jìn)一步地，所述芯軸部分為鈷合金百分含量占6 %的碳化鎢硬質(zhì)合金，所述中間年輪層為鈷合金百分含量介于6?25%之間的碳化鎢硬質(zhì)合金，所述外圈年輪層為單純的鈷合金。由于外層鈷合金和中間層梯度材料的熱脹冷縮系數(shù)大于芯部高硬度碳化鎢硬質(zhì)合金，冷卻過(guò)程中會(huì)對(duì)芯部碳化鎢硬質(zhì)合金產(chǎn)生壓應(yīng)力，芯部高硬度材料受殘余壓應(yīng)力保護(hù)不容易脆斷，外層金屬和中間層碳化鎢復(fù)合材料硬度較低，優(yōu)先磨損，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自我銳利，非常有利于保持較高的鉆進(jìn)速度。
[0009]再進(jìn)一步地，所述中間年輪層中鈷合金百分含量由內(nèi)層向外層逐漸遞增。
[0010]優(yōu)選地，所述柱形部分呈圓柱形，所述切削部分呈錐形、半圓曲面形、或拋物線曲面形。
[0011]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒的加工方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0012]I)取鈷合金粉末和碳化鎢粉末的復(fù)合材料，與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合成膏狀，經(jīng)相應(yīng)模具擠壓成型，再固化處理，獲得棒狀的芯軸部分毛坯和管狀的中間年輪層毛坯；其中，鈷合金粉末在復(fù)合材料中的重量百分比不大于25%，芯軸部分的鈷合金粉末含量低于中間年輪層的鈷合金粉末含量，有機(jī)粘結(jié)劑的用量占復(fù)合材料重量的5?30% ;
[0013]2)取單純的鈷合金粉末，與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合成膏狀，經(jīng)相應(yīng)模具擠壓成型，再固化處理，獲得管狀的外圈年輪層毛坯；其中，有機(jī)粘結(jié)劑的用量占單純的鈷合金粉末重量的5?30% ；
[0014]3)將所制得的芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層毛坯依次套裝好后，再整體嵌入鋼制的細(xì)長(zhǎng)密封桶中，并在細(xì)長(zhǎng)密封桶上部焊接好帶通氣管的密封上蓋；
[0015]4)將通氣管與真空栗連接，并將細(xì)長(zhǎng)密封桶置于加熱爐內(nèi)緩慢加熱到攝氏500度以上；與此同時(shí)，開(kāi)啟真空栗經(jīng)由通氣管對(duì)細(xì)長(zhǎng)密封桶抽氣，使其內(nèi)的有機(jī)粘結(jié)劑分解蒸發(fā)；
[0016]5)當(dāng)有機(jī)粘結(jié)劑完全分解蒸發(fā)后，壓扁通氣管，并將其與細(xì)長(zhǎng)密封桶焊接好，使其內(nèi)腔形成真空狀態(tài)；
[0017]6)對(duì)內(nèi)腔呈真空狀態(tài)的細(xì)長(zhǎng)密封桶進(jìn)行熱等靜壓處理，使其中的芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層毛坯組件在高溫高壓下進(jìn)一步結(jié)合密實(shí)；
[0018]7)再通過(guò)酸洗或機(jī)加工除去細(xì)長(zhǎng)密封桶，得到具有梯度復(fù)合材料年輪結(jié)構(gòu)的棒坯，經(jīng)切斷、磨削加工，最終制得本發(fā)明的合金齒本體。
[0019]其中，所述步驟I)中，芯軸部分的鈷合金粉末在復(fù)合材料中的重量百分比為6% ;中間年輪層的鈷合金粉末在復(fù)合材料中的重量百分比介于6?25%之間，且由內(nèi)層向外層鈷合金粉末的含量逐漸增加。
[0020]本發(fā)明方法由于外層鈷合金和中間層梯度材料的熱脹冷縮系數(shù)大于芯部高硬度碳化鎢硬質(zhì)合金，冷卻過(guò)程中會(huì)對(duì)芯部碳化鎢硬質(zhì)合金產(chǎn)生壓應(yīng)力。芯部高硬度材料受殘余壓應(yīng)力保護(hù)不容易脆斷，外層金屬和中間層碳化鎢復(fù)合材料硬度較低，優(yōu)先磨損，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自我銳利，利于保持較高的鉆進(jìn)速度。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為一種牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為圖1中合金齒橫截面俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒加工示意圖。
[0024]圖中:合金齒本體1(其中:柱形部分1.1，切削部分1.2，芯軸部分1.3，中間年輪層1.4，外圈年輪層1.5)，芯軸部分直徑d，外圈年輪層直徑D，外圈年輪層厚度，中間年輪層厚度?ψ，層數(shù)N，細(xì)長(zhǎng)密封桶2 (其中:通氣管2.1，密封上蓋2.2)，牙輪3。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0026]如圖所示的牙輪鉆頭梯度復(fù)合材料合金齒，包括合金齒本體1，合金齒本體I具有一體成型的柱形部分1.1和切削部分1.2，柱形部分1.1呈圓柱形，切削部分1.2呈錐形、半圓曲面形、或拋物線曲面形。安裝時(shí)所述柱形部分1.1埋入在牙輪3內(nèi)、切削部分1.2伸出在牙輪3外，合金齒本體I從橫截面上看呈多層由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)張并緊密結(jié)合的年輪結(jié)構(gòu)，它包括芯軸部分1.3、中間年輪層1.4和外圈年輪層1.5，芯軸部分1.3、中間年輪層1.4和外圈年輪層1.5的物理硬度逐漸降低，從而在工作時(shí)使芯軸部分1.3和中間年輪層1.4受到來(lái)自外圈年輪層1.5的殘余壓應(yīng)力。中間年輪層1.4設(shè)置有I?5層，優(yōu)選為2?4層；芯軸部分1.3的直徑d、所述外圈年輪層1.5的直徑D和厚度Tp所述中間年輪層1.4厚度ΤΦ為和層數(shù)N滿(mǎn)足如下數(shù)學(xué)關(guān)系:
[0027]d 彡 0.4D，T外彡 0.15D，T中=[(D — d) /2 — T外]/N。
[0028]其中，芯軸部分1.3為鈷合金百分含量占6%的碳化媽硬質(zhì)合金，具有此類(lèi)復(fù)合材料的最高硬度約HRA90，中間年輪層1.4為鈷合金百分含量介于6?25%之間的碳化鎢硬質(zhì)合金，且中間年輪層1.4中鈷合金百分含量由內(nèi)層向外層逐漸遞增。外圈年輪層1.5為單純的鈷合金，使得外圈年輪層1.5具有很高的抗沖擊韌性。由于外圈