一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺，将Ti(C,N)60％‑Ni30％‑WC7％‑CrC3％粉末制成Ti(C,N)‑Ni基金属陶瓷粉末；采用超音速喷涂法在钢体钻头的外表面喷涂Ti(C,N)‑Ni基金属陶瓷粉末。与现有技术相比，本发明专利技术采用超音速喷涂的技术与传统手工电弧涂敷焊接的方法相比，具有生产效率高，孔隙率低等特点，避免了传统方法中由于涂敷焊接后钻头表面不平需要打磨的缺点，使钻头表面硬化层的性能得到了加大的提高。针对钢体钻头的工作环境，采用超音速喷涂技术，在钢体钻头表面涂敷Ti(C,N)‑Ni基金属陶瓷，用以强化钢体表面，提高其使用寿命，具有推广应用的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺
本专利技术涉及一种机械零件加工
，尤其涉及一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺。
技术介绍
钻头体的表面硬化质量是直接影响钻头使用寿命的关键因素之一，其基本要求为:①表面硬化层的硬度高；②与基体结合强度高；③耐冲蚀性好。由于国产钻头体硬化层耐冲蚀性差，易从基体上剥落，限制了钢体钻头的广泛应用，钻头体表面硬化技术已成为目前迫切需要解决的问题。目前，国内外钢体钻头表面强化技术主要还是采用堆焊的工艺方法，用堆焊技术得到的硬化层与基体的结合强度较高，比较适合钻头体表面硬化的要求。由于钻头体体积较大，用一般的氧-乙炔火焰加热很难达到焊前要求。而且钻头体表面结构复杂、质量大，堆焊过程中难以准确、快速地调整其施焊位置，导致局部温度场不均匀，容易引起较大的焊接残余应力及变形，因此硬化层与基体间的应力分布不均匀，且堆焊层表面粗糙，涂层脱落而导致钻体失效。超音速喷涂表面合金化是近几年发展起来的一种崭新的表面强化处理工艺。这种工艺适用的喷涂材料几乎涵盖了全部固体材料。采用超速音速喷涂时粒子撞击到工件表面的速度可达986m/s，工件表面可以形成致密度高、无分层现象、粗糙度低的高质量涂层，可以大幅度提高工件的强度、硬度等性能，而且喷涂效率高、操作方便。并且，硬化层与基体间可形成梯度过渡层，可以有效的缓冲钻头所受的冲击载荷，改善钻头表面硬化层受交变载荷作用下的使用寿命。目前超音速喷涂工艺在国外已经广泛用于各种工况条件下各类零、部件的表面强化以及修复处理，经过超音速喷涂表面强化处理的零件寿命普遍可以提高一到二倍。硬化材料的成分对硬化层性能起着决定性的作用，按其成分可分为铁基、钴基、镍基、铜基合金和碳化钨型等几大类。目前普遍采用的钻头体硬化材料为硬质合金。但是，在堆焊硬质合金表面材料时，由于硬质合金在焊接热侵蚀下容易熔化，使有效的硬质合金含量降低，耐磨能力下降；另外，熔化的硬质合金会造成低碳钢基体的含碳量提高，使基体脆性显著增大，工具承受冲击载荷的能力下降。而且，近年来，碳化钨价格猛涨，钻头生产成本提高使得传统的以碳化钨作为强化材料的金刚石钻头已不再具有市场竞争力。因此，迫切需要研究开发一种替代堆焊技术和碳化钨基强化材料配方的新体系，既提高钻头的质量又能降低钻头生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：本专利技术包括以下步骤：步骤一：工件预处理：①打磨：去除工件表面的氧化层及锈迹；②去油：采用有机溶剂去油或采用电化学去油，有机溶剂去油：用三氯乙烯对抛光后的工件进行超声波清洗，去除90％以上的油污，电化学去油：在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢。③超声清水冲洗：对工件表面的酸性离子进行一定的去除，酸液清洗：一般使用稀H2S04溶液对工件进行中和，去除碱性离子，再用去离子水进行冲洗；④最后烘干；步骤二：喷涂粉末的准备：将Ti(C,N)60％-Ni30％-WC7％-CrC3％粉末按比例混合后放入球磨罐中，加入70毫升酒精，球料比为5:1，混料24小时；将混合料放在真空干燥箱中在80℃下干燥2小时；将干燥好的粉末进行造粒，粒度控制在80-120微米范围内；制成Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷粉末；步骤三：采用超音速喷涂法在钢体钻头的外表面喷涂步骤二制成的Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷粉末。优选的，所述步骤三中的喷涂法采用环形螺旋轨道作为喷嘴的运行轨道进行喷涂。Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷具有高硬度、高熔点、较高导热率和高温稳定性等特点，因而作为耐磨、耐腐蚀和高温材料有着巨大的潜力和广阔的应用前景，已引起了人们极大的关注。与WC-Co硬质合金相比，具有下列优点：(1)在切削过程中，自身磨损量以及被切削材料的磨损量都比较小；(2)耐高温及耐腐蚀性能更优异；(3)作为钢基体的涂层时，结合强度比较高；(4)密度仅为硬质合金的五分之三。如果作为钢体钻头表面硬化材料，同时还具有下列优点：(1)与钢基体的热膨胀系数接近，可减小硬化层与基体间的内应力；(2)粘接剂Ni的熔点比Co低，可减少能量损耗；(3)价格低廉，Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷的成本仅为WC-Co硬质合金的三分之二。为此，本课题组借鉴Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷在粉末冶金中的成功应用经验，采用超音速喷涂，同时用Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷替代传统的WC-Co硬质合金，在不降低产品的力学性能的同时，降低钻头的生产成本，开发出适合采矿应用的钢体钻头表面强化技术。本专利技术的有益效果在于：本专利技术是一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺，与现有技术相比，本专利技术采用超音速喷涂的技术与传统手工电弧涂敷焊接的方法相比，具有生产效率高，孔隙率低等特点，避免了传统方法中由于涂敷焊接后钻头表面不平需要打磨的缺点，使钻头表面硬化层的性能得到了加大的提高。针对钢体钻头的工作环境，采用超音速喷涂技术，在钢体钻头表面涂敷Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷，用以强化钢体表面，提高其使用寿命，具有推广应用的价值。附图说明图1是本专利技术应用的钻头结构示意图；图2是本专利技术混合干燥后的Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷粉末放大图；图3是本专利技术金属陶瓷图层断面放大图，其中a为50微米倍数图；b为5微米倍数图。图1中：1-钻头基体、2-主刀翼、3-辅助刀翼、4-切削齿、5-保径块、6-喷嘴、7-流道、8-排屑槽。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1所示：本专利技术应用的钻头结构主要由钻头基体1、主刀翼2、辅助刀翼3、切削齿4、保径块5、喷嘴6、流道7和排屑槽8组成，切削齿固定在主刀翼和辅助刀翼上，保径块与主刀翼连成一体，喷嘴镶装在钻头基体上。采用高强度高韧性硬质合金齿，提高了齿的抗冲击能力，减少断齿率。优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的合金齿外形，充分发挥了钻头切削能力和切削速度。在每一个辅助刀翼上仅仅固定一颗切削齿，而且该颗切削齿达到钻头的直径尺寸。主刀翼上最外一颗切削齿也达到钻头的直径尺寸。主要技术要求：①地层适应能力强，可满足极软至极硬地层钻井需求。②机械钻速快(机械钻速最高有的可以达到70m/h)。③钻头寿命长，累计工作时间长，钻井进尺高(累计进尺最大可达15000M)。④水力分配合理，冷却效果好，携带能力强，确保井底干净。⑤钻头定向钻进能力突出，定向效果好。⑥对钻井方式的适应能力强。⑦钻头工作时产生的不平衡力小于钻头的2％。⑧钻头表面耐磨层硬度HRA≥85。本专利技术包括以下步骤：步骤一：工件预处理：喷镀前工件表面可能形成一层金属氧化物或者被灰尘、油脂等污染，所以在喷镀前要对其进行预处理，试验中采用的预处理工艺如下：①打磨：去除工件表面的氧化层及锈迹；②去油：采用有机溶剂去油或采用电化学去油，有机溶剂去油：用三氯乙烯对抛光后的工件进行超声波清洗，去除90％以上的油污，电化学去油：在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢。③清洗超声清水冲洗：对工件表面的酸性离子进行一定的去除，酸液清洗：一般使用稀H2S04溶液对工件进行中和，去除碱性离子，再用去离子水进行冲洗；④最后烘干；步骤二：喷涂粉末的准备：将Ti(C,N)60％-Ni30％-WC7％-CrC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：工件预处理：①打磨：去除工件表面的氧化层及锈迹；②去油：采用有机溶剂去油或采用电化学去油，有机溶剂去油：用三氯乙烯对抛光后的工件进行超声波清洗，去除90％以上的油污，电化学去油：在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢。③超声清水冲洗：对工件表面的酸性离子进行一定的去除，酸液清洗：一般使用稀H2S04溶液对工件进行中和，去除碱性离子，再用去离子水进行冲洗；④最后烘干；步骤二：喷涂粉末的准备：将Ti(C,N)60％‑Ni30％‑WC7％‑CrC3％粉末按比例混合后放入球磨罐中，加入70毫升酒精，球料比为5:1，混料24小时；将混合料放在真空干燥箱中在80℃下干燥2小时；将干燥好的粉末进行造粒，粒度控制在80‑120微米范围内；制成Ti(C,N)‑Ni基金属陶瓷粉末；步骤三：采用超音速喷涂法在钢体钻头的外表面喷涂步骤二制成的Ti(C,N)‑Ni基金属陶瓷粉末。

【技术特征摘要】
1.一种页岩气开采用钻头高耐磨涂层制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：工件预处理：①打磨：去除工件表面的氧化层及锈迹；②去油：采用有机溶剂去油或采用电化学去油，有机溶剂去油：用三氯乙烯对抛光后的工件进行超声波清洗，去除90％以上的油污，电化学去油：在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢。③超声清水冲洗：对工件表面的酸性离子进行一定的去除，酸液清洗：一般使用稀H2S04溶液对工件进行中和，去除碱性离子，再用去离子水进行冲洗；④最后烘干；步骤二：喷涂粉末的准备：将Ti(C,N)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，覃靓，黄巍，李祥林，
申请(专利权)人：湖北三峡职业技术学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42