一种金刚石钻头的钻头体及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种用于石油地质钻探领域的金刚石钻头的钻头体及该钻头体的制作方法。包括有骨芯和外耐磨层，其特征在于所述的骨芯由钢芯和包覆钢芯的铸钢丸烧结体构成，外耐磨层由碳化钨烧结层构成，铸钢丸烧结体与碳化钨烧结层由粘结金属经高温熔渗烧结而成，并与钢芯烧结成一体。本发明专利技术主要通过采用铸钢丸作为骨架材料来实现钻头体心部的高强高韧，其表层和传统碳化钨粉胎体ＰＤＣ钻头体一样耐磨抗冲蚀，同时钻头体心部的抗弯强度和冲击韧性比传统碳化钨粉胎体ＰＤＣ钻头体性能提高４０％以上。这不但降低了钻头制造成本，而且避免了钻头体刀翼因强度低而发生裂缝甚至开裂情况的发生，有效增强了金刚石钻头的综合性能和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于石油地质钻探领域的金刚石钻头的钻头体及该钻头体的制作方法。
技术介绍
在石油钻井中，金刚石钻头(PDC钻头)由于具有使用寿命较长的特性而被广泛应用。金刚石钻头结构上主要由与钻杆连接的上体、钻头体和焊接在钻头体球鼻上的刀片三个部分组成，钻头体上设置有喷嘴孔，钻头体是金刚石钻头起关键作用的部件。现有的金刚石钻头钻头体都是以碳化钨粉为骨架材料，以Cu合金为粘结金属，采用无压浸渍的方法制造的。这样的钻头体固然耐磨损，抗冲蚀，但是胎体的强度和韧性比较低，通常抗弯强度在700MPa左右，冲击韧性不高于5J/CM2。在实际使用中由于强度低的问题易引起钻头体刀翼的开裂甚至断裂，从而给钻井带来潜在的隐患和危险，严重影响金刚石钻头的综合性能和使用寿命。美国专利4884477介绍了一种在钻头体骨架材料中添加钢、铁等金属粉末，表面采用强化工艺的钻头体制造方法，但是该专利介绍的表面强化工艺是反复喷胶和碳化钨粉的工艺方法，这种方法效率低，涂层薄，表面强化效果受到很大的限制。至于钢体PDC钻头体，固然具有很高的强度和韧性，但是采用堆焊等方法进行表面强化的钢体钻头体仍然容易受到冲蚀。因此，如何在提高钻头体强度的同时，保证钻头体的耐磨、抗冲蚀能力，是提高金刚石钻头体综合性能的重要课题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种表面耐磨、抗冲蚀、心部强而韧的金刚石钻头钻头体，以及制作该钻头体的方法。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的钻头体技术方案为包括有骨芯和外耐磨层，钻头体上开设有喷嘴孔，其不同之处在于所述的骨芯由钢芯8和包覆钢芯的铸钢丸烧结体6构成，所述的外耐磨层由碳化钨烧结层2构成，所述的铸钢丸烧结体与碳化钨烧结层由粘结金属经高温熔渗烧结而成，并与钢芯烧结成一体。按上述方案，在钻头体的喷嘴孔内壁覆有碳化钨烧结层2。按上述方案，所述的碳化钨烧结层的厚度为1～8毫米，由粒径为0.01～0.50毫米的铸造或者烧结碳化钨粉与粘结金属经高温熔渗烧结而成，铸造或者烧结碳化钨粉所占重量比为55～70％，粘结金属为余量。按上述方案，所述的铸钢丸烧结体由粒径为0.05～0.50毫米的铸钢丸与粘结金属经高温熔渗烧结而成，铸钢丸所占重量比为40～60％，粘结金属为余量。本专利技术的制作方法的技术方案为首先，设置与待加工的金刚石钻头钻头体相匹配的石墨或陶瓷凹腔模具1，包括水孔和喷嘴孔芯棒3；在凹腔模具表面涂抹由碳化钨粉和胶粘剂混合成的待烧结层，待烧结层的厚度为1～8毫米，待烧结层碳化钨粉和胶粘剂混合的组分含量按重量计为碳化钨粉80-90％，胶粘剂余量；涂抹好之后把铸钢丸装入模具中，装好钢芯8，同时将水孔和喷嘴孔芯棒放入定位，再加入粘结金属9和助熔剂，然后入炉熔渗烧结，熔渗烧结温度在900-1200C°之间，等粘结金属完全浸渍了表面涂抹层后出炉保温冷却，再开模清理即成。按上述方案，喷嘴孔芯棒3为石墨芯棒，在喷嘴孔芯棒上涂抹由碳化钨粉和胶粘剂混合成的待烧结层，待烧结层的厚度为1～8毫米。按上述方案，所述的胶粘剂是由甘油，烷基丙烯酸脂，二乙二醇单丁醚配制而成的流态胶粘剂，这种胶粘剂在500℃下完全挥发，达到钻头体浸渍温度后，通过粘结金属的熔渗，在钻头体外表面形成了一层碳化钨耐磨层。所述的粘结金属为铜基合金。本专利技术的有益效果在于1、本专利技术主要通过采用铸钢丸作为骨架材料来实现钻头体心部的高强高韧，同时通过把碳化钨和流态胶粘剂混合后涂抹在模具表面，烧结后来实现钻头体表层的耐磨抗冲蚀，且熔渗烧结体的应力分布均匀。2、本专利技术的钻头体，其表层和传统碳化钨粉胎体PDC钻头体一样耐磨抗冲蚀，同时钻头体心部的抗弯强度和冲击韧性比传统碳化钨粉胎体PDC钻头体性能提高40％以上。3、因为碳化钨粉的用量大大降低，从而不但降低了钻头制造成本，而且避免了钻头体刀翼因强度低而发生裂缝甚至开裂情况的发生，有效增强了金刚石钻头的综合性能，提高了金刚石钻头的使用寿命。附图说明图1为本专利技术一个实施例在制作时放入凹腔模具熔渗烧结时剖视结构图。图2为本专利技术一个实施例的剖视结构示意图。图3为本专利技术制作方法中石墨喷嘴孔芯棒涂抹含胶粘剂碳化钨粉后的结构示意图。图4为本专利技术一个实施例碳化钨烧结层的金相图。图5为本专利技术一个实施例铸钢丸烧结体金相图。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的实施例。实施例如图1、2所示。首先将粒径介于0.037毫米到0.149毫米之间的铸造碳化钨粉和胶粘剂混合，制成具有一定胶粘性能的碳化钨粉胶合体，碳化钨颗粒和胶粘剂混合的组分含量按重量计为碳化钨颗粒90％，胶粘剂 余量。所述的胶粘剂按重量计由甘油1～10％，烷基丙烯酸脂5～15％，二乙二醇单丁醚余量，配制而成的流态胶粘剂，然后将碳化钨粉胶合体均匀的涂抹在组装好的石墨凹腔模具1和上模4上，涂抹3毫米厚左右，形成待烧结碳化钨烧结层2；同样在石墨喷嘴孔芯棒3的表面也均匀的涂抹一层3毫米厚左右的碳化钨粉胶合体，形成待烧结碳化钨烧结层2；涂抹好后放入凹腔模具1；然后在凹腔模具中装入一定量的铸钢丸，铸钢丸粒径介于0.05毫米到0.50毫米之间，铸钢丸的主要化学成分为C0.85-1.20％，Mn0.6-1.2％，Si0.4-1.0％，S、P＜0.05％，Fe余量；适当振动之后，装入钢芯8(含刀片5)，然后再装入足够的铸钢丸，套上套筒7，根据所装入的铸钢丸的量装入适量的铜基(铜合金)粘结金属9和助熔剂，助熔剂可为硼砂，加入的量按重量计为为粘结金属的10％左右，再入炉烧结。当烧结炉炉温到达1100C°后保温30分钟，然后将钻头体凹腔模具出炉、冷却，开模清理。按照本工艺方法烧结的钻头体经过后续钎焊、组焊、整形等工序制造的金刚石钻头的剖面示意图如图2所示，钻头体通过组焊焊缝焊接与上体12相固联，在钻头体的下端焊接金刚石复合片11。本专利技术做了材料力学性能测试对比试验。在同样的条件下，对铸造碳化钨粉烧结试样和铸钢丸烧结试样性能进行了测试分析，下表为传统铸造碳化钨粉和铸钢丸烧结试样性能数据测试对比表。表一铸造碳化钨粉钻头体和铸钢丸钻头体性能数据测试对比表 注条试样是直接烧结成条形试样，其中上试样是接近粘结金属部位的试样，下试样是远离粘结金属部位的试样。注板试样是在板状烧结体上取得的试样。注“---”表示没有试样，无测试数据。权利要求1.一种金刚石钻头的钻头体，包括有骨芯和外耐磨层，钻头体上开设有喷嘴孔，其特征在于所述的骨芯由钢芯和包覆钢芯的铸钢丸烧结体构成，所述的外耐磨层由碳化钨烧结层构成，所述的铸钢丸烧结体与碳化钨烧结层由粘结金属经高温熔渗烧结而成，并与钢芯烧结成一体。2.根据权利要求1所述的金刚石钻头的钻头体，其特征在于在钻头体的喷嘴孔内壁覆有碳化钨烧结层。3.根据权利要求1或2所述的金刚石钻头的钻头体，其特征在于所述的碳化钨烧结层的厚度为1～8毫米，由粒径为0.01～0.50毫米的铸造或者烧结碳化钨粉与粘结金属经高温熔渗烧结而成，铸造或者烧结碳化钨粉所占重量比为55～70％，粘结金属为余量。4.根据权利要求1或2所述的金刚石钻头的钻头体，其特征在于所述的铸钢丸烧结体由粒径为0.05～0.50毫米的铸钢丸与粘结金属经高温熔渗烧结而成，铸钢丸所占重量比为40～6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石钻头的钻头体，包括有骨芯和外耐磨层，钻头体上开设有喷嘴孔，其特征在于所述的骨芯由钢芯和包覆钢芯的铸钢丸烧结体构成，所述的外耐磨层由碳化钨烧结层构成，所述的铸钢丸烧结体与碳化钨烧结层由粘结金属经高温熔渗烧结而成，并与钢芯烧结成一体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭金龙，张烈华，
申请(专利权)人：江汉石油钻头股份有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]