專利名稱：一種鋼體pdc鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防護(hù)工藝，尤其涉及一種通過熱噴涂技術(shù)硬化鋼體鉆頭表面，特別是硬化鉆頭冠部，以此提高鉆頭在井下的耐磨性等綜合性能的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝。
背景技術(shù)：
鋼體PDC鉆頭是PDC鉆頭中的一種類別，相對于胎體PDC鉆頭而言，鋼體PDC鉆頭造型不受刀翼強(qiáng)度限制，冠部主體強(qiáng)度高，生產(chǎn)成本低，效率高。但是鋼體鉆頭在復(fù)雜的工況下(如復(fù)合磨損，泥漿沖蝕等交替作用)極易出現(xiàn)冠部磨損嚴(yán)重的情況，大大限制了鋼體鉆頭的使用范圍。針對這一問題，以往通常采用堆焊的方法，即在鉆頭冠部敷焊一層耐磨材料。這種工藝的生產(chǎn)效率過低，在復(fù)雜的工況下，特別是在大位移的定向井和超深井中，容易發(fā)生堆焊層脫落的事故。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種通過熱噴涂技術(shù)硬化鋼體鉆頭表面，特別是硬化鉆頭冠部，以此提高鉆頭在井下的耐磨性等綜合性能的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，所述工藝包括如下步驟步驟一涂層設(shè)計；步驟二 表面預(yù)處理；步驟三涂層施工；步驟四保溫緩冷；步驟五機(jī)械后處理；所述步驟一中的涂層設(shè)計包括在施工前明確施工步驟以及確定各施工步驟中的具體操作參數(shù)，以利于施工時各工序的緊密銜接，從而最終保證產(chǎn)品質(zhì)量；所述步驟二中的表面預(yù)處理包括冠部凹切、屏蔽非噴涂層、表面粗化和表面凈化共四個環(huán)節(jié)；所述步驟三中的涂層施工包括工件預(yù)熱、噴涂粘結(jié)底層、噴涂工作層共三個環(huán)節(jié)。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述冠部凹切包括凹切區(qū)域和凹切余量，鋼體roc鉆頭冠部由內(nèi)錐、頂部、側(cè)翼、肩部和保徑五部分組成，在凹切時依次對冠部的這五個組成區(qū)域進(jìn)行打磨，凹切應(yīng)以滿足粘結(jié)底層和噴涂層的容量為原則，根據(jù)噴涂粉末和基體的材質(zhì)特性，涂層的厚度為2. 50-3. 00mm，上述涂層在強(qiáng)化鉆頭抗磨損性的前提下，可以有效的保證涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，故確定凹切的加工余量為3. 0—3. 5mm。
在本發(fā)明的具體實施例子中，所述屏蔽非噴涂層包括噴涂區(qū)域即為凹切的鉆頭冠部處，因此只需對鉆頭冠部上的齒穴進(jìn)行屏蔽，用與齒穴同尺寸相同的石墨替塊屏蔽是首選方案。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述表面粗化包括用噴砂的方式粗化工件，噴砂壓力為O. 6-0. 7Mpa,噴砂介質(zhì)是石英砂，粒度為O. 5-1. 5mm,噴砂后工件表面粗糙度應(yīng)達(dá)到8-10 μ mRa,噴砂的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述表面凈化包括用壓縮空氣吹凈鉆頭體表面的砂粒和其它雜質(zhì)，然后用丙酮清洗鉆頭冠部，清洗的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述工件預(yù)熱包括用功率為80KW的中頻爐預(yù)熱，預(yù)熱時要與可升降平臺配合使用，要求升溫速率3—5 V /min，中頻頻率1000Hz，預(yù)熱溫度為550。。。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述噴涂粘結(jié)底層中噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為100目的F512作為噴涂材料，噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥Ih,干燥溫度為100°C,涂層厚度應(yīng)為O. 10一O. 18mm,氧氣表壓力3. 5—4. OMpa,乙炔表壓力O. 10—0. 14Mpa，噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離以150— 200mm為宜，噴涂時，噴涂炬的移動面速度為20— 25cm/s。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述噴涂工作層包括噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用氧乙炔噴涂 炬，使用規(guī)格為150目的F102與WC的復(fù)合粉末作為噴涂材料，其中WC的含量為60 %，要求粉末雜質(zhì)含量小于O. 3 %，噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥lh，干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為2. 5—2. 8mm,氧氣表壓力3. 5—4. OMpa,乙炔表壓力O. 10—0. 14Mpa，噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150-200mm為宜，噴涂時，噴涂炬的移動面速度為2025cm/s。在本發(fā)明的具體實施例子中，所述施工完畢后應(yīng)立即把鉆頭放入保溫盒中保溫緩
*T" ^
冷，保溫時間根據(jù)經(jīng)驗公式t = ~;^確定，其中T為鉆頭基體溫度，h為鉆頭基體厚度。
1 200X25在本發(fā)明的具體實施例子中，所述機(jī)械后處理具體如下選擇100目的平形金剛石砂輪對保徑半精磨。本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于本發(fā)明突破傳統(tǒng)認(rèn)識，采用火焰類熱噴涂技術(shù)，尤其提出了 “噴涂-重熔-噴涂”的循環(huán)式生產(chǎn)工藝，使噴涂材料實現(xiàn)了在涂層和鉆頭體之間的有機(jī)擴(kuò)散，有效地增強(qiáng)了涂層和鉆頭體之間的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明以生產(chǎn)效率高，質(zhì)量優(yōu)和經(jīng)濟(jì)成本低等顯著優(yōu)點，完善發(fā)展了鋼體PDC鉆頭的生產(chǎn)工藝。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。圖1是本發(fā)明的工藝流程圖，參見圖1，本發(fā)明包括如下步驟步驟一涂層設(shè)計；步驟二 表面預(yù)處理；步驟三涂層施工；步驟四保溫緩冷；步驟五機(jī)械后處理。下面為一個具體的實施過程以81//鋼體鉆頭的加工過程為例，實施過程如下
1、涂層設(shè)計(I)冠部凹切冠部凹切包括凹切區(qū)域和凹切余量.鋼體PDC鉆頭冠部由內(nèi)錐，頂部，側(cè)翼，肩部和保徑五部分組成.在凹切時要依次對冠部的這五個組成區(qū)域進(jìn)行打磨.凹切應(yīng)以滿足粘結(jié)底層和噴涂層的容量為原則.根據(jù)噴涂粉末和基體的材質(zhì)特性，涂層的厚度以2. 50-3. OOmm為宜，上述涂層在強(qiáng)化鉆頭抗磨損性的前提下，可以有效的保證涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。故確定凹切的加工余量為3. 0-3. 5mm。(2)屏蔽非噴涂層噴涂區(qū)域即為凹切的鉆頭冠部處.因此只需對鉆頭冠部上的齒穴進(jìn)行屏蔽。(3)表面粗化用噴砂的方式粗化工件.噴砂壓力為O. 6-0. 7Mpa,噴砂介質(zhì)是石英砂，粒度為O. 5—1. 5mm，噴砂后工件表面粗糙度應(yīng)達(dá)到8 —10 μ mRa，噴砂的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。(4)表面凈化用壓縮空氣吹凈鉆頭體表面的砂粒和其它雜質(zhì)，然后用丙酮清洗鉆頭冠部，清洗的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。(5)工件預(yù)熱用功率為80KW的中頻爐預(yù)熱，預(yù)熱時要與可升降平臺配合使用。要求升溫速率3 — 5°C /min,中頻頻率1000Hz，預(yù)熱溫度為550°C。(6)噴涂粘結(jié)底層噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用外國進(jìn)口的氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為100目的F512作為噴涂材料，要求鎳粉含量為95 %，噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干 燥lh，干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為O. 10—0. 18_，氧氣表壓力3. 5—4. OMpa,乙炔表壓力O. 10—0. HMpa0噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150— 200mm為宜，噴涂時噴涂炬的移動面速度為20—25cm/s。F512可以選用市場上可以方便買到的上海斯米克供應(yīng)的F512噴涂材料。(7)噴涂工作層噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用外國進(jìn)口的氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為150目的F102與WC的復(fù)合粉末作為噴涂材料，其中WC的含量為60 %。要求粉末雜質(zhì)含量小于O. 3 %。噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥Ih,干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為2.52.8mm。氧氣表壓力3. 5 — 4. OMpa，乙炔表壓力O. 10—O. HMpa0噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150— 200mm為宜，噴涂時，噴涂炬的移動面速度為20— 25cm/s。F102可以選用市場上可以方便買到的河北恒瑞特種耐磨焊條廠供應(yīng)的F102噴涂材料。2、表面預(yù)處理(I)冠部凹切使用電動角向磨光機(jī)對鉆頭冠部的內(nèi)錐、頂部、側(cè)翼、肩部、保徑的正面及兩側(cè)面進(jìn)行凹切打磨，凹切時的打磨加工余量為3. 0—3. 5mm。(2)屏蔽非噴涂層根據(jù)齒穴尺寸選擇對應(yīng)的石墨替塊(1913，1308等)填充屏蔽。(3)表面粗化將噴砂機(jī)的噴砂壓力調(diào)整至O. 6—0. 7Mpa，以粒度為O. 5—1. 5的石英砂為噴砂介質(zhì)對凹切的鉆頭冠部進(jìn)行粗化處理，噴砂后的工件表面粗糙度應(yīng)達(dá)到8—10 μ mRa。(4)表面凈化用壓縮空氣吹凈鉆頭體表面的砂粒和其它雜質(zhì)。然后用丙酮清洗鉆頭冠部，清洗的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。
(5)工件預(yù)熱用功率為80KW的中頻爐預(yù)熱，預(yù)熱時要與可升降平臺配合使用。要求升溫速率3 — 5°C /min,中頻頻率1000Hz，預(yù)熱溫度為550°C。3、涂層施工( I)噴涂粘結(jié)底層噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用外國進(jìn)口的氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為100目的F512作為噴涂材料，要求鎳粉含量為95 %。噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥lh，干燥溫度為100°C。涂層厚度應(yīng)為O. 10—0. 18_。氧氣表壓力3. 5—4. OMpa,乙炔表壓力O. 10—0. HMpa0噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150-200mm為宜，噴涂時噴涂炬的移動面速度為20_25cm/s。(2)噴涂工作層噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用外國進(jìn)口的氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為150目的F102與WC的復(fù)合粉末作為噴涂材料，其中WC的含量為60 %。要求粉末雜質(zhì)含量小于O. 3 %。噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥lh，干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為2. 52. 8mm，氧氣表壓力3. 54. OMpa,乙炔表壓力O. 100. HMpa0噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150—200mm為宜，噴涂時噴涂炬的移動面速度為20_25cm/s。4、保溫緩冷施工完畢后應(yīng)立即把鉆頭放入保溫盒中保溫緩冷，保溫時間根據(jù)經(jīng)
驗公示
權(quán)利要求
1.一種鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述工藝包括如下步驟 步驟一涂層設(shè)計； 步驟二 表面預(yù)處理； 步驟三涂層施工； 步驟四保溫緩冷； 步驟五機(jī)械后處理； 所述步驟一中的涂層設(shè)計包括在施工前明確施工步驟以及確定各施工步驟中的具體操作參數(shù)； 所述步驟二中的表面預(yù)處理包括冠部凹切、屏蔽非噴涂層、表面粗化和表面凈化共四個環(huán)節(jié)；所述步驟三中的涂層施工包括工件預(yù)熱、噴涂粘結(jié)底層、噴涂工作層共三個環(huán)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述冠部凹切包括凹切區(qū)域和凹切余量，鋼體PDC鉆頭冠部由內(nèi)錐、頂部、側(cè)翼、肩部和保徑五部分組成，在凹切時依次對冠部的這五個組成區(qū)域進(jìn)行打磨，凹切應(yīng)以滿足粘結(jié)底層和噴涂層的容量為原則，根據(jù)噴涂粉末和基體的材質(zhì)特性，涂層的厚度為2. 50-3. 00mm，上述涂層在強(qiáng)化鉆頭抗磨損性的前提下，可以有效的保證涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，故確定凹切的加工余量為 3. O—3. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述屏蔽非噴涂層包括噴涂區(qū)域即為凹切的鉆頭冠部處，因此只需對鉆頭冠部上的齒穴進(jìn)行屏蔽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述表面粗化包括用噴砂的方式粗化工件，噴砂壓力為O. 6-0. 7Mpa,噴砂介質(zhì)是石英砂，粒度為O. 5—1.5mm,噴砂后工件表面粗糙度應(yīng)達(dá)到8 —10 μ mRa,噴砂的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述表面凈化包括用壓縮空氣吹凈鉆頭體表面的砂粒和其它雜質(zhì)，然后用丙酮清洗鉆頭冠部，清洗的重點區(qū)域為凹切的鉆頭冠部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述工件預(yù)熱包括用功率為80KW的中頻爐預(yù)熱，預(yù)熱時要與可升降平臺配合使用，要求升溫速率3—50C /min,中頻頻率1000Hz，預(yù)熱溫度為550°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述噴涂粘結(jié)底層中噴涂方式選擇氧一乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為100目的F512作為噴涂材料，噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥lh，干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為O. 10—0. 18_，氧氣表壓力3. 5—4. OMpa,乙炔表壓力O. 10—0. 14Mpa，噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離以150—200mm為宜，噴涂時，噴涂炬的移動面速度為20— 25cm/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述噴涂工作層包括噴涂方式選擇氧-乙炔焰粉末噴涂，噴涂設(shè)備采用氧乙炔噴涂炬，使用規(guī)格為150目的F102與WC的復(fù)合粉末作為噴涂材料，其中WC的含量為60 %，要求粉末雜質(zhì)含量小于O.3 %，噴涂前應(yīng)將粉末用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥lh，干燥溫度為100°C，涂層厚度應(yīng)為2. 5—.2.8mm，氧氣表壓力3. 5-4. OMpa,乙炔表壓力O. 10-0. 14Mpa，噴涂時調(diào)整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面噴涂，噴涂距離(焰芯端面至工件表面)以150200mm為宜，噴涂時，噴涂炬的移動面速度為20— 25cm/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述施工完 畢后應(yīng)立即把鉆頭放入保溫盒中保溫緩冷，保溫時間根據(jù)經(jīng)驗公式
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，其特征在于所述機(jī)械后處理具體如下選擇100目的平形金剛石砂輪對保徑半精磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化防護(hù)工藝，包括如下步驟涂層設(shè)計、表面預(yù)處理、涂層施工、保溫緩冷、機(jī)械后處理；涂層設(shè)計包括在施工前明確施工步驟以及確定各施工步驟中的具體操作參數(shù)；表面預(yù)處理包括冠部凹切、屏蔽非噴涂層、表面粗化和表面凈化共四個環(huán)節(jié)；涂層施工包括工件預(yù)熱、噴涂粘結(jié)底層、噴涂工作層共三個環(huán)節(jié)。本發(fā)明突破傳統(tǒng)認(rèn)識，采用火焰類熱噴涂技術(shù)，尤其提出了“噴涂—重熔—噴涂”的循環(huán)式生產(chǎn)工藝，使噴涂材料實現(xiàn)了在涂層和鉆頭體之間的有機(jī)擴(kuò)散，有效地增強(qiáng)了涂層和鉆頭體之間的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明以生產(chǎn)效率高，質(zhì)量優(yōu)和經(jīng)濟(jì)成本低等顯著優(yōu)點，完善發(fā)展了鋼體PDC鉆頭的生產(chǎn)工藝。
文檔編號E21B10/00GK103045985SQ20121055995
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者李朋, 張明利, 張敏, 何櫻子 申請人:上海中盟石油天然氣有限公司, 上海融智金剛石鉆頭有限公司