[发明专利]一种碳化钒钛合金钻井钻头的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井钻头的制造方法，特别涉及一种钒钛硬质合金钻头的制造方法。

背景技术

现有技术中焊接式钨钴硬质合金钻头的制备方法是：先用钢材铸造成型出钻头的主体部分，通过粉末冶金方法制备出钴粘结碳化钨硬质合金；然后通过焊接方法将硬质合金焊接在钻头主体部分的表面，制备得到钨钴硬质合金钻头。该制备方法中需要将钻头的主体部分和硬质合金刃部分别成型，再焊接，工艺较复杂，而且钻头的主体部分和合金刃部为后续焊接连接使得焊接接头成为硬质合金钻头的薄弱环节，更重要的是当合金钻头处于高温作用下容易发生焊接环节失效，钻头破损的意外，严重影响钻头的实际工作能力。

钻头材质所用的具备高硬度的钨钴硬质合金主要成分为碳化钨和钴，由于钨、钴属于战略储备资源，且在地壳中储量相对较少，价格较高。导致石油钻井钻头的成本居高不下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中钻井钻头制备采用焊接所导致的合金刃部在高温工作（作用）下经常发生焊接失效，钻头破损的缺陷，提供一种碳化钒钛硬质合金钻头一体成型的制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案。

一种碳化钒钛硬质合金钻头制备方法，包括以下步骤：

（1） 称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉。使原料中各元素含量为以下重量百分比，碳9.67-10.45%，钛37.42-40.18%，钒39.76-42.69%，余量为铁和不可避免的杂质。

（2） 在隔绝空气的保护环境下，磨细，干燥，过320～500目筛，得粉末粒料，加入1～1.5wt%聚乙二醇溶液,充分搅拌，过45～60目筛，得到颗粒料。

（3） 将颗粒料放入模具中，用350～700MPa的压力压制成型，压制时长10～60s，得坯块。

（4） 将坯块置于真空炉中，于200～350℃下，预烧结30～120分钟，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。

（5） 将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入钢水，使坯块在钢水的热量作用下致密化，钛、钒铁与石墨发生反应形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。

上述制备碳化钒钛硬质合金工艺优选使用了钛、钒铁与石墨进行化学反应形成碳化钒钛颗粒。由于碳化钒钛颗粒是原位合成的，制备得到的硬质合金中所形成的碳化钒钛颗粒更加细小、表面更加干净、与钢粘结相结合强度更高。极大地提高了钻头刃部的性能。

进一步，步骤（1）中称取的原料还包括铜粉，其用量为使铜元素含量占原料总质量的0.10-0.30%。由于铜的熔点只有1083℃，较钢更低，所以在合金成型过程中，铜可以增加碳化钒钛硬质合金中的液相，有利于提高硬质合金的致密化，进而提高了钻头刃部的硬度。铜的用量不宜过多或过少，虽然铜的熔点较低，添加后可以增加液相，提升硬质合金的致密化，但过少的铜则难以达到增加液相的效果，添加后对合金性能影响不明显；过多的铜则降低合金的硬度，影响合金的性能。

进一步，步骤（1）中称取的原料还包括钇铁合金粉。其用量为使钇占原料总质量的0.03-0.15%。所述钇铁合金粉为含钇70wt%，余量为铁的钇铁合金粉。钇可以使碳化钒钛硬质合金的晶粒细化，强化晶界，从而提高钻头刃部的硬度。

进一步，还包括步骤（1）中称取的原料还包括低碳锰铁粉、硅铁粉、低碳铬铁粉、钼铁粉。称取量是使硅、锰、铬、钼含量占原料总重量百分比如下：硅0.20-0.40%，锰0.40-0.70%，铬0.80-1.10%，钼0.15-0.25%。

所述低碳锰铁粉为符合GB/T 3795-2006 规定的低碳锰铁粉。向合金中添加锰铁粉增加合金中锰元素的含量，能够提高合金的热处理性能，使成型后的合金在淬火、回火的处理过程中更容易形成马氏体，进而提高合金的强度。同时锰元素还具有抗氧化效果，即保证合金钻头在制备过程中的防氧化，又能起到使用过程中的增加耐氧能力的效果。

所述低碳铬铁粉为符合GB/T 5683-2008规定的低碳铬铁粉。向合金中添加铬铁粉增加合金中铬元素的含量，能够提高合金的热处理性能，使成型后的合金在淬火、回火的处理过程中更容易形成马氏体，进而提高合金的强度。同时添加锰、铬元素能够达到协调效果，使锰、铬元素在极低的添加量时就能够达到极好的改善合金钻头的效果。