[发明专利]钢体钻头表面二次硬化方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面硬化技术，更具体地说涉及一种通过堆焊和喷焊实现钢体钻头表面二次硬化的方法。

背景技术

PDC钻头按基体材质分为胎体、钢体两种，但制造工艺截然不同。钢体钻头造型不必受刀翼强度的限制，钻头冠部主体强度高，复合片的钎焊强度高，使用后易于修复，生产工艺流程短，生产效率高，生产成本低，比胎体钻头具有更多的优越性。随着高压喷射钻井技术的不断完善，钻井泵压不断提高，钢体钻头的冲蚀失效问题日益加重，严重影响了钻井速度。因此，提高钻头的耐冲蚀性能才能提高钢体钻头的应用范围。

针对上述问题，现有技术中通常采用堆焊的方法，即使用氧气乙炔焰的方法熔化碳化钨管状焊条将其堆焊在钻头表面。堆焊是在零件表面熔覆上一层耐磨、耐热、耐蚀等具有特殊性能合金层的技术。堆焊的物理本质和冶金过程与一般的熔焊工艺没有什么区别。实现堆焊层与基体之间、堆焊层内颗粒之间的冶金结合，这种方法的堆焊层与基体的结合强度高，在各种复杂钻井条件下都很难发生堆焊层脱落的问题。

但堆焊的方法也存在如下问题：堆焊层的耐磨性不高，钻头的冠部和保径在研磨性地层易于磨损；堆焊的致密性较低，碳化钨管状焊条熔化后的流动性很低，堆焊后表面凹凸不平；在制造钻头中，需要对堆焊层表面进行长时间的打磨，甚至在堆焊层表面刮腻子灰，再打磨以达到较高的表面光洁度，降低了钻头的生产效率。

在钻头修复中，部分钻头受到磨损，现有技术中通常使用喷焊方法，采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙喷焊层组织致密；喷焊冶金缺陷少，与基材结合强度高，强度最高达到400MPa；喷焊层表面光滑成镜面，喷焊后钻头无需进行后无需打磨处理，钻头生产效率高。但喷焊效率较低，一般喷焊层厚度不超过1mm，因此喷焊技术只用在旧钻头的修复上，没有应用到新钻头的表面硬化处理中。

现有技术中，中国发明专利CN103045985A公开了一种钢体PDC 钻头表面强化防护工艺，该工艺使用了热喷涂的方法硬化钻头表面。热喷涂热喷涂是采用各种热源使涂层加热熔化或半熔化，利用高速气体是涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷涂可在各种基体上制备各种材质的涂层，而且基体温度低，变形小，热影响区小，操作灵活，涂层厚度范围宽，涂层表面光滑成镜面，喷涂后钻头无需进行后续打磨处理，钻头生产效率高。但热喷涂技术中涂层与基材的结合机理主要为机械结合或称“抛锚作用”，即最先形成的薄片颗粒与基体表面凹凸不平出产生机械咬合为主的喷涂层。机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的5%～30%，最高也只能达到70MPa，因此钻头上涂层容易发生脱层现象。热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低，浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种钢体钻头表面二次硬化方法,能够有效地提高钻头的耐磨性和耐冲蚀的性能，并且形成了光滑的硬化表面，降低了钻头的生产周期。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

A.在钻头刀翼的齿窝和排削槽上的水眼内分别镶嵌切削齿石墨替代块和喷嘴石墨替代块进行焊接前保护；

B.将钻头预加热到堆焊需要的温度；

C.采用碳化钨管状焊条对钻头需要表面硬化处理的区域进行氧气乙炔焰堆焊；

D.用镍基自熔性合金粉末对堆焊层进行喷焊；

E.对喷焊后的钻头进行保温缓慢冷却，以消除焊接的残余应力。

钻头表面硬化的范围包含刀翼的外侧面和水眼出水口的四周，需要在刀翼上的齿窝和水眼内安装石墨替代块进行保护屏蔽；其中刀翼的外侧面包括刀翼的内锥、顶部、外锥、保径以及刀翼的前端面、后端面和上端面；所述刀翼前端面、后端面需要硬化处理的宽度为20-30mm；所述刀翼上端面需要硬化处理的宽度为10mm。

在步骤B中，具体的预加热方法是将钻头竖直置于钎焊炉中，然后使钻头预加热到堆焊所需的温度，要求升温速率3-5℃ /min，预热温度为550℃。

步骤C和D轮替地进行表面硬化处理，具体步骤为：

C1.对钻头全部刀翼的内锥、顶部和水眼出水口的四周进行堆焊；

C2.对钻头全部刀翼的内锥、顶部和水眼出水口的四周进行喷焊；

C3.将钻头从钎焊炉中取出，且横向装夹在旋转焊机上，钻头可绕轴线自由转动；