牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒及其加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及冶金行業鉆頭領域，具體地指一種牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒及其加工方法。
【背景技術】
[0002]三牙輪鉆頭是石油、礦山廣泛使用的鉆井鉆孔工具，掘進速度和使用壽命是最重要的性能指標。在鉆壓、轉速、巖石硬度、合金齒齒數、齒型、分布不變的情況下，合金齒的性能決定了掘進速度。鉆頭的使用壽命主要由鉆頭的軸承壽命和鉆頭的合金齒壽命共同決定。在軸承質量能保證的前提下，合金齒壽命決定了牙輪鉆頭的總體壽命。提高合金齒性能對提高鉆井效率、降低鉆井成本有重大意義。牙輪鉆頭使用時會遇到各種地質情況，在鉆探高硬度巖石時，合金齒受高壓、撞擊、磨削很容易損壞，提高合金齒性能要求同時提高其硬度和韌性。目前合金齒由碳化鎢粉末與鈷合金粉末復合材料燒結制成，碳化鎢粉末作為硬質材料，鈷合金作為粘結劑。鈷合金的含量(6-25% )不同，可制出不同硬度的合金齒，硬度高則韌性低，易脆斷，反之亦然。同時提高其硬度和韌性是極難解決的技術問題。另外，合金齒使用中崩裂、磨損會鈍化，造成掘進速度下降，如施加更大的鉆壓，軸承容易過載損壞。目前的技術是制作單一材料不同硬度的合金齒，根據地質條件選用不同硬度的合金齒。
【發明內容】
[0003]本發明的目的就是要克服上述不足，提供一種硬度和韌性都極佳的牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒及其加工方法。
[0004]為實現上述目的，本發明所設計的牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒，包括合金齒本體，所述合金齒本體具有一體成型的柱形部分和切削部分，安裝時所述柱形部分埋入在牙輪內、所述切削部分伸出在牙輪外，其特殊之處在于:所述合金齒本體從橫截面上看呈多層由內向外逐漸擴張并緊密結合的年輪結構，它包括芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層，所述芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層的物理硬度逐漸降低，從而在工作時使芯軸部分和中間年輪層受到來自外圈年輪層的殘余壓應力。
[0005]進一步地，所述中間年輪層設置有I?5層。因為合金齒直徑不大，層數太多會過于復雜。優選地，所述中間年輪層設置有2?4層。
[0006]更進一步地，所述芯軸部分的直徑d、所述外圈年輪層的直徑D和厚度、所述中間年輪層(1.4)厚度Τφ為和層數N滿足如下數學關系:
[0007]d 彡 0.4D，T外彡 0.15D，T中=[(D — d) /2 — T外]/N。
[0008]再進一步地，所述芯軸部分為鈷合金百分含量占6 %的碳化鎢硬質合金，所述中間年輪層為鈷合金百分含量介于6?25%之間的碳化鎢硬質合金，所述外圈年輪層為單純的鈷合金。由于外層鈷合金和中間層梯度材料的熱脹冷縮系數大于芯部高硬度碳化鎢硬質合金，冷卻過程中會對芯部碳化鎢硬質合金產生壓應力，芯部高硬度材料受殘余壓應力保護不容易脆斷，外層金屬和中間層碳化鎢復合材料硬度較低，優先磨損，使用過程中會產生自我銳利，非常有利于保持較高的鉆進速度。
[0009]再進一步地，所述中間年輪層中鈷合金百分含量由內層向外層逐漸遞增。
[0010]優選地，所述柱形部分呈圓柱形，所述切削部分呈錐形、半圓曲面形、或拋物線曲面形。
[0011]本發明所設計的牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒的加工方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0012]I)取鈷合金粉末和碳化鎢粉末的復合材料，與有機粘結劑均勻混合成膏狀，經相應模具擠壓成型，再固化處理，獲得棒狀的芯軸部分毛坯和管狀的中間年輪層毛坯；其中，鈷合金粉末在復合材料中的重量百分比不大于25%，芯軸部分的鈷合金粉末含量低于中間年輪層的鈷合金粉末含量，有機粘結劑的用量占復合材料重量的5?30% ;
[0013]2)取單純的鈷合金粉末，與有機粘結劑均勻混合成膏狀，經相應模具擠壓成型，再固化處理，獲得管狀的外圈年輪層毛坯；其中，有機粘結劑的用量占單純的鈷合金粉末重量的5?30% ；
[0014]3)將所制得的芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層毛坯依次套裝好后，再整體嵌入鋼制的細長密封桶中，并在細長密封桶上部焊接好帶通氣管的密封上蓋；
[0015]4)將通氣管與真空栗連接，并將細長密封桶置于加熱爐內緩慢加熱到攝氏500度以上；與此同時，開啟真空栗經由通氣管對細長密封桶抽氣，使其內的有機粘結劑分解蒸發；
[0016]5)當有機粘結劑完全分解蒸發后，壓扁通氣管，并將其與細長密封桶焊接好，使其內腔形成真空狀態；
[0017]6)對內腔呈真空狀態的細長密封桶進行熱等靜壓處理，使其中的芯軸部分、中間年輪層和外圈年輪層毛坯組件在高溫高壓下進一步結合密實；
[0018]7)再通過酸洗或機加工除去細長密封桶，得到具有梯度復合材料年輪結構的棒坯，經切斷、磨削加工，最終制得本發明的合金齒本體。
[0019]其中，所述步驟I)中，芯軸部分的鈷合金粉末在復合材料中的重量百分比為6% ;中間年輪層的鈷合金粉末在復合材料中的重量百分比介于6?25%之間，且由內層向外層鈷合金粉末的含量逐漸增加。
[0020]本發明方法由于外層鈷合金和中間層梯度材料的熱脹冷縮系數大于芯部高硬度碳化鎢硬質合金，冷卻過程中會對芯部碳化鎢硬質合金產生壓應力。芯部高硬度材料受殘余壓應力保護不容易脆斷，外層金屬和中間層碳化鎢復合材料硬度較低，優先磨損，使用過程中會產生自我銳利，利于保持較高的鉆進速度。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為一種牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒結構示意圖。
[0022]圖2為圖1中合金齒橫截面俯視結構示意圖。
[0023]圖3為牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒加工示意圖。
[0024]圖中:合金齒本體1(其中:柱形部分1.1，切削部分1.2，芯軸部分1.3，中間年輪層1.4，外圈年輪層1.5)，芯軸部分直徑d，外圈年輪層直徑D，外圈年輪層厚度，中間年輪層厚度?ψ，層數N，細長密封桶2 (其中:通氣管2.1，密封上蓋2.2)，牙輪3。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述:
[0026]如圖所示的牙輪鉆頭梯度復合材料合金齒，包括合金齒本體1，合金齒本體I具有一體成型的柱形部分1.1和切削部分1.2，柱形部分1.1呈圓柱形，切削部分1.2呈錐形、半圓曲面形、或拋物線曲面形。安裝時所述柱形部分1.1埋入在牙輪3內、切削部分1.2伸出在牙輪3外，合金齒本體I從橫截面上看呈多層由內向外逐漸擴張并緊密結合的年輪結構，它包括芯軸部分1.3、中間年輪層1.4和外圈年輪層1.5，芯軸部分1.3、中間年輪層1.4和外圈年輪層1.5的物理硬度逐漸降低，從而在工作時使芯軸部分1.3和中間年輪層1.4受到來自外圈年輪層1.5的殘余壓應力。中間年輪層1.4設置有I?5層，優選為2?4層；芯軸部分1.3的直徑d、所述外圈年輪層1.5的直徑D和厚度Tp所述中間年輪層1.4厚度ΤΦ為和層數N滿足如下數學關系:
[0027]d 彡 0.4D，T外彡 0.15D，T中=[(D — d) /2 — T外]/N。
[0028]其中，芯軸部分1.3為鈷合金百分含量占6%的碳化媽硬質合金，具有此類復合材料的最高硬度約HRA90，中間年輪層1.4為鈷合金百分含量介于6?25%之間的碳化鎢硬質合金，且中間年輪層1.4中鈷合金百分含量由內層向外層逐漸遞增。外圈年輪層1.5為單純的鈷合金，使得外圈年輪層1.5具有很高的抗沖擊韌性。由于外圈