钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油钻井设备技术领域，特别涉及钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺。
【背景技术】
[0002]三牙轮钻头是石油钻井的重要工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。工作过程中，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破碎岩石，即牙齿通过对岩石的冲击、加压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石。
[0003]目前，钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头(又称铣齿钻头)和硬质合金齿钻头(又称镶齿钻头)两种，其中，铣齿牙轮钻头一般是在钢质材料的牙轮胚体上直接铣出切削齿，且由于牙齿的尺寸大，故铣齿钻头在软地层的钻进中破岩效率高，但由于切削齿材料的限制，钻头切削齿易发生强度失效和磨损失效，因此，铣齿牙轮钻头的切削齿寿命不高，限制了其使用寿命及其在较硬或研磨性强的地层中的应用。镶齿牙轮钻头的牙齿尺寸较小，且其齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，所形成的较尖锐的牙齿头部能较好的适应较硬地层的破岩，但是由于牙齿尺寸小，镶齿牙轮钻头在软底层的钻进效率明显不及铣齿牙轮钻头。综上所述，铣齿牙轮钻头在软地层的钻进中破岩效率高，且制造工艺简单；镶齿牙轮钻头能较好的适应较硬地层的破岩，但在软底层的钻进效率明显不及铣齿牙轮钻头，且成本较高。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，通过该工艺制备出强度高、抗磨性能好、破岩效率高的牙轮钻头。
[0005]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0006]钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，包括以下步骤:
[0007]I)棒料准备:采用低碳合金钢材质棒料1-1 ;
[0008]2)棒料径向锻造及下料:
[0009]2.1)采用径向锻造工艺对低碳合金钢材质棒料1-1进行径向锻造得到径向锻造态棒料1-2，其中始锻温度为1150?1250°C，终锻温度为700?900°C，且要保证经过轧制变形得到的径向锻造态棒料1-2的径向断面收缩率达到40%以上；
[0010]2.2)对步骤2.1)得到的径向锻造态棒料1-2进行下料得到钻井牙轮钻头畸变态还料1-3 ；
[0011]3) 二次重熔:将步骤2)中得到的钻井牙轮钻头畸变态坯料1-3放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为低碳合金钢材质棒料1-1的半固态温度区间范围内，保温时间为5?30min，从而获得固相分数在40%?60%之间且具有细小、均匀、球状微观组织的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4 ;
[0012]4)半固态整体模锻或半固态挤压铸造成形:将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出钻井牙轮钻头1-5 ;或者将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4放入半固态挤压铸造的模具型腔，采用半固态挤压铸造工艺成形出钻井牙轮钻头1-5 ;
[0013]5)热处理:当完成步骤4)半固态挤压铸造成形的出钻井牙轮钻头1-5温度降到800?900°C时，对其进行油淬处理，接着将油淬后的钻井牙轮钻头1-5再加热到150?250°C进行回火处理，从而完成钻井牙轮钻头1-5的热处理，得到牙轮钻头成形件1-6。
[0014]相对于现有技术，本发明将径向锻造的应变诱发法用于制备钻井牙轮钻头具有以下优点:
[0015]1.本发明利用径向锻造的应变诱发法制备的钻井牙轮钻头具有微观组织晶粒细小，分布均匀且不存在缩松、气孔等缺陷，产品力学性能好的特点。
[0016]2.与传统铣齿钻头的制造工艺相比，本发明为整体成形，材料利用率高、成形件的金属流线完整、力学性能更好。此外，本发明对钻井牙轮钻头采用的半固态整体模锻或半固态挤压铸造成形工艺具有成形力小、成形件性能好的特点，此外由于半固态坯料的流动性好，因此该工艺也可用于成形其他较复杂的零件。
【附图说明】
[0017]图1是本发明中从低碳合金钢材质棒料1-1到钻井牙轮钻头成形件1-6的制造过程不意图。
[0018]图2是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本发明做详细描述。
[0020]实施例1，参照图1和图2，钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，包括以下步骤:
[0021]I)棒料准备:采用低碳合金钢材质棒料1-1，所选低碳合金钢材质棒料1-1为20CrMnTi 钢；
[0022]2)棒料径向锻造及下料:对低碳合金钢材质棒料1-1的径向锻造及下料，具体步骤包括:
[0023]2.1)采用径向锻造工艺对低碳合金钢材质棒料1-1进行径向锻造得到径向锻造态棒料1-2，其中始锻温度为1200°C，终锻温度为800°C，且要保证经过轧制变形得到的径向锻造态棒料1-2的径向断面收缩率达到40%以上；
[0024]2.2)对步骤2.1)得到的径向锻造态棒料1-2进行下料得到钻井牙轮钻头畸变态还料1-3 ；
[0025]3) 二次重熔:将步骤2)中得到的钻井牙轮钻头畸变态坯料1-3放入电炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为低碳合金钢材质棒料1-1的半固态温度区间范围内，保温时间为5?30min，从而获得固相分数在40%?60%之间且具有细小、均匀、球状微观组织的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4 ;
[0026]4)半固态整体模锻或半固态挤压铸造成形:将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出钻井牙轮钻头1-5 ；
[0027]5)热处理:包括油淬和回火，首先，当完成步骤4)半固态挤压铸造成形的出钻井牙轮钻头1-5温度降到820?860°C时，对其进行油淬处理，接着将油淬后的钻井牙轮钻头1-5再加热到180?200°C进行回火处理，从而完成钻井牙轮钻头1-5的热处理，得到牙轮钻头成形件1-6。
[0028]实施例2，参照图1和图2，钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，包括以下步骤:
[0029]I)棒料准备:采用低碳合金钢材质棒料1-1，所选低碳合金钢材质棒料1-1为20CrNiMo 钢；
[0030]2)棒料径向锻造及下料:对低碳合金钢材质棒料1-1的径向锻造及下料，具体步骤包括:
[0031]2.1)采用径向锻造工艺对低碳合金钢材质棒料1-1进行径向锻造得到径向锻造态棒料1-2，其中始锻温度为1230°C，终锻温度为830°C，且要保证经过轧制变形得到的径向锻造态棒料1-2的径向断面收缩率达到40%以上；
[0032]2.2)对步骤2.1)得到的径向锻造态棒料1-2进行下料得到钻井牙轮钻头畸变态还料1-3 ；
[0033]3) 二次重熔:将步骤2)中得到的钻井牙轮钻头畸变态坯料1-3放入中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为低碳合金钢材质棒料1-1的半固态温度区间范围内，保温时间为5?30min，从而获得固相分数在40 %?60 %之间且具有细小、均匀、球状微观组织的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4 ;
[0034]4)半固态整体模锻或半固态挤压铸造成形:将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料1-4放入半固态挤压铸造的模具型腔，采用半固态挤压铸造工艺成形出钻井牙轮钻头 1-5 ；
[0035]5)热处理:包括油淬和回火，首先，当完成步骤4)半固态挤压铸造成形的出钻井牙轮钻头1-5温度降到800?850°C时，对其进行油淬处理，接着将油淬后的钻井牙轮钻头1-5再加热到180?200°C进行回火处理，从而完成钻井牙轮钻头1-5的热处理，得到牙轮钻头成形件1-6。
【主权项】
1.钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，其特征在于，包括以下步骤: .1)棒料准备:采用低碳合金钢材质棒料(1-1); .2)棒料径向锻造及下料: .2.1)采用径向锻造工艺对低碳合金钢材质棒料(1-1)进行径向锻造得到径向锻造态棒料(1-2)，其中始锻温度为1150?1250°C，终锻温度为700?900°C，且要保证经过轧制变形得到的径向锻造态棒料(1-2)的径向断面收缩率达到40%以上； .2.2)对步骤2.1)得到的径向锻造态棒料(1-2)进行下料得到钻井牙轮钻头畸变态坯料(1-3)； .3)二次重熔:将步骤2)中得到的钻井牙轮钻头畸变态坯料(1-3)放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为低碳合金钢材质棒料(1-1)的半固态温度区间范围内，保温时间为5?30min，从而获得固相分数在40%?60%之间且具有细小、均匀、球状微观组织的钻井牙轮钻头半固态坯料(1-4); . 4)半固态整体模锻或半固态挤压铸造成形:将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料(1-4)放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出钻井牙轮钻头(1-5);或者将步骤3)得到的钻井牙轮钻头半固态坯料(1-4)放入半固态挤压铸造的模具型腔，采用半固态挤压铸造工艺成形出钻井牙轮钻头(1-5); .5)热处理:当完成步骤4)半固态挤压铸造成形的出钻井牙轮钻头(1-5)温度降到800?900°C时，对其进行油淬处理，接着将油淬后的钻井牙轮钻头(1-5)再加热到150?250°C进行回火处理，从而完成钻井牙轮钻头(1-5)的热处理，得到牙轮钻头成形件(1-6)。
【专利摘要】钻井牙轮钻头的径向锻造的应变诱发法半固态制造工艺，先对准备的低碳合金钢材质棒料进行径向锻造得到径向锻造态棒料且保证其径向断面收缩率达到40％以上，并对其进行下料以得到钻井牙轮钻头畸变态坯料；随后，对该畸变态坯料进行二次重熔且保证得到固相率在40％～60％之间的钻井牙轮钻头半固态坯料；接着利用该半固态坯料进行半固态整体模锻或半固态挤压铸造，从而成形出钻井牙轮钻头；最后进行热处理，本发明具有工艺简单，材料利用率高以及产品力学性能好的特点。
【IPC分类】B23P15-28, C21D1-18, B21K5-08, C21D9-22
【公开号】CN104551583
【申请号】CN201410828739
【发明人】赵升吨, 王永飞, 张晨阳, 范淑琴
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日