专利名称：一种粉末烧结制造物探钻头的配方及工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粉末烧结制造物探钻头的配方及工艺，特别适用于石油和天然气
物探作业的硬质合金钻头。
二背景技术：
目前，随着我国油气资源勘探领域逐渐扩大，在一些复杂地层地区(如沙漠地区、 沼泽地地区和黄土塬地区等)的复杂地层(如砾石层、软硬交错地层和极硬地层等)的物 探作业中，现有的物探钻具无法满足勘探的需要，尤其是物探钻头表现更为明显。主要是因 为(l)现有的物探钻头主要以空气锤钻头为主，品种单一。(2)空气锤钻头结构单一，对岩 层的适用性差。在硬地层，破岩效果好，但在砾石层、软硬交错地层和极硬地层，破岩效果不 理想。钻头本体因磨损严重而发生掉齿、崩断等事故，很难实现有效钻进。因而，钻进速度 慢、效率低，钻井成本高，大大地制约了物探钻井作业的发展。 因此，为有效地解决上述问题，必须根据不同的地区和不同的地层条件制造不同 结构和不同材料的物探钻头，而物探钻头现有的生产工艺满足不了这种需求。当前，物探钻 头的生产主要采用机械加工的方式制造，这种工艺由于在加工过程中需考虑刀具的加工能 力和加工结构等因素，材料的选择范围较窄，钻头结构的设计较为单一，影响了钻头的耐磨 性以及对地层的适用性，以致在复杂地层条件下难以钻进成孔。而且，对于一些结构复杂的 钻头，采用机械加工的方式，成本过高。因此，必须开发出一种新的生产工艺来制造不同结 构和不同材料的物探钻头。
三
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供质量高、工艺成本低、生产效率高 和适用范围广的一种粉末烧结制造物探钻头的配方及工艺。 本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案为本发明一种粉末烧结制造物探 钻头的配方及工艺，烧结原材料主要由碳化钨粉、粘结合金和四硼酸钠组成。其中，碳化钨 粉由60 80目和80 200目两种不同粒度的粉末均匀混合而成，粘结合金为熔炼好的铜 镍锰合金成品，四硼酸钠为脱水四硼酸钠。在上述材料中，按重量份为计量单位，混合后的 碳化钨粉中60 80目碳化钨粉占30% 40%，80 200目碳化钨粉占60% 70% ;铜、 镍、锰合金的组成比例为68 : 27 : 11。碳化钨粉、粘结合金以及脱水四硼酸钠的重量比为 100 : 62. 5 : 5。
其工艺包含以下步骤 ①制模步骤用石墨电极依照模具加工图纸车制全套模具(底模、中模和上模)，
并在底模上划线，划出牙齿、排屑块和喷嘴的位置。根据硬质合金齿齿径在底模上划好的位
置钻出齿孔，并粘结上硬质合金齿；排屑块根据括好的模板压入石墨泥成形，经脱模休整光
平后粘结在底模相应的位置；制作好的喷嘴芯子也粘结在底模相应的位置上。 ②混料步骤将60 80目和80 200目的碳化鸨粉末按配比均匀混合后，再添加碳化钨粉重5%。的脱水四硼酸钠进行加热，并装罐密封待用。 ③钢体预加工步骤按钢体加工图纸机械加工烧结用钢体，其结构依所设计的钻 头结构而定。 ④填料步骤扶正器固定好烧结用钢体后，将其置入已装配好的底模和中模上，然 后向模具和钢体间的空间内填充碳化钨粉，再依次装填粘结合金和脱水四硼酸钠，最后盖 上上模和盖板。 ⑤烧结步骤烧结炉先预热升温，再将装填好的全套模具整体放入烧结炉中，恒温 加热一段时间，烧结完成后经脱模得到烧结半成品件。 ⑥修整步骤将烧结半成品件进行表面清洗、修圆，钢体钻中心气道直至与喷嘴相
通，最后去除表面毛剌，对表面进行喷漆处理。
为优化上述技术方案，采取的技术措施还包括 上述制模步骤①中，模具结构可根据钻头结构进行改变，以便烧结出不同结构的 钻头。 上述混料步骤②中，粉料加热温度设定在70°C ll(TC，加热时间是2 3小时。
上述填料步骤④中，钢体置入高度需预先计算出，根据模具图纸、扶正器高度和钻 头尺寸计算，以保证钻头尺寸达到钻头设计图纸所示尺寸；在填装粉料时，边填充边用工具 敲打模具来振动粉料，以增加粉料的密实度。 上述烧结步骤⑤中，烧结炉先用电加热预热，预热温度是1220°C 124(TC，烧结
温度是1230°C 1240°C ，烧结时间是25min 45min。出炉后若发现粘结合金未熔化，立即
回炉再升温l(TC，恒温10min。 本发明与现有技术相比，具有以下优点 (1)本发明的配方成本低廉，成品性能可靠，适用范围广。
(2)本发明的工艺步骤经过了适当的优化，简化了工艺，性价比高。
(3)采用本发明的工艺，通过设计出不同的模具，能够灵活、快速地生产出各种复
杂结构的钻头，以满足不同地质条件对不同结构的钻头的要求，做到"针对性"生产，从而提
高钻进速度。 (4)采用本发明的工艺，可通过选择不同种类的烧结材料和不同的材料配方，可以 快速制造出具有不同性能的钻头，以提高钻头的耐磨耐冲击和适应不同地质条件下特殊要 求的能力，进一步提高钻井效率和钻头的使用寿命。
图1是本发明实施例工艺流程示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述 如图1所示，本发明一种粉末烧结制造物探钻头的配方及工艺包括以下步骤
(1)制模步骤依照模具加工图纸，用高纯石墨电极在车床上加工出底模、中模和 上模全套模具，用有机玻璃板制作好喷嘴模板和排屑块模板。将石墨泥压入制好的排屑块 模板内，将调配好的喷嘴芯子混合物压入喷嘴模板，成形后取出。用直径为150mm的分度头
4和磁性划针盘在底模上划线定位硬质合金孔、排屑块和喷嘴芯子，用麻花钻钻出硬质合金 齿孔，并在孔内用白乳胶粘结硬质合金齿，在底模划线处粘结排屑块和喷嘴芯子等。
其中，喷嘴芯子的配方如下石墨粉为70%、膨润土为20%、耐火土为10%和少许 脱脂棉(大约30 40揪)，加水调和搅匀，放上8小时为宜，进行捶打，使棉花起到均匀连
接作用。 (2)混料步骤将不同粒度的铸造碳化钨粉和脱水四硼酸钠配比，60 80目碳化 钨粉和80 200目碳化钨粉比例为3 : 7，总粉重2kg，脱水四硼酸钠与混合后碳化钨粉按 50 : 1的比例配比，配比好后混合均匀。然后，将配好的混合物放入电烘箱内烘烤2小时， 保温温度是7(TC。 (3)钢体预加工步骤钢体材料选择35CrMo钢，按照钢体的加工图纸机械加工出 烧结用钢体的结构，先在车床上精加工，然后在铣床上铣出键槽。 (4)填料步骤先向底模内装填lkg碳化钨粉料，钢体固定在扶正器后，置入已装 配好的底模和中模上，置入高度预先计算出，可通过调节钢体与扶正器间的连接螺纹，达到 所需高度。然后继续装填粉料，直至粉料全部装完。最后在粉料上装填熔炼好的粘结合金 成品及脱水四硼酸钠。粘结合金用量按和碳化钨粉以5 : 8的比例添加，要求其组分铜、 镍、锰元素的比例为68 : 27 : ll，若达不到此要求，粘结合金需进行二次熔炼。脱水四硼 酸钠的用量按碳化钨粉重的5%添加。烧结材料全部装填完毕后，最后盖上上模和盖板。在 粉料填充过程中，边填充边用工具敲打模具下部，从而振动粉料以增加粉料的密实度。
(5)烧结步骤箱式碳棒高温烧结炉烧结，放入模具前烧结炉预热升温，温度上升 到122(TC，用专用夹具将模具从炉门口放入炉内，并用长钳将模具推至炉膛正中，目的是 保证受热均匀。进炉后，继续升温，待温度升至123(TC时，开始计时，保持恒温，恒温时间是 35min。出炉后，揭开盖板检查粘结合金是否完全熔化，如果未熔化，立即进炉再升温l(TC， 恒温10min。注意在出炉时，用长卡钳夹住模具底部台阶，慢慢脱至炉门边缘，再用专用夹具 移至待冷平台上。此过程中，千万不要歪斜模具，因为此时合金还是液态。
(6)修整步骤模具冷却后，进行脱模处理。半成品的烧结件表面附着物用钢丝刷 清理，汽油清洗表面干净后，再上车床进行精加工修圆，在钻床上从钢体末端开始钻中心气 道，直到与喷嘴贯通，最后去除表面毛剌。去毛剌包括喷丸和人工去毛剌，喷丸去毛剌就是 把产品倒入喷砂机中用不锈钢丸用一定的喷射速度喷向产品，产品在橡胶带上滚动把产品 上毛剌喷掉。人工去毛剌就是用钻床把产品小孔边上的毛剌去掉。最后表面刷漆，进行美 观处理。
权利要求
一种粉末烧结制造物探钻头的配方，原料由碳化钨粉、粘结合金和脱水四硼酸钠组成，其特征在于，碳化钨粉由两种不同粒度的粉末混合而成，按重量份为计算单位，其中60～80目碳化钨粉为30％～40％，80～200目碳化钨粉为60％～70％；粘结合金为铜镍锰合金，铜、镍、锰元素的比例为68∶27∶11；碳化钨粉、粘结合金以及脱水四硼酸钠的重量比例为100∶62.5∶5。
2. —种粉末烧结制造物探钻头的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤(1) 制模步骤用石墨电极按模具加工图纸车制全套模具，并在底模划线定位、钻孔，然后制作排屑块和喷嘴模具，用石墨泥压制排屑块和喷嘴芯子，最后粘结硬质合金齿、排屑 块和喷嘴芯子。(2) 混料步骤将60 80目和80 200目的碳化鸨粉按配比均匀混合，再添加碳化 钨粉重5%。的脱水四硼酸钠混合后进行加热，并装罐密封待用。(3) 钢体预加工步骤按钢体加工图纸机械加工烧结用钢体，其结构依所设计的钻头 结构而定。(4) 填料步骤扶正器固定好烧结用钢体后，将其置入已装配好的底模和中模上，然后向模具和钢体间的空间内填充碳化钨粉，再依次装填粘结合金和脱水四硼酸钠，最后盖上 上模和盖板。(5) 烧结步骤烧结炉先预热升温，再将装填好的全套模具整体放入烧结炉中，恒温加热一段时间，烧结完成后经脱模得到烧结半成品件。(6) 修整步骤对烧结半成品件进行表面清理、修圆，钢体钻中心气道，钻至与喷嘴贯 通，最后去除表面毛剌，对表面进行喷漆处理。
3. 根据权利要求2所述的一种粉末烧结制造物探钻头的工艺，其特征在于，所述的制模步骤的全套模具结构根据物探钻头结构进行设计，模具材料选择高纯石墨电极。
4. 根据权利要求2所述的一种粉末烧结制造物探钻头的工艺，特征在于，所述的混料 步骤的粉料加热温度是70°C ll(TC，加热时间是2 3小时。
5. 根据权利要求2所述的一种粉末烧结制造物探钻头的工艺，其特征在于，所述的填 料步骤的粉料边填充边敲打模具。
6. 根据权利要求2所述的一种粉末烧结制造物探钻头的工艺，其特征在于，所述的 烧结步骤的烧结时间是25min 45min ;所述的烧结步骤是先用电加热预热，预热温度是 1220°C 124(TC，烧结温度是1230°C 1240°C ;出炉后若发现粘结合金未熔化，立即回炉 再升温l(TC，恒温10min。
全文摘要
本发明公开了一种粉末烧结制造物探钻头的配方及工艺，其原料配方组成包括混合后的碳化钨粉中60～80目碳化钨粉为30％～40％，80～200目碳化钨粉为60％～70％，碳化钨粉、粘结合金以及脱水四硼酸钠的比例为100∶62.5∶5，粘结合金为铜镍锰合金，铜、镍、锰元素的比例为68∶27∶11；其工艺包含制模、混料、钢体预加工、填料、烧结和修整步骤。目前，物探钻头以机械加工制造为主，钻头的材料和结构较单一，为了适应复杂地层的地区的勘探，本发明采用了粉料，易改变钻头材料，通过设计模具结构能制造结构复杂的钻头。本配方成本低廉，成品性能可靠，工艺步骤经过了适当的优化，简化了工艺，性价比高。
文档编号B22F3/10GK101704101SQ20091021647
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者周已, 宋嘉宁, 李琴, 杨景轩, 邱成松, 黄伟, 黄志强, 黄继亮 申请人:西南石油大学