[发明专利]一种钢体PDC钻头表面强化防护工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种防护工艺，尤其涉及一种通过热喷涂技术硬化钢体钻头表面，特别是硬化钻头冠部，以此提高钻头在井下的耐磨性等综合性能的钢体PDC钻头表面强化防护工艺。

背景技术

钢体PDC钻头是PDC钻头中的一种类别，相对于胎体PDC钻头而言，钢体PDC钻头造型不受刀翼强度限制，冠部主体强度高，生产成本低，效率高。但是钢体钻头在复杂的工况下（如复合磨损，泥浆冲蚀等交替作用）极易出现冠部磨损严重的情况，大大限制了钢体钻头的使用范围。针对这一问题，以往通常采用堆焊的方法，即在钻头冠部敷焊一层耐磨材料。这种工艺的生产效率过低，在复杂的工况下，特别是在大位移的定向井和超深井中，容易发生堆焊层脱落的事故。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种通过热喷涂技术硬化钢体钻头表面，特别是硬化钻头冠部，以此提高钻头在井下的耐磨性等综合性能的钢体PDC钻头表面强化防护工艺。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种钢体PDC钻头表面强化防护工艺，所述工艺包括如下步骤：

步骤一：涂层设计；

步骤二：表面预处理；

步骤三：涂层施工；

步骤四：保温缓冷；

步骤五：机械后处理；

所述步骤一中的涂层设计包括：在施工前明确施工步骤以及确定各施工步骤中的具体操作参数，以利于施工时各工序的紧密衔接，从而最终保证产品质量；

所述步骤二中的表面预处理包括：冠部凹切、屏蔽非喷涂层、表面粗化和表面净化共四个环节；所述步骤三中的涂层施工包括工件预热、喷涂粘结底层、喷涂工作层共三个环节。

在本发明的具体实施例子中，所述冠部凹切包括凹切区域和凹切余量，钢体PDC钻头冠部由内锥、顶部、侧翼、肩部和保径五部分组成，在凹切时依次对冠部的这五个组成区域进行打磨，凹切应以满足粘结底层和喷涂层的容量为原则，根据喷涂粉末和基体的材质特性,涂层的厚度为2.50—3.00mm，上述涂层在强化钻头抗磨损性的前提下，可以有效的保证涂层与基体的结合强度，故确定凹切的加工余量为3.0—3.5mm。

在本发明的具体实施例子中，所述屏蔽非喷涂层包括：喷涂区域即为凹切的钻头冠部处，因此只需对钻头冠部上的齿穴进行屏蔽，用与齿穴同尺寸相同的石墨替块屏蔽是首选方案。

在本发明的具体实施例子中，所述表面粗化包括用喷砂的方式粗化工件，喷砂压力为0.6-0.7Mpa,喷砂介质是石英砂，粒度为0.5-1.5mm，喷砂后工件表面粗糙度应达到8-10μmRa，喷砂的重点区域为凹切的钻头冠部。

在本发明的具体实施例子中，所述表面净化包括用压缩空气吹净钻头体表面的砂粒和其它杂质，然后用丙酮清洗钻头冠部，清洗的重点区域为凹切的钻头冠部。

在本发明的具体实施例子中，所述工件预热包括用功率为80KW的中频炉预热，预热时要与可升降平台配合使用，要求升温速率3—5℃/min，中频频率1000Hz，预热温度为550℃。

在本发明的具体实施例子中，所述喷涂粘结底层中喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为100目的F512作为喷涂材料，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为0.10—0.18mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离以150—200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为20—25cm/s。

在本发明的具体实施例子中，所述喷涂工作层包括喷涂方式选择氧—乙炔焰粉末喷涂，喷涂设备采用氧乙炔喷涂炬，使用规格为150目的F102与WC的复合粉末作为喷涂材料，其中WC的含量为60﹪，要求粉末杂质含量小于0.3﹪，喷涂前应将粉末用电热鼓风干燥箱干燥1h，干燥温度为100℃，涂层厚度应为2.5—2.8mm，氧气表压力3.5—4.0Mpa，乙炔表压力0.10—0.14Mpa，喷涂时调整火焰至微碳化焰，垂直于工件表面喷涂，喷涂距离(焰芯端面至工件表面)以150-200mm为宜，喷涂时,喷涂炬的移动面速度为2025cm/s。

在本发明的具体实施例子中，所述施工完毕后应立即把钻头放入保温盒中保温缓冷，保温时间根据经验公式确定，其中T为钻头基体温度，h为钻头基体厚度。

在本发明的具体实施例子中，所述机械后处理具体如下：选择100目的平形金刚石砂轮对保径半精磨。