專利名稱：石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種銅基合金，具體地說(shuō)是一種石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法。
背景技術(shù)：
石油鉆井用多晶金剛石粉結(jié)合體(以下簡(jiǎn)稱PDC)鉆頭切削刃所采用的超硬PDC，具有較強(qiáng)的耐磨性，鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長(zhǎng)，適應(yīng)于石油鉆井、采礦、采煤等探礦掘進(jìn)工程的使用。
2003年以來(lái)，國(guó)際上美國(guó)克里斯坦森公司、史密斯鉆頭公司等13家知名鉆頭制造公司所推出的新型石油鉆井用PDC鉆頭是采用鑄造碳化鎢粉(以下簡(jiǎn)稱WC)加入浸潤(rùn)合金無(wú)壓燒結(jié)制成的。鉆頭的使用壽命、抗剪切能力、耐磨性能，均取決于浸潤(rùn)合金性能的優(yōu)劣程度。目前所使用的浸潤(rùn)合金大多數(shù)為Cu-Ni-Mn合金，成分為Ni30-40％、Mn10-20％、Cu余量。這種合金材料的成本高、抗拉強(qiáng)度較低、流動(dòng)性差、熔點(diǎn)偏高，其浸滲溫度為1200℃～1210℃。CN 91100132.8披露了用作基體巖石鉆頭中浸滲粘結(jié)劑的低熔點(diǎn)銅-錳-鋅合金。它是一種含有約5％至65％重量的錳，35％以下重量的鋅，其余為銅的新型浸滲合金，該浸滲合金最好含有20％重量的錳，20％重量的鋅，其余為銅。雖然該浸滲合金的浸滲溫度有所降低，但流動(dòng)性下降。并且，加入高含量的Mn就不可避免的使其基體合金的晶粒粗大，又降低了基體合金的強(qiáng)度和韌性。
總之，目前已有石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金研制方面的困難是1.隨著合金的熔點(diǎn)降低材料強(qiáng)度降低目前常用的銅基合金，如黃銅、青銅，在較低溫度澆鑄時(shí)，鑄態(tài)下抗拉強(qiáng)度偏低，合金基體與碳化鎢粉的潤(rùn)濕性不良，界面結(jié)合力差。
2.在較高溫度澆鑄時(shí)，隨著合金的浸潤(rùn)性提高合金的流動(dòng)性變壞在浸潤(rùn)合金中隨著鎳含量的增加合金的熔點(diǎn)升高，就需要高的成型燒結(jié)溫度。溫度過(guò)高對(duì)基體碳化鎢粉造成損害。隨著錳含量的增加提高了合金的浸潤(rùn)性，但流動(dòng)性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法，該方法制備的石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金比已有浸潤(rùn)合金的熔點(diǎn)低、強(qiáng)度高、材料成本低、流動(dòng)性好。
本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法，其步驟是A.配料將原材料按Ni∶Cu∶CuMn中間合金∶CuSn中間合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；B.熔煉將按上述比例稱好的Ni、Cu、CuMn中間合金、CuSn中間合金依次加入真空感應(yīng)加熱爐中，抽真空，真空度為1.3～1.6×10Pa，加熱到1200℃～1250℃，至金屬全部熔化后加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并進(jìn)行磁場(chǎng)攪拌和/或機(jī)械攪拌，SiFe的組成為55～85％Si∶15～45％Fe，CuLi的組成為95.9～99.1％Cu∶0.9～4.9％Li；C.精練在高于熔煉溫度50～220℃的溫度范圍進(jìn)行真空重熔10～20分鐘，然后出爐澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用的浸潤(rùn)合金。
上述方法中各種組分的含量比均為重量百分比。
本發(fā)明的有益效果是1.成本降低本發(fā)明石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的鎳含量降低了10％，因而材料成本較已有石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金降低了1倍。
2.熔點(diǎn)降低在本發(fā)明合金中加入了熔點(diǎn)低的Sn。Sn能顯著提高基體合金對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性，且Sn與基體合金中的Ni形成固溶體，使合金的熔點(diǎn)降低至1030℃～1050℃，與已有石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金相比熔點(diǎn)降低了150℃，節(jié)省了能源。
3.本發(fā)明合金中Mn的含量較低，且加入了起到晶粒細(xì)化作用的0.3～1.0％SiFe和0.3～0.9％CuLi，這就能明顯地細(xì)化晶粒，顯著提高基體合金的力學(xué)性能。本發(fā)明合金的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度比已有石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金提高了100～120mPa。(見(jiàn)下表2)4.本發(fā)明合金中加入適量的Mn，使合金的流動(dòng)性大大提高。
表1 石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的成分

表2 石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的性能

表2中，UTS為極限抗拉強(qiáng)度的英文縮寫(xiě)，mpa是強(qiáng)度單位，是國(guó)際上通用的寫(xiě)法。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11.配料將原材料按Ni∶Cu∶CuMn中間合金∶CuSn中間合金＝8％∶75％∶5％∶12％的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝75.5％∶23％∶1.5％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝75.5％∶23％∶1.5％；2.熔煉將按比例稱好的Ni、Cu、CuMn中間合金、CuSn中間合金依次加入50kg真空感應(yīng)加熱爐中，抽真空，真空度為1.3×10Pa，加熱到1200℃，至金屬全部熔化后加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的0.3％的SiFe和0.3％的CuLi，并進(jìn)行磁場(chǎng)攪拌和機(jī)械攪拌，SiFe的組成為55％Si∶45％Fe，CuLi的組成為95.1％Cu∶4.9％Li；3.精練在高于熔煉溫度50℃的溫度下進(jìn)行真空重熔10分鐘，然后出爐澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用的浸潤(rùn)合金。
上述方法中各種組分的含量比均為重量百分比。
實(shí)施例21.配料將原材料按10％電解鎳∶73％電解銅∶7.5％CuMn中間合金∶9.5％CuSn中間合金的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝70％∶29％∶1％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝70％∶29％∶1％；2.熔煉將按比例稱好的Ni、Cu、CuMn中間合金、CuSn中間合金依次加入真空感應(yīng)加熱爐中，抽真空，真空度為1.5×10Pa，加熱到1230℃，至金屬全部熔化后加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的0.6％的SiFe和0.6％的CuLi，并進(jìn)行磁場(chǎng)攪拌，SiFe的組成為70％Si∶30％Fe，CuLi的組成為97.1％Cu∶2.9％Li；3.精練在高于熔煉溫度140℃的溫度下進(jìn)行真空重熔15分鐘，然后出爐澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用的浸潤(rùn)合金。
上述方法中各種組分的含量比均為重量百分比。
實(shí)施例31.配料將原材料按Ni∶Cu∶CuMn中間合金∶CuSn中間合金＝12％∶69％∶10％∶9％的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝65.5％∶34％∶0.5％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝65.5％∶34％∶0.5％；2.熔煉將按比例稱好的Ni、Cu、CuMn中間合金、CuSn中間合金依次加入50kg真空感應(yīng)加熱爐中，抽真空，真空度為1.6×10Pa，加熱到1250℃，至金屬全部熔化后加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的1.0％的SiFe和0.9％的CuLi，并進(jìn)行機(jī)械攪拌，SiFe的組成為85％Si∶15％Fe，CuLi的組成為99.1％Cu∶0.9％Li；3.精練在高于熔煉溫度220℃的溫度下進(jìn)行真空重熔20分鐘，然后出爐澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用的浸潤(rùn)合金。
上述方法中各種組分的含量比均為重量百分比。
權(quán)利要求
1.石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法，其特征在于步驟是A.配料將原材料按Ni∶Cu∶CuMn中間合金∶CuSn中間合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；B.熔煉將按上述比例稱好的Ni、Cu、CuMn中間合金、CuSn中間合金依次加入真空感應(yīng)加熱爐中，抽真空，真空度為1.3～1.6×10Pa，加熱到1200℃～1250℃，至金屬全部熔化后加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并進(jìn)行磁場(chǎng)攪拌和/或機(jī)械攪拌，SiFe的組成為55～85％Si∶15～45％Fe，CuLi的組成為95.9～99.1％Cu∶0.9～4.9％Li；C.精練在高于熔煉溫度50～220℃的溫度范圍進(jìn)行真空重熔10～20分鐘，然后出爐澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用的浸潤(rùn)合金。上述方法中各種組分的含量比均為重量百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法，其特征在于所用的原料Ni是電解鎳，原料Cu是電解銅。
全文摘要
石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金的制備方法，涉及一種銅基合金，其步驟是A.配料，將原材料按Ni∶Cu∶CuMn中間合金∶CuSn中間合金＝8～12％∶65～75％∶5～10％∶6～13％的成分比例稱好，其中，CuMn中間合金的組成為Cu∶Mn∶Ti＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％，CuSn中間合金的組成為Cu∶Sn∶Cr＝64.5～75.5％∶23～34％∶0.5～1.5％；B.熔煉，將A中的原料依次加入真空感應(yīng)加熱爐中加熱至金屬全部熔化后，加脫氧和變質(zhì)劑為原材料金屬重量的0.3～1.0％的SiFe和0.3～0.9％的CuLi，并進(jìn)行攪拌；C.精煉，在高于熔煉溫度50～220℃的范圍真空重熔10～20分鐘，然后澆鑄，即制得石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金。該方法制備的石油鉆井鉆頭用浸潤(rùn)合金比已有浸潤(rùn)合金的熔點(diǎn)低、強(qiáng)度高、材料成本低、流動(dòng)性好。
文檔編號(hào)C22C1/06GK1818104SQ200610013250
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者楊可成, 崔春翔 申請(qǐng)人:天津市鑫辰有色金屬科技開(kāi)發(fā)有限公司, 崔春翔