冷卻方式對PDC鉆頭胎體性能的影響研究

張俊嶺，郭一川，郭海春，周學(xué)超，王博

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，PDC鉆頭在石油天然氣鉆探領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大，成為不可替代的鉆井工具之一。胎體PDC鉆頭，由于制造工藝簡單靈活，并且耐磨、耐沖蝕性好，在鉆井應(yīng)用中占有很大比例。胎體PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)形式主要以刀翼式結(jié)構(gòu)為主，在鉆進(jìn)過程中，冠部既要承受巖石的磨損和泥漿的沖蝕作用，同時刀翼還要承受鉆壓和扭轉(zhuǎn)、沖擊的聯(lián)合作用，工作受力條件非常苛刻，因此鉆頭胎體必須有良好的綜合機(jī)械性能，即要有良好的硬度、耐磨性，以及足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性。

鉆頭胎體性能，不僅與胎體材料成分有關(guān)，還取決于鉆頭制造工藝，如燒結(jié)工藝、冷卻方式以及后處理等工藝措施。本文主要探討冷卻方式對胎體性能的影響。

1 胎體PDC鉆頭的工藝特點

胎體PDC鉆頭是采用無壓浸漬工藝生產(chǎn)的：將骨架粉料放入成型模具中，加入低熔點的粘結(jié)合金，在高溫下，粘結(jié)合金熔化并浸漬滲入到骨架粉料的孔隙中，冷卻凝固后將骨架粉固結(jié)而成胎體。

從粘接合金的熔化、浸漬充滿整個成型模具，到出爐冷卻的過程，接近于鑄造過程，但也與鑄造有所不同。

（1）高溫停留時間不同。在無壓浸漬工藝中，粘接合金在高溫下逐漸熔化、浸入到骨架粉的間隙中，并充滿整個模具，在高溫時間階段較長（2～5小時）；鑄造工藝中，是將熔融狀態(tài)的金屬液澆注到模具中，金屬液很快凝固，高溫時間停留很短（幾分鐘）。

（2）金屬的凝固條件不同。在鑄造工藝中，金屬液在模具中是自由凝固的，凝固過程中沒有其它阻礙；而無壓浸漬工藝中，由于骨架粉粘的存在，粘結(jié)合金的凝固要受到限制。

無壓浸漬工藝類似但不同于粉末冶金燒結(jié)工藝和鑄造工藝，介于兩種工藝之間，更接近于鑄造工藝。因此可以用鑄造工藝方面的原理，來分析研究鉆頭合金的凝固過程。

2 胎體PDC鉆頭的出爐冷卻方式

粘接合金（銅合金）經(jīng)高溫熔化、并通過骨架粉的間隙充滿整個模具，出爐冷后，溫度降低，當(dāng)溫度降低到液相線至固相線溫度時，粘接金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，這就是鉆頭合金的凝固。

在凝固過程中，鉆頭體內(nèi)部常會出現(xiàn)各種鑄造缺陷，如縮孔、氣孔、偏析等。應(yīng)針對胎體PDC鉆頭無壓浸漬過程中粘接合金的凝固特點，采取相應(yīng)的措施控制，控制其凝固過程，以獲得優(yōu)質(zhì)的胎體。

胎體PDC鉆頭用的粘接合金（銅合金），結(jié)晶溫度范圍較小，其凝固方式是逐層凝固的，縮孔出現(xiàn)在最后凝固的部位。根據(jù)鉆頭的工作特點，應(yīng)控制合金凝固過程，使其按照定向凝固（順序凝固）的原則凝固，使缺陷集中在不重要部位，是提高胎體性能的重要措施。鉆頭燒結(jié)出爐后的冷卻方式，直接決定合金的凝固過程和組織，影響胎體最終的機(jī)械性能。有三種冷卻方式。

2.1 空冷

如圖1，通常的冷卻方式是空冷，即：鉆頭模具出爐后，直接推至冷卻平臺上自然冷卻。冷卻速度較慢（2～4小時左右），周圍的合金先凝固，而心部的合金最后凝固，鉆頭冠體心部容易出現(xiàn)如縮孔、氣孔等缺陷，影響胎體的質(zhì)量性能。

圖1

2.2 緩冷

如圖2，出爐后，給鉆頭模具罩上保溫罩，只留出模具底部，逐漸冷卻。冷卻速度比空冷慢（3～5小時左右）。粘接合金大體是按照從下往上的順序凝固，即：底部的合金最先凝固，上部漏斗部分的合金最后凝固，后凝固的合金對先凝固的合金進(jìn)行補(bǔ)縮，這樣缺陷基本上是出現(xiàn)在鉆頭上部無用部位（加工時車掉），而不出現(xiàn)在鉆頭冠體心部。

圖2

但是，緩冷方式時，冷卻速度慢，胎體晶粒組織較大、硬度低。顯然，空冷和緩冷都不是最佳的冷卻方式。

2.3 強(qiáng)制冷卻

如圖3，出爐后，罩上保溫罩，在模具底部用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。冷卻速度快（0.5～1小時左右）。粘接合金從底部開始，逐層向上凝固，促使氣體夾渣排到最上部，上部合金對下部合金的補(bǔ)縮作用強(qiáng)，這樣就可以完全保證粘接合金定向凝固；在凝固過程中，形成由上向下的推力作用。實驗表明，和空冷、緩冷比，約有多出2%的合金補(bǔ)縮到鉆頭冠體下部，因此胎體更加致密，強(qiáng)度、硬度更高。

圖3

3 不同冷卻方式對胎體性能的影響

不同的冷卻方式，冷卻速度不同，粘接合金的凝固過程不同，得到的胎體的機(jī)械性能也不同。實驗用相同的胎體材料成分配方、配以不同的冷卻方式，燒結(jié)出三組試件，分別檢測硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，分析不同冷卻方式對胎體性能的影響。三種冷卻處理方式分別是：空冷、緩冷、水冷，結(jié)果如表1。

表1

由表1可看出，緩冷和空冷方式得到的胎體，硬度較低，這是因為合金冷卻速度慢，晶粒較大；水冷方式時，胎體硬度強(qiáng)度最高，合金定向凝固，速度快，晶粒組織細(xì)、胎體致密，但同時由于冷卻速度快，試件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，胎體變脆，沖擊韌性降低。

對水冷過后的試件進(jìn)行退火處理，能使組織均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力，胎體韌性提高，如表2。

表2

在生產(chǎn)中，當(dāng)采用水冷工藝時，消除內(nèi)應(yīng)力的方法有時效處理、退火。由于時效處理時間長，影響生產(chǎn)效率，一般采用退火，退火溫度500～550℃，保溫1～2小時。

實際上，在鉆頭的釬焊工序中，需要對鉆頭冠進(jìn)行500～550℃的保溫處理，這也就相當(dāng)于進(jìn)行了一次退火處理，因此，除非特殊情況，無需再專門進(jìn)行退火，否則，需要在鉆頭冠加工完成后，專門進(jìn)行退火處理。

4 結(jié)語

（1）胎體PDC鉆頭無壓浸漬工藝，介于粉末冶金和鑄造之間，更接近于鑄造工藝，可以用鑄造工藝方面的原理，來分析鉆頭合金的冷卻凝固過程。

（2）胎體PDC鉆頭通常有空冷、緩冷和強(qiáng)制冷卻三種冷卻方式。不同的冷卻方式，冷卻速度不同，合金的凝固過程不同，得到的胎體組織和機(jī)械性能也不同。

（3）相比于空冷和緩冷，采用水冷的強(qiáng)制冷卻方式，并配以時效或退火處理，能獲得組織致密、綜合性能更好的胎體。