[发明专利]一种碳化钒钛硬质合金及其制备的钻井钻头及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金钻进钻头，特别涉及一种碳化钒钛硬质合金钻井钻头及其制造方法。 

背景技术

石油钻井过程中由于需要冲击破碎坚硬的岩层，所采用的钻头材质通常是具备高强度的金刚石或硬质合金。现有技术中钻头所采用的硬质合金材料主要是钴粘结的碳化钨硬质合金，其硬度通常为84～94HRA。钨、钴属于战略储备资源，而且在地壳中储量相对较少，价格较高，直接导致石油钻井钻头的成本居高不下。 

同时，现有技术中钻头多采用焊接式制备方法：先分别用钢材铸造成型出钻头的主体部分，通过粉末冶金方法制备出钴粘结碳化钨硬质合金，然后通过焊接方法将硬质合金焊接在钻头主体部分的表面，制备得到钨钴硬质合金钻头。该制备方法中需要将钻头的主体部分和硬质合金刃部分别成型，再焊接，工艺较复杂，而且由于钻头的主体部分和合金刃部为后续焊接连接，合金刃部在高温作用下经常发生焊接失效现象从而导致整个钻头破损。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中铸造钻头需要用到钨、钴稀缺资源，成本较高的不足，提供一种硬度相当的碳化钒钛硬质合金，以及一种用钢粘结碳化钒钛硬质合金制备的钻头，同时本发明还提供了一种通过铸造的方法将钢粘结碳化钒钛硬质合金与钻头主体部分一次成型的铸造工艺。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 

一种碳化钒钛硬质合金，包含以下重量百分比的成分，硬质相85%～95%，余量为铁和不可避免的杂质。所述硬质相为碳化钒钛，其中钒/钛摩尔比不大于1。 

硬质合金中的硬质相为碳化钒钛，如果以单一的碳化钛为硬质相制备硬质合金，其烧结温度为1400～1450℃，添加适量的碳化钒后可以降低硬质合金的烧结温度，碳化钒钛硬质合金烧结温度为1390～1420℃。这是因为碳化钒与碳化钛形成碳化钒钛时产生了晶格缺陷，提高了晶格内能，从而活化晶格，有利于物质迁移和硬质相的溶解析出。此外添加适量的碳化钒后可以改善硬质相的形态，由不规则的碳化钛硬质相改善为趋于球形的碳化钒钛硬质相，从而提高硬质合金的性能。 

特别优选钒/钛摩尔比0.3～0.5，显著改善硬质合金硬度。硬质合金的硬度显著高于单独使用碳化钛制备的硬质合金硬度。 

硬质合金中利用铁作为粘结相，铁作为粘结相以后，硬质合金与基体之间的粘接性能显著提高。 

进一步，所述碳化钒钛硬质合金，还包括以下重量百分比的元素，铜0.10-0.30%。由于铜的熔点只有1083℃，较钢更低，所以在合金成型过程中，铜可以增加碳化钒钛硬质合金中的液相，有利于提高硬质合金的致密化，进而提高了钻头刃部的硬度。铜的用量不宜过多或过少，虽然铜的熔点较低，添加后可以增加液相，提升硬质合金的致密化，但过少的铜则难以达到增加液相的效果，添加后对合金性能影响不明显；过多的铜则降低合金的硬度，影响合金的性能。 

进一步，所述碳化钒钛硬质合金，还包括以下重量百分比的元素，钇0.03-0.15%。钇可以使碳化钒钛硬质合金的晶粒细化，强化晶界，从而提高钻头刃部的硬度。 

进一步，上述碳化钒钛硬质合金，其制备原料还包括铜粉和/或钇铁合金粉。铜0.10-0.30%，钇0.03-0.15%。 

所述碳化钒钛硬质合金硬度为86～95HRA。 

上述碳化钒钛硬质合金在制备钻井钻头中的应用。 

一种制备如上所述碳化钒钛硬质合金钻头的方法，包括以下步骤： 

（1）按比例称取碳化钛、碳化钒、石墨、还原铁粉、铜、钇铁合金粉。 

（2）将步骤（1）称取的原料混合，在隔绝空气的保护环境下，磨细，过320～500目筛，得到粉末粒料，干燥，然后加入1wt%～1.5wt%聚乙二醇溶液,充分搅拌，过45～60目筛，得到颗粒料。 

（3）将颗粒料放入模具中，用350～700MPa的压力压制成型，压制时长10～60s，得坯块。 

（4）将坯块置于真空炉中，于200～350℃下，预烧结30～120分钟，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。 

（5）将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入钢水，使坯块在钢水的热量作用下致密化，碳化钒与碳化钛作用形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。 

所述钇铁合金粉含钇70wt%,余量为铁。