[發明專利]一種用于提高空氣沖旋鉆頭牙齒壽命的納米復合材料配方

無效

• 申請號: 200910059607.6
• 申請日: 2009-06-13
• 公開（公告）號: CN101574738A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 黃志強;黃偉;李琴;黃繼亮;卜艷;邱成松
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;E21B10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種納米復合材料的配方，具體地說是在石油與天然氣鉆探中用于提高空氣沖旋鉆頭牙齒壽命的納米復合材料的配方。

背景技術

目前，在空氣沖旋鉆進中，鉆頭牙齒的使用壽命短。齒的磨損和斷裂是空氣沖旋鉆頭牙齒的主要失效形式，其根本原因是牙齒硬質合金材料自身性能差(如耐磨性和耐沖擊性等)不能滿足復雜的工況條件的需要。

現有的普通硬質合金牙齒的硬度(耐磨性的表征指標)和沖擊韌性是相互矛盾的，不可兼得。高硬度的獲得必然要以犧牲耐沖擊韌性為代價。因此，在保證硬質合金具有高沖擊韌性的同時也具有很好的耐磨性的條件下，研制出一種鉆探用的超硬材料對于提高空氣沖旋鉆頭牙齒壽命具有重要意義。

根據實驗研究表明，在硬質合金的制備中應用納米技術和納米材料，將使材料的硬度、韌性、耐磨性能、抗震性和熱導率及抗氧化性能等得到顯著提高。

發明內容

本發明目的在于克服現有技術的不足，提供一種空氣沖旋鉆頭牙齒的納米復合材料配方。

本發明的技術方案是，提供一種用于提高空氣沖旋鉆頭牙齒壽命的納米復合材料配方，由微米級基體、納米級增強相、稀土和晶粒生長抑制劑等高溫燒結而成。該納米復合材料的配方按下列總重量百分比的材料組成，微米級基體占總重的95.9％，納米級增強相為三氧化二鋁粉(化學式為Al₂O₃)，占總重的3％，稀土為六水合硝酸釔(化學式為Y(NO₃)₃6H₂O)，占總重的0.7％，晶粒生長抑制劑為碳化釩粉(化學式為VC)，占總重的0.4％。其中，微米級基體包括下列總重量百分比的材料組成，碳化鎢粉(化學式為WC)占總重的87.9％，鈷粉(化學式為Co)占總重的8％。上述配方中各組成物均為市售商品。

微米級基體為市售的碳化鎢粉和鈷粉的混合物，自貢硬質合金廠生產。碳化鎢選用WCD160顆粒。

納米級增強相為市售的三氧化二鋁粉，山東先廣納米粒子有限公司生產。三氧化二鋁純度≥99.9％，平均粒度范圍為60～100納米。

稀土為市售的六水合硝酸釔，適當處理后的有效成分為釔(元素符號為Y)。添加少量稀土元素，能改善硬質合金的耐沖擊性、耐熱疲勞、熱耐磨性等性能。

晶粒生長抑制劑為市售的碳化釩粉。適量添加晶粒生長抑制劑，既能細化晶粒又能提高材料的強度。

本發明的有益效果是，采用科學合理的配方，克服了現有空氣沖旋鉆頭牙齒材料——普通硬質合金配方中存在的不足，提供了一種納米復合材料的配方。

該材料配方具有以下優點：

1.由于本發明中添加了納米級增強相材料，極大地提高了納米復合材料的耐磨性。

2.稀土元素和晶粒生長抑制劑的添加，使得納米復合材料的性能得到進一步提高。

3.采用本發明配方制得的材料具有較低密度、高硬度、高抗彎強度和高沖擊韌性等優點。

4.采用本發明配方制得的材料用于空氣沖旋鉆頭牙齒上，能夠有效地提高牙齒壽命。

附圖說明

圖1是本發明普通硬質合金YG8材料表面掃描電鏡形貌(12000倍)。

圖2是本發明納米復合材料表面掃描電鏡形貌(12000倍)。

具體實施方式

下面的實施例將對本發明的牙齒納米復合材料配方作進一步的闡述，結合圖1和圖2對本發明的具體實施方式進行描述。

為測試采用本發明配方制得的納米復合材料的性能，曾做過一個對比試驗，與普通硬質合金材料(牌號為YG8)作性能對比測試試驗和組織結構微觀對比分析。其中性能對比測試試驗包括密度實驗、硬度實驗、抗彎強度實驗、沖擊韌性實驗和耐磨性實驗，其中耐磨性實驗完成純磨料磨損實驗和沖擊磨料磨損實驗兩種磨損實驗。

性能對比試驗的測試結果如下表(1為普通硬質合金YG8材料，2為納米復合材料)：

從上表數據可看出，納米復合材料的整體性能明顯好于普通硬質合金YG8材料，尤其在耐磨性能和沖擊韌性方面表現得特別明顯，這對于提高空氣沖旋鉆頭牙齒壽命顯得尤為有利，可提高空氣沖旋鉆進的鉆井效率，節約鉆井成本。

組織結構微觀對比分析采用掃描電鏡觀察普通硬質合金YG8材料和采用本發明配方制得的納米復合材料的微觀形貌。

普通硬質合金YG8材料(圖1)顯微結構為碳化鎢顆粒與基體金屬鈷的混合冶金結構，碳化鎢晶粒呈長條塊狀，部分晶粒長大較明顯，整體上粗大且不均勻，有部分穿晶裂紋現象。