高性能磨鞋設計與制造

摘 要：針對普通磨鞋磨銑速度慢、使用時間短、機械性能差、工具磨損大等問題，通過對材料優選、結構分析設計、工藝改進，設計制造一種高效磨鞋。該磨鞋以老式普通磨鞋為基礎，使用碳化鎢復合焊棒進行堆焊，并在焊料中鑲嵌優質硬質合金，大大提高了磨鞋的施工效率。

關鍵詞：磨鞋；碳化鎢焊棒；硬質合金

磨鞋屬于井下事故處理工具的一種。在鉆井或采油作業中，常會發生井下鉆具被卡、脫扣、扭斷以及地面金屬碎片、水泥甚至鉆頭牙輪、硬質合金牙輪等物落入井中，俗稱落魚。落魚應及時打撈，否則影響正常作業，當打撈工具處理卡鉆無效或落魚不能完整撈出時，須下入磨鞋，將落魚磨銑成碎片，然后利用鉆井液循環帶出井眼。磨鞋的焊接工藝是用氧-乙炔火焰將強化材料堆焊到工具上，堆焊面對著井下的落物旋轉磨銑時，磨銑中有大量的硬質合金顆粒嵌入被銑削的落物中，每顆硬質合金顆粒相當于一個切削刃。當硬質合金顆粒的切削刃被磨鈍時，堆焊層的胎體金屬受到強烈的沖刷，使硬質合金逐漸露出。另外，硬質合金顆粒內受到的壓力和應變增加，便產生裂紋，沿裂紋面又形成了一個新的切削刃。這一過程周而復始，直至全部硬質合金顆粒耗盡為止。

1高效磨鞋設計

要提高磨鞋的工作效率，不僅要求硬質合金顆粒耐磨性高，而且要求堆焊焊條與硬質合金具有良好的結合強度和適度的耐磨性，以保證堆焊層的自銳性。目前使用的磨鞋硬質合金、堆焊焊條均存在一些不足之處，當磨銑量較大時不能滿足施工要求。針對這一現狀，通過對硬質合金及焊接材料的研究，優選焊條及硬質合金，并對磨鞋的結構進行優化設計，制造了一種新式高效磨鞋，大大提高了磨銑效率。

1.1合金材料選取

高效磨鞋的高性能是通過添加硬質合金獲得的，合金材料的性能直接影響磨鞋的使用效果。目前使用的YG類合金磨鞋強度低，磨銑材質較硬的落魚時，工具的損耗大，使用壽命短，影響施工效率。通過對不同廠家l0余種合金的優選，選用了YT系列合金。YT系列合金屬于鎢鈦鈷類硬質合金，主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷。相對于YG類鎢鈷硬質合金增加了碳化鈦含量。相比于YG類硬質合金，YT類鎢鈷鈦硬質合金硬度偏向高而韌性偏向低，更耐磨損，更多是加工硬度高，平穩高速切削領域工件， 能滿足高效磨銑工藝要求。

1.2切削刃角設計

高效磨鞋與普通磨鞋相比，高效磨鞋的切削刃角度進行了調整。高效磨鞋采用了獨特的切削后角設計，即硬質合金孕鑲成形后后仰。常規的前角設計（ 即硬質合金孕鑲成形后前傾 ）雖然利于連續切削，切削效果好（類似車刀的設計原理），但沖擊大。高效硬質合金沖擊韌性差，磨銑時工況惡劣，切削前角不利于對合金的保護，合金破碎率高。后角雖然損失部分切削速度，但利于合金保護。同時高效磨鞋在底面不同部位鑲嵌了硬質合金，易受損部位得到加強，合金分布更均勻，使之產生類似牙輪式的沖擊效果，提高了磨鞋的切削效率和使用壽命。

1.3磨鞋結構設計

高效平低磨鞋。在結構上大都是以對稱2水眼設計，磨銑齒呈一定角度均勻排列，水眼排量較小，不能充分清洗磨銑界面，降溫效果也不理想。在設計高效平底磨鞋時，采用120o相位角、3水眼結構設計，排量不小于30m/h。磨銑齒排列設計上，采用大致呈圓形、不同規格大小合金鑲嵌排列的結構，這種結構的特點是磨鞋切削刃多、切削速度高、切削效果好。

高效凹底磨鞋。磨鞋與落物的貼面效果較差，不適于大鉆壓、高鉆速施工，造成磨銑效率低。高效凹底磨鞋，在設計時考慮了與落物的貼面性，增大了接觸面積，使磨鞋與落物能充分接觸；能滿足大鉆壓施工要求，對螺栓、鉆桿、鉆頭牙輪等落物，加大鉆壓，迫使其聚集于凹面控制的磨銑范圍之內，將其磨碎、由鉆井液循環攜帶出井筒。

1.4優選堆焊焊條

堆焊所選用的Drilltech78G是一種高品質的碳化鎢焊棒，主要用于鉆頭、鉆井用穩定器、導向器和礦山挖掘設備部件的耐磨防護和維修堆焊。其采用了特殊的生產工藝，碳化鎢切塊均勻，切面鋒利，堆焊層能產生明顯的切削效果，同時具備良好的耐磨性，能抵御由沙礫，泥土和礦砂等固體物顆粒所產生的磨粒磨損和沖擊磨損。基體金屬為高強度特種合金，抗拉強度和韌性好，生成的堆焊層致密，浸潤性好，結合強度高。

1.5優化焊接工藝

堆焊焊條的熔點僅為760～780℃，因此堆焊時采用較小的焊接線能量以減小堆焊時硬質合金的熔化和燒損，提高堆焊層硬質合金的質量。實際加工中采用熔點溫度的中性焰，火焰接近碳化焰，溫度較低，氧含量少，避免了焊棒基體金屬中某些合金成分燒損，防止基體金屬變脆，抗拉強度降低，獲得更高的焊接質量。

2.磨銑材料展望

2.1硬質相的改進

由于強化材料中起關鍵作用的物質是硬質合金，國內目前均采用燒結WC-Co、WC-Ti—Co或兩者的混合，但由于硬質合金在堆焊時容易被燒損，因此影響了堆焊層的性能。國外目前已開發出一種韌性更好、使用壽命更長的新型強化材料，但仍屬保密中。目前國內的研究主方向正嘗試用具有較高韌性的陶瓷與金屬間化合物材料以及陶瓷與硬質合金復合材料作為強化材料。但存在的主要問題是這種材料的潤濕性較差，用常用的焊條成形工藝和堆焊工藝有一定的難度。

2.2焊接工藝的展望

目前強化材料的堆焊主要用氧-乙炔焰或氬弧焊作為熱源。氧-乙炔熱源雖然溫度相對較低，硬質合金邊緣的熔化較小，但堆焊后硬質合金在溶池中存在的時間較長，導致硬質合金溶解和擴散量增大。目前我國正在開發磨銑工具一次成形工藝，解決硬質合金的燒損和堆焊過程的分解、擴散、溶解，但尚需解決成形過程中硬質合金的沉淀。其關鍵是采用密度低，硬度高，韌性好，與胎體金屬潤濕性好的硬質相。隨著材料技術的不斷進步，將有更加優質的鎢合金被研發出來，同時合金鋼的焊接工藝技術、金屬工具的表面處理技術也將不斷進步，必將帶動井下工業磨銑工具的不斷更新，進一步提高現場作業效率和施工質量。

3結束語

新型高效磨鞋在磨銑速度、磨耗比等指標明顯優于普通磨鞋。其中磨銑速度提高了117%，考慮更換磨鞋所耗費的起下鉆時間，高效磨鞋單只時間磨銑效率可提高7-8倍。通過實例井施工的分析對比，高效磨鞋的磨銑速度較普通磨鞋得到很大提高，且高效磨鞋的機械損耗小。由此可見，高效磨鞋設計合理，綜合機械性能優于普通磨鞋。

作者簡介：

安然（1989—），遼寧省遼中縣人，碩士研究生。