摘 要：針對(duì)普通磨鞋磨銑速度慢、使用時(shí)間短、機(jī)械性能差、工具磨損大等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)，設(shè)計(jì)制造一種高效磨鞋。該磨鞋以老式普通磨鞋為基礎(chǔ)，使用碳化鎢復(fù)合焊棒進(jìn)行堆焊，并在焊料中鑲嵌優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金，大大提高了磨鞋的施工效率。

關(guān)鍵詞：磨鞋；碳化鎢焊棒；硬質(zhì)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(yè)中，常會(huì)發(fā)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(zhì)合金牙輪等物落入井中，俗稱落魚。落魚應(yīng)及時(shí)打撈，否則影響正常作業(yè)，當(dāng)打撈工具處理卡鉆無(wú)效或落魚不能完整撈出時(shí)，須下入磨鞋，將落魚磨銑成碎片，然后利用鉆井液循環(huán)帶出井眼。磨鞋的焊接工藝是用氧-乙炔火焰將強(qiáng)化材料堆焊到工具上，堆焊面對(duì)著井下的落物旋轉(zhuǎn)磨銑時(shí)，磨銑中有大量的硬質(zhì)合金顆粒嵌入被銑削的落物中，每顆硬質(zhì)合金顆粒相當(dāng)于一個(gè)切削刃。當(dāng)硬質(zhì)合金顆粒的切削刃被磨鈍時(shí)，堆焊層的胎體金屬受到強(qiáng)烈的沖刷，使硬質(zhì)合金逐漸露出。另外，硬質(zhì)合金顆粒內(nèi)受到的壓力和應(yīng)變?cè)黾?，便產(chǎn)生裂紋，沿裂紋面又形成了一個(gè)新的切削刃。這一過(guò)程周而復(fù)始，直至全部硬質(zhì)合金顆粒耗盡為止。

1高效磨鞋設(shè)計(jì)

要提高磨鞋的工作效率，不僅要求硬質(zhì)合金顆粒耐磨性高，而且要求堆焊焊條與硬質(zhì)合金具有良好的結(jié)合強(qiáng)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(zhì)合金、堆焊焊條均存在一些不足之處，當(dāng)磨銑量較大時(shí)不能滿足施工要求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金及焊接材料的研究，優(yōu)選焊條及硬質(zhì)合金，并對(duì)磨鞋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guò)添加硬質(zhì)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(qiáng)度低，磨銑材質(zhì)較硬的落魚時(shí)，工具的損耗大，使用壽命短，影響施工效率。通過(guò)對(duì)不同廠家l0余種合金的優(yōu)選，選用了YT系列合金。YT系列合金屬于鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷。相對(duì)于YG類鎢鈷硬質(zhì)合金增加了碳化鈦含量。相比于YG類硬質(zhì)合金，YT類鎢鈷鈦硬質(zhì)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(wěn)高速切削領(lǐng)域工件， 能滿足高效磨銑工藝要求。

1.2切削刃角設(shè)計(jì)

高效磨鞋與普通磨鞋相比，高效磨鞋的切削刃角度進(jìn)行了調(diào)整。高效磨鞋采用了獨(dú)特的切削后角設(shè)計(jì)，即硬質(zhì)合金孕鑲成形后后仰。常規(guī)的前角設(shè)計(jì)（ 即硬質(zhì)合金孕鑲成形后前傾 ）雖然利于連續(xù)切削，切削效果好（類似車刀的設(shè)計(jì)原理），但沖擊大。高效硬質(zhì)合金沖擊韌性差，磨銑時(shí)工況惡劣，切削前角不利于對(duì)合金的保護(hù)，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(hù)。同時(shí)高效磨鞋在底面不同部位鑲嵌了硬質(zhì)合金，易受損部位得到加強(qiáng)，合金分布更均勻，使之產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高效平低磨鞋。在結(jié)構(gòu)上大都是以對(duì)稱2水眼設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)高效平底磨鞋時(shí)，采用120o相位角、3水眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，排量不小于30m/h。磨銑齒排列設(shè)計(jì)上，采用大致呈圓形、不同規(guī)格大小合金鑲嵌排列的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(nèi)，將其磨碎、由鉆井液循環(huán)攜帶出井筒。

1.4優(yōu)選堆焊焊條

堆焊所選用的Drilltech78G是一種高品質(zhì)的碳化鎢焊棒，主要用于鉆頭、鉆井用穩(wěn)定器、導(dǎo)向器和礦山挖掘設(shè)備部件的耐磨防護(hù)和維修堆焊。其采用了特殊的生產(chǎn)工藝，碳化鎢切塊均勻，切面鋒利，堆焊層能產(chǎn)生明顯的切削效果，同時(shí)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(chǎn)生的磨粒磨損和沖擊磨損?；w金屬為高強(qiáng)度特種合金，抗拉強(qiáng)度和韌性好，生成的堆焊層致密，浸潤(rùn)性好，結(jié)合強(qiáng)度高。

1.5優(yōu)化焊接工藝

堆焊焊條的熔點(diǎn)僅為760～780℃，因此堆焊時(shí)采用較小的焊接線能量以減小堆焊時(shí)硬質(zhì)合金的熔化和燒損，提高堆焊層硬質(zhì)合金的質(zhì)量。實(shí)際加工中采用熔點(diǎn)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(qiáng)度降低，獲得更高的焊接質(zhì)量。

2.磨銑材料展望

2.1硬質(zhì)相的改進(jìn)

由于強(qiáng)化材料中起關(guān)鍵作用的物質(zhì)是硬質(zhì)合金，國(guó)內(nèi)目前均采用燒結(jié)WC-Co、WC-Ti—Co或兩者的混合，但由于硬質(zhì)合金在堆焊時(shí)容易被燒損，因此影響了堆焊層的性能。國(guó)外目前已開發(fā)出一種韌性更好、使用壽命更長(zhǎng)的新型強(qiáng)化材料，但仍屬保密中。目前國(guó)內(nèi)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(zhì)合金復(fù)合材料作為強(qiáng)化材料。但存在的主要問(wèn)題是這種材料的潤(rùn)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(qiáng)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(duì)較低，硬質(zhì)合金邊緣的熔化較小，但堆焊后硬質(zhì)合金在溶池中存在的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致硬質(zhì)合金溶解和擴(kuò)散量增大。目前我國(guó)正在開發(fā)磨銑工具一次成形工藝，解決硬質(zhì)合金的燒損和堆焊過(guò)程的分解、擴(kuò)散、溶解，但尚需解決成形過(guò)程中硬質(zhì)合金的沉淀。其關(guān)鍵是采用密度低，硬度高，韌性好，與胎體金屬潤(rùn)濕性好的硬質(zhì)相。隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，將有更加優(yōu)質(zhì)的鎢合金被研發(fā)出來(lái)，同時(shí)合金鋼的焊接工藝技術(shù)、金屬工具的表面處理技術(shù)也將不斷進(jìn)步，必將帶動(dòng)井下工業(yè)磨銑工具的不斷更新，進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率和施工質(zhì)量。

3結(jié)束語(yǔ)

新型高效磨鞋在磨銑速度、磨耗比等指標(biāo)明顯優(yōu)于普通磨鞋。其中磨銑速度提高了117%，考慮更換磨鞋所耗費(fèi)的起下鉆時(shí)間，高效磨鞋單只時(shí)間磨銑效率可提高7-8倍。通過(guò)實(shí)例井施工的分析對(duì)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(jī)械損耗小。由此可見，高效磨鞋設(shè)計(jì)合理，綜合機(jī)械性能優(yōu)于普通磨鞋。

作者簡(jiǎn)介：

安然（1989—），遼寧省遼中縣人，碩士研究生。