在石油钻井中，广泛应用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头（又称PDC钻头）。其中应用最多的还是牙轮钻头。牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿
与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。牙轮钻
头能够适应从软到坚硬的多种地层。
下面就通过问答的方式来了解一下如何提高牙轮钻头的表面硬度及如何选择刀具加工牙
轮钻头。
一、牙轮钻头如何分类？
答：牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头，具有适应底地层广，机械钻
速高等特点。
（1）按牙轮数量分类：可分为单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头。国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。三牙轮钻头是石油钻井的重要工具，其工作性能的
好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，主要用于钻井，勘探，石油，钻头，钻井配件中。
（2）按切削材质分类：可分为钢齿（铣齿）和镶齿牙轮钻头。钢齿牙轮钻头是由牙轮毛坯铣削加工而成的牙齿。主要是楔形齿，但由于牙轮材料的限制，在硬，研磨性强的地层中，使用寿命很低，所以一般都会在牙轮钻头的工作面上堆焊一层耐磨材料，提高钢齿牙轮钻头 的硬度及工作寿命；镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔来，将硬质合金材料制成的齿镶在孔中，为了提高钻速人们先后发明了楔形齿、勺形齿、偏顶勺形齿、等磨损齿等等。
（3）按轴承类型分类：滚动轴承和滑动轴承。
（4）按密封类型分类：橡胶密封和金属密封。
答：钢齿牙轮钻头是石油钻井主要破岩工具之一，其性能的好坏直接影响着钻井质量、钻井速度、钻井成本以至整个石油工业的发展。据调研，钢齿牙轮钻头的过度磨损，在牙轮钻头失效中占50%以上。之后国内外钻头工作者专门针对钢齿牙轮钻头强化材料进行研究，取得很
大的突破。采用硬质合金和金刚石对钢齿牙轮钻头进行齿面，使钢齿牙轮钻头的使用寿命和
工作性能得到成倍提高，大大降低了生产成本。
（1）采用硬质合金焊条对钢齿牙轮钻头进行齿面强化：钢齿牙轮钻头由于工况特殊，牙轮钻头齿面要堆焊一层硬质合金，传统工艺是采用管装粒状铸造碳化钨焊条，用氧－乙炔火
焰堆焊。但是铸造碳化钨颗粒难免带有裂纹、气孔等铸造缺陷；其粒状的尖角在露出焊层表
面时也极易受冲击而崩碎。在20世纪70年代，人们用烧结硬质合金与铸造硬质合金混合颗
粒作为耐磨相，以镍基合金为粘结剂，用粉末冶金的方法根据不同工况制作出不同性能的堆焊
焊条。焊接热源采用钨极氩弧焊或氧 炔火焰，堆焊出的强化层具有不同的性能特点。之后随着人们的研究不断发展，研究出更多的性能更好的堆焊焊条用于钢齿牙轮钻头齿面上。
提高硬质合金的抗冲击能力以及抗焊接高温对其的侵蚀能力是硬质合金开发的研究重点。国外开发了一种韧性更好、寿命更长的新型硬质合金强化材料，但仍属于保密技术。国内目前也开发了多种用于钢齿牙轮钻头齿面强化的硬质合金堆焊焊条，其中的硬质相多选用球形或粒状烧结WC-Co、WC-TiC-Co或两者按一定比例混合。
（2）采用金刚石对钢齿牙轮钻头进行齿面强化：金刚石具有极高的硬度和良好的耐磨性，常被用来作钢齿牙轮钻头的齿面强化材料。由于天然金刚石资源有限，远不能满足工业上对金刚石日益增长的需要，促使人们研究人工合成金刚石的方法。通过对其强化工艺的研究，使人
造金刚石在齿面强化方面发挥了重要的作用。
由于金刚石在空气介质中850-1000 就会出现变质甚至石墨化燃烧，并且金刚石属非金属
材料，其导电性能很差，故将其应用于牙轮钻头的齿面强化面临着较多的工艺困难。国内外以
金刚石作为牙轮钻头强化材料，比较成熟的技术是制造金刚石的PDC复合片，然后通过钎焊或
机械装配的方法实现钻头齿面强化。目前研究较多的是应用电镀或化学镀工艺在钢齿牙轮钻
头齿面镀覆一层金刚石，利用金刚石的高耐磨性能达到钻头齿面强化。电价查询
三、钢齿牙轮钻头的堆焊技术有哪些？
答：目前，硬质合金焊条堆焊钢齿牙轮钻头齿面，常采用氧－乙炔火焰堆焊（喷焊）和钨极氩弧焊。下面简单介绍一下这两种堆焊技术的特点。
多媒体互动教学系统（1）氧-乙炔火焰堆焊技术：由于氧-乙炔火焰的火焰温度较低（3100℃左右），而且可以调整火焰的能率，可以得到低的稀释率（1%~10%）和薄的堆焊层，一般采用碳化焰焊接，
哺乳睡衣乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到
广泛使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点。所以该堆焊方法主要用于小零件的制造
和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊。氧-乙炔火焰堆焊除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷焊等工艺中。
氧-乙炔火焰喷焊用于修复磨损后的钢齿牙轮钻头，氧-乙炔火焰喷焊工艺，是经金属粉
末通过氧-乙炔火焰加热至熔化或达到高塑性状态后，喷焊并沉积到需要处理的工件表面，形成具有特种性能的表面敷层。喷焊前要对喷焊部位进行清理，牙轮要预热，使基体与喷焊层一次性台布
的温度减小，降低由于温差引起的内应力，之后进行喷焊。
采用镍基碳化钨自熔性合金粉末为喷焊材料，采用氧-乙炔火焰“一步法”（所谓的“一
步法”就是喷，熔同时进行的工艺）喷焊工艺，是牙轮理想的修复技术。采用喷焊修复牙轮
具有设备简单，投资少，见效快，操作方便，容易掌握，涂层质量稳定，生产成本低，经济
效益高等显著特点。并且大大降低了牙轮的报废率。
（2）钨极氩弧焊堆焊技术：钨极氩弧焊时常被称为TIG焊，是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式。其特点在于①氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝
周围空气；可以获得较高质量的焊缝；②钨极电弧非常稳定，即使在很小电流情况下仍可稳
定燃烧，特别适用于薄板材料焊接。③热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整所
以这种焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法。④由于填充焊丝
不通过电流，故不产生飞溅，焊缝成型美观。⑤交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除焊件
表面的氧化膜作用；⑥熔敷速度小、熔深浅、生产率低。⑦采用氩气较贵，熔敷率低，且氩
弧焊机有较复杂，和其他焊接方法（如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊）比较，生产成本
较高。⑧氩弧周围受气流影响较大，不易室外工作。
四、钻杆和钻头如何连接方式？除了钢齿牙轮钻头齿面需要堆焊喷焊技术外，
还有零部件需要堆焊喷焊的吗？
答:（1）油井钻杆与钻杆，钻杆与钻头之间常用螺纹连接。
（2）除了钢齿牙轮钻头齿面需要堆焊喷焊增加耐磨性，钻杆接头部位也需要堆焊喷
焊来增加其耐磨性；由于钻杆在工作过程中，其外壁尤其是接头部位要与井壁或套管接触，
承受着剧烈的磨损，钻杆接头工作在含砂多、粘度高、相对密度大，并且有一定腐蚀性的钻
井液中。因此，钻杆接头在承剧烈的磨损的同时还承受冲蚀磨损，使钻杆使用寿命很短。需
要定期对钻杆接头进行修复。目前，国内一般采用等离子喷焊铁基自熔合金粉对耐磨带进行
修复，铁基自熔合金粉末不仅节约成本，其耐磨、耐蚀以及抗氧化性能均可以得到保证，而
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且原材料来源广泛，价格低廉。采用铁基自熔合金粉喷焊之后钻杆接头部位的硬度能够达到HRC55-59，大大提高了钻杆接头表面的硬度、耐磨损、耐高温性以及抗氧化等性能。
五、牙轮钻头的工作环境，选择什么材质及牙轮钻头的加工工艺？
答：（1）牙轮钻头的工作环境及要求：油井牙轮钻头在破岩时，钻头的纵向振动产生
冲击力。钻头转动与岩石剪切作用，产生摩擦，发生磨损。绝大部分切削功转化为切削热，
使钻头温度迅速升高，同时地下温度较高，故钻头是在高温下工作的。结合牙轮钻头的结构
特点及工作环境。可以得到钻头的机械性能。牙爪（牙掌或巴掌）：要求具有高强度硬度和
耐磨性，还要有一定的韧性。牙轮：应具有高强度硬度，耐磨性，承受冲击载荷性能好，良
好的热强度。
（2）牙轮钻头的材质选择：牙轮钻头材质：牙爪材质：合金结构钢如20CrNiMo；牙
轮材质：合金结构钢如18Cr2Ni4MA；牙齿材质：牙齿分铣齿和镶齿，铣齿和牙轮材质一样，镶齿一般镶硬质合金或金刚石。
（3）牙轮钻头的加工工艺：①牙爪加工工艺路线：下料—锻造毛坯—回火—粗车（铣，钻孔）—掌背堆焊碳化钨—渗碳—淬火—回火—喷丸—磨削（轴颈）—检验；玻璃丝包线
②牙轮加工工艺路线：下料—锻造毛坯—回火—粗车内孔—精车内孔粗车外形—渗碳—
淬火—精车—喷丸—钻铰孔—镶齿—检验。
牙轮钻头经过热处理（淬火、回火）之后的硬度一般都在HRC60左右，适应地下钻井的
工作条件，延长牙轮钻头的使用寿命。
六、采用什么方式精加工牙轮钻头？
答：牙轮钻头经过热处理之后硬度高，采用磨削方式加工牙轮钻头。由于牙轮内孔尺寸小，精度要求高，需采用不同的砂轮精加工牙轮内孔，使其达到图纸要求尺寸，但采用磨削
方式加工牙轮内孔效率低，而且采用不同的砂轮磨削很难保证二止推面与滚珠槽的对称中心
面及二止推面与牙轮端面位置精度的要求，导致牙轮钻头的整体质量和装配效率降低。
采用以车代磨工艺来提高牙轮钻头的加工效率，以车代磨就是通过采用一些高强度、高
硬度、高耐磨性的刀具材料（如：硬质合金刀具、陶瓷刀具和立方氮化硼刀具）在数控车床
上对工件进行高速切削加工，以获得高生产率、高质量、低表面粗糙度的一种加工方法。
我国华菱超硬（原河南超硬材料研究所）研制出一款非金属粘合剂立方氮化硼刀具BN-
S20牌号可精加工牙轮钻头，硬度高于硬质合金刀具和陶瓷刀具，并且与传统的CBN刀具相比，优势在于增加了刀具韧性。BN-S20牌号不仅硬度高，耐磨性和抗冲击韧性兼具，吃刀深
度无上限（可吃满整个刀片），并且在保证图纸精度要求的同时使用寿命长，即提高了加工
效果，又节省了生产时间，降低了加工成本。
参考文献：钢齿牙轮钻头齿面强化材料及强化工艺进展；杨眉、汤小文、黄本生(西南石油学院材料科学与工程学院) ；刘清友 (西南石油学院机电工程学院)
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