CN102278069A

CN102278069A - 牙轮钻头

Info

Publication number: CN102278069A
Application number: CN2011102472075A
Authority: CN
Inventors: 董太尚; 张树盛; 汪文斋; 李治国; 王振文
Original assignee: TIANJIN LILIN BIT CO Ltd
Current assignee: TIANJIN LILIN BIT CO Ltd
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2011-12-14

Abstract

本发明涉及地质钻井工具，尤其涉及一种牙轮钻头，包括置于牙轮与牙掌轴形成的密封腔中的密封部件以及嵌装在牙轮腔中的压入套，所述压入套与密封部件摩擦连接，其特征在于：与密封部件摩擦连接的压入套的密封端面上设有耐磨层。有益效果:通过在压入套的密封端面上增设一层类金刚石涂层，具有硬度高、摩擦系数小、耐磨性好等的优越特性，能有效地减小了压入套密封端面的磨损和产生的摩擦热，提高牙轮钻头密封系统的的可靠性，使牙轮钻头的使用寿命得到提高。

Description

牙轮钻头

技术领域

本发明涉及地质钻井工具，尤其涉及一种牙轮钻头。

背景技术

由于石油资源不断开发，常规可采资源数量越来越少，已逐渐向更深层的石油开采，开采难度不断加大，对钻井机械的使用要求越来越高，以往的常规钻井机械密封使用状况已经不能满足石油钻井钻探的使用需求。目前，现有技术中的牙轮钻头的密封结构是在牙轮和牙掌形成的密封腔中装有密封部件，密封部件采用橡胶密封圈和金属密封环组合的方式进行密封，金属密封环与嵌装在牙轮腔中的压入套的密封端面摩擦，使得压入套的密封端面磨损严重而导致密封失效，从而钻头失效。其原因在于：对具有振动和摆动状态下工作的牙轮钻头密封时，必须增加O形密封圈的压缩量，即增大密封压力。增大后的密封压力会导致压入套密封端面的加剧磨损，且产生大量的摩擦热，使压入套的密封端面压力降低和橡胶圈的供能效果减弱，造成密封失效。密封一旦失效，使得有腐蚀性及研磨性等高压液体从钻头外部侵入钻头内的密封系统，致使钻头的轴承系统过早磨损，钻头报废。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，在中国公开专利（申请号为：200620027466.1和91224654.5）的基础上进行修改，而提供一种牙轮钻头，目的在于解决上述在高转速和高钻压的工作条件下牙轮钻头压入套密封端面的不耐磨和产生摩擦热大的缺点，减轻O形密封圈的负担，提高密封系统的使用寿命，最终提高牙轮钻头的使用寿命。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种牙轮钻头，包括置于牙轮与牙掌轴形成的密封腔中的密封部件以及嵌装在牙轮腔中的压入套，所述压入套的密封端面与密封部件摩擦连接，其特征在于：与密封部件摩擦连接的压入套密封端面上涂覆有耐磨层。

所述耐磨层为类金刚石涂层。

所述耐磨层为TiN涂层、TiCN涂层、CrN涂层、AlTiN涂层中的任意一种。

所述密封部件由相互叠加配合的橡胶密封圈、橡胶密封垫圈和密封环构成，所述密封环与压入套摩擦连接。

所述耐磨层的厚度为0.5um-8.0um。

有益效果: 通过在压入套的密封端面上增设一层类金刚石涂层，具有硬度高、摩擦系数小、耐磨性好等的优越特性，能有效地减小了压入套密封端面的磨损和产生的摩擦热，提高牙轮钻头密封系统的的可靠性，使牙轮钻头的使用寿命得到提高。

附图说明

图1是本发明的结构放大示意图；

图2是本发明在牙轮中的结构示意图；

图中：1、牙轮；2、牙掌轴；3、密封腔中；4、密封部件；5、牙轮腔；6、压入套；7、耐磨层；8、橡胶密封圈；9、橡胶密封垫圈；10、密封环。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图所示，一种牙轮钻头，包括置于牙轮1与牙掌轴2形成的密封腔中3的密封部件4以及嵌装在牙轮腔5中的压入套6，所述压入套与密封部件摩擦连接，即压入套与密封部件的接触方式为面接触，旋转滑动摩擦。为了解决密封部件和压入套之间磨损，在与密封部件摩擦连接的压入套的密封端面上设有耐磨层7。本发明中的耐磨层优选为类金刚石涂层（DLC），类金刚石涂层与钢的摩擦系数在0.02～0.1之间，也可以采用其它的涂层如TiN涂层、TiCN涂层、CrN涂层、AlTiN涂层，但是它们与钢的摩擦系数在0.3～0.5之间，DLC的摩擦系数要远远小于其他涂层与钢的摩擦系数，如此低的摩擦系数大大减低了牙轮压入套与牙掌密封环之间的扭矩，减少了摩擦热的产生，改善了钻头橡胶圈的使用环境和提高了密封部件的耐磨性。

DLC涂层的厚度对其使用性能也起到了至关重要的作用，如果薄膜太薄（<0.5μm），牙轮钻头在较长的工作条件下，DLC涂层很早被磨光，体现不出DLC薄膜的耐磨性；如果太厚，结合强度差，在高载荷作用下，涂层容易脱落，并且其硬度高和研性高，使得压入套接触面的磨损加快，磨损量约为未涂层时2倍。经大量试验证实，DLC薄膜的厚度为0.5μm～8.0μm，优选为2.0μm～4.0μm。而其他涂层的厚度也可以为0.5μm～8.0μm。

本发明中的密封部件由相互叠加配合的橡胶密封圈8、橡胶密封垫圈9、密封环10构成，其中，所述密封环10与压入套6摩擦连接。

类金刚石涂层（DLC）还具有以下的优点：

1．硬度高

类金刚石涂层具有很高的硬度，本新型类金刚石涂层硬度的选择范围在1800～3500Hv(载荷：0.245N)之间。DLC薄膜硬度取决于其中具有金刚石特征的SP3键含量和具有石墨特征SP2的含量比率，其值越大，硬度越高。如其涂层硬度过低，类金刚石层不耐磨，过早的被磨穿，丧失涂层耐磨的作用；硬度过高，虽然薄膜的耐磨性增强，但薄膜与基体之间的内应力增长，脆性加大，延伸性下降，导致薄膜在高载荷下，容易脱落。

2．薄膜与基体结合力高

本使用新型要求DLC薄膜与钢基体的结合强度在40N以上，结合力高，使牙轮压入套在长时间、高载荷下增加其摩擦稳定性。

3．表面粗糙度低

在测量类金刚石涂层的表面粗糙度时，Ra0.02μm，粗糙度低主要与抛光工艺、涂层制备工艺（沉积温度和沉积速率）等因素有关。相同条件下，其他涂层如TiN、AlTiN、CrN的表面粗糙度Ra为0.15～0.6μm，与DLC涂层相差一个数量级。涂层表面粗糙度如此小，与涂层前的表面粗糙度对比，不改变压入套密封接触面积，不影响钻头密封作用。

4．涂层制备温度低

类金刚石涂层即可在低温PVD（物理气相沉积）设备中完成，PVD设备有多种方法，如磁控溅射及离子束和过滤阴极弧等；也可PACVD（等离子辅助化学气相沉积）设备完成，此工艺是把物理气相沉积方法和化学气相沉积方法相结的一种工艺技术，此工艺沉积温度低、结合强度高。因此两种涂层沉积设备对比，优选PACVD（等离子辅助化学气相沉积）设备。在以上方法和工艺中，如涂层基体由不锈钢、高速钢制得,沉积温度要小于200℃以下，使得基体的物理特性没有改变，不影响涂层面粗糙度、平面度；如涂层基体硬质合金制得，沉积温度可提高一些，但不能太高（<800℃），否则就会导致基体涂层表面变形，影响其粗糙度和平面度。

5．热稳定性

类金刚石涂层的热稳定性在300～350℃环境是可靠的，在这种样的温度下，类金刚石涂层不会氧化，物理特性不会改变，类金刚石的热稳定性不如TiN，TiAeN，CrN，它们的热稳定性在450～700℃之间。在牙轮钻头工作条件下，影响钻头整体温度因素有：井下的热环境温度，钻头旋转时机械性能转换热能，还有钻井液和泥浆的冷却作用等因素。总之钻头井下使用时，整体温度在250℃以下，因此类金刚石的热稳定性也完全满足钻头使用要求。

综上，以上各项性能全面突破了其他固体润滑材料的性能极限，大大提高了钻头的牙轮压入套密封端面的耐磨性能和降低了相对滑动产生的摩擦热，保证了金属密封系统的稳定性，增强钻头的使用寿命。

牙轮压入套（DLC）涂层准备和制备工艺：首先压入套经粗车、热处理后、精车成形后，再对密封面进行研磨和抛光处理，接触端面要抛光成镜面状，在显微镜下观察表面要光洁、粗糙度低（<Ra0.025），表面不能存在残余抛光液等杂质，否着会影响DLC薄膜的结合强度。抛光处理后利用气相沉积设备（PACVD设备和PVD设备）在压入套接触端面沉积DLC涂层，要求制备的DLC薄膜表面光滑、致密、均匀，粗糙度低（<Ra0.07）。并且膜基结合强度要达到HF-1～3，DLC薄膜硬度为1800～3500Hv，DLC薄膜厚度为0.5～8.0μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种牙轮钻头，包括置于牙轮与牙掌轴形成的密封腔中的密封部件以及嵌装在牙轮腔中的压入套，所述压入套的密封端面与密封部件摩擦连接，其特征在于：与密封部件摩擦连接的压入套密封端面上涂覆有耐磨层。

2.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于：所述耐磨层为类金刚石涂层。

3.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于：所述耐磨层为TiN涂层、TiCN涂层、CrN涂层、AlTiN涂层中的任意一种。

4.根据权利要求1或2所述的牙轮钻头，其特征在于：所述密封部件由相互叠加配合的橡胶密封圈、橡胶密封垫圈、密封环构成，所述密封环与压入套摩擦连接。

5.根据权利要求4所述的牙轮钻头，其特征在于：所述耐磨层的厚度为0.5um-8.0um。