CN103775498B - 一种螺杆钻具用硬质合金径向轴承体及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种硬质合金径向轴承体及其生产方法，其特征是：生产所述硬质合金条时，钴粉质量占比为8-10%，加质量比0.2-0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；所述内部钢体上顶面与最上端的硬质合金条之间的长度距离不小于45mm；所述硬质合金条之间的间隙内填充碳化钨粉的晶粒度不大于1.0μm；向所述盖板上方的衬套内放入粘结合金；其成分及重量百分比如下：Ni13～16%，Zn9～11%，Mn25-27%，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5%；并同时放入硼砂5-8克；然后在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；立即风冷，2个小时内降温到830-860℃之间，然后在空气中自然冷却至室温；机加工步骤。该方法在不增加工艺复杂性的条件下改变轴承体抗冲击强度，能避免裂纹的产生。
Description
技术领域
本发明涉及螺杆钻具技术领域，尤其是螺杆钻具用的硬质合金径向轴承体及其生产方法。
背景技术
目前在石油和天然气钻井中，经常要用到螺杆钻具，在螺杆钻具传动轴总成中有两组径向轴承，上面的一组径向轴承起扶正与限流作用，下面的一组径向轴承起到扶正作用，由于钻井过程中所受的侧向力比较大，且方向复杂，需要径向轴承要有一定的强度与耐磨性。
传统的生产方法生产的径向轴承体很难满足螺杆钻具上对径向轴承的要求。所以导致径向轴承使用时易变形，寿命短，经常需要更换，而更换径向轴承又非常复杂，且降低工作效率。
申请号201210332936.5的发明专利申请公开了一种硬质合金径向轴承体及其生产工艺，其要解决的问题是增加耐磨时间，是通过改变硬质合金的形状和排列方式以减小硬质合金间的间隙而实现的，硬质合金的菱形形状和螺旋形排列方式，大大增加了工艺的复杂性；而且间隙变小后，会影响硬质合金与粘结合金的粘结效果，如果应用在螺杆钻具上，其耐磨性还是无法满足要求。
所以需要一种生产方法既能提高硬质合金径向轴承体的耐磨性，满足螺杆钻具对所用硬质合金径向轴承体耐磨性的要求，又能不增加工艺的复杂性，不增加生产成本。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明提供了一种螺杆钻具用硬质合金径向轴承体的生产方法，该生产方法改变了轴承体抗冲击强度，能避免裂纹的产生，而且能使内部钢体的硬度达到HB300以上，满足螺杆钻具对径向轴承的技术要求，降低更换径向轴承的频率，而且不改变硬质合金条的形状及排列方式即可实现，不增加工艺的复杂性。
公知的现有技术为：轴承体包括内部钢体、若干个硬质合金条、衬套，还包括位于所述硬质合金条之间的间隙内的填充物，填充物包括碳化钨粉、粘结合金。
本发明提供的一种硬质合金径向轴承体的生产方法，包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条的步骤；生产所述硬质合金条时，钴粉质量占比为8-10%，加质量比0.2-0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；
b）制作所述内部钢体的步骤；
c）制作衬套的步骤；
d）在所述内部钢体的顶端焊接盖板的步骤；
e）所述内部钢体表面粘接硬质合金条的步骤；硬质合金条之间设有间隙；
f）将焊接了盖板并粘接了硬质合金条的内部钢体装入衬套的步骤；
所述内部钢体上顶面与最上端的硬质合金条之间的长度距离不小于45mm；
g）所述硬质合金条之间的间隙内填充碳化钨粉的步骤；该步骤中，碳化钨粉的晶粒度不大于1.0μm；
h）向所述盖板上方的衬套内放入粘结合金的步骤；所述粘结合金包括的成分及重量百分比如下：Ni13～16%，Zn9～11%，Mn25-27%，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5%；
放入粘结合金的同时，放入硼砂5-8克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到830-860℃之间，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
基于上述生产方法的一种硬质合金径向轴承体，包括内部钢体、硬质合金条、衬套，还包括位于所述硬质合金条之间间隙内的填充物，填充物包括碳化钨粉、粘结合金；其特征是：硬质合金条中，钴粉质量占比为8-10%，加质量比0.2-0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；粘结合金包括的成分及重量百分比为：Ni13～16%，Zn9～11%，Mn25-27%，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5%。
本发明的有益效果是：本发明在不改变硬质合金条的形状及排列方式、不增加工艺的复杂性的前提下，改变了轴承体抗冲击强度。硬质合金条在降温比较快的情况下不会产生裂纹；而且提高硬质合金条抗冲击的强度，使抗冲击强度TRS≥2000N·mm2；此外硬质合金条在快速冷却过程中可耐更大的因内部钢体热胀冷缩变形所产生的应力；改变了降温梯度，加快了降温速度，使轴承体的硬度能达到HB300以上。满足螺杆钻具用硬质合金径向轴承体的强度和耐磨性的要求，降低更换径向轴承的频率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
图1为本发明实施例中硬质合金径向轴承的结构示意图；
图2为附图1的剖视示意图；
图3为本发明实施例中内部钢体与衬套组装后装入碳化钨粉后装入粘结合金的示意图；
图中：1内部钢体，2硬质合金条，3填充物，4盖板，5衬套，6粘结合金，7冒口，8碳化钨粉。
具体实施方式
如图1所示，公知的现有技术为：轴承体包括内部钢体1、若干个硬质合金条2、衬套5，还包括位于所述硬质合金条2之间的间隙内的填充物3，填充物3包括碳化钨粉8、粘结合金6。
一种硬质合金径向轴承体的生产方法，包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为8-10%，加质量比0.2-0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；其中的“/”是代表或的关系；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L不小于45mm；
该段距离L，是径向轴承冷却过程中，内部钢体产生应力最大的部位，此段没有合金，并在日后的加工过程中去掉该段，既不影响成品尺寸，又使变形力最大部位位于有合金处外部，减小合金所受应力；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度不大于1.0μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni13～16%，Zn9～11%，Mn25-27%，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂5-8克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到830-860℃之间，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
该方法具体的举例如下：
实施例一：包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为8%，加质量比0.2%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L为45mm；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度为1.0μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni13%，Zn9%，Mn25%，Cu52.5%，杂质总量为0.5%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂5克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到830℃，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
实施例二：包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为10%，加质量比0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L为50mm；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度0.9μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni16%，Zn11%，Mn27%，Cu45.6%，且杂质总量为0.4%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂8克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到860℃，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
实施例三：包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为8.5%，加质量比0.23%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；其中的“/”是代表或的关系；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L为53mm；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度为0.9μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni14%，Zn9.5%，Mn25.5%，余量为Cu50.7%，且杂质总量为0.3%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂6克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到835℃，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
实施例四：包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为9%，加质量比0.25%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；其中的“/”是代表或的关系；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L为55mm；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度为0.8μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni15%，Zn10%，Mn26%，Cu48.6%，且杂质总量为0.4%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂7克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到842℃，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
实施例五：包括的步骤如下：
a）生产所述硬质合金条2的步骤；生产所述硬质合金条2时，钴粉质量占比为9.5%，加质量比0.27%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；其中的“/”是代表或的关系；
b）制作所述内部钢体1的步骤；
c）制作衬套5的步骤；
d）在所述内部钢体1的顶端焊接盖板4的步骤；
e）所述内部钢体1表面粘接硬质合金条2的步骤；硬质合金条2之间设有间隙；
f）将焊接了盖板4并粘接了硬质合金条2的内部钢体1装入衬套5的步骤；
所述内部钢体1上顶面与最上端的硬质合金条2之间的长度距离L为60mm；
g）所述硬质合金条2之间的间隙内填充碳化钨粉8的步骤；该步骤中，碳化钨粉8的晶粒度0.8μm；
h）向所述盖板4上方的衬套5内放入粘结合金6的步骤；所述粘结合金6包括的成分及重量百分比如下：Ni15.5%，Zn10.3%，Mn26.5%，Cu47.25%，且杂质总量为0.45%；
放入粘结合金6的同时，放入硼砂6.3克；
i）烧结的步骤；
在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
j）冷却的步骤；
在步骤i）中所述的出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到850℃，然后在空气中自然冷却至室温。
k）机加工步骤。
基于上述生产方法的一种硬质合金径向轴承体，包括内部钢体1、硬质合金条2、衬套5，还包括位于所述硬质合金条2之间间隙内的填充物，填充物包括碳化钨粉8、粘结合金6；其特征是：硬质合金条2中，钴粉质量占比为8-10%，加质量比0.2-0.3%的钽和/或铌稀有金属；其余是钨粉；粘结合金6包括的成分及重量百分比为：Ni13～16%，Zn9～11%，Mn25-27%，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5%。
下表1是改变前、后，硬质合金条的晶粒度、孔隙度、抗冲击强度和硬度的对比关系，表2是改变工艺后轴承内部钢体的硬度，由表中可以明显的直接的得出径向轴承在上述方法下的内部钢体硬度既得到了提高，合金又避免了裂纹的产生。
表1
表2
上述方法中，未详述的步骤与现有技术相同，本领域技术人员可直接根据现有技术进行实施。
Claims (2)
1.一种硬质合金径向轴承体的生产方法，所述的轴承体包括内部钢体、硬质合金条、衬套，还包括位于所述硬质合金条之间间隙内的填充物，填充物包括碳化钨粉、粘结合金；其特征是：该生产方法包括的步骤如下：
a)生产所述硬质合金条的步骤；生产所述硬质合金条时，钴粉质量占比为8-10％，加质量比0.2-0.3％的钽和/或铌；其余是钨粉；
b)制作所述内部钢体的步骤；
c)制作衬套的步骤；
d)在所述内部钢体的顶端焊接盖板的步骤；
e)所述内部钢体表面粘接硬质合金条的步骤；硬质合金条之间设有间隙；
f)将焊接了盖板并粘接了硬质合金条的内部钢体装入衬套的步骤；
所述内部钢体上顶面与最上端的硬质合金条之间的长度距离不小于45mm；
g)所述硬质合金条之间的间隙内填充碳化钨粉的步骤；该步骤中，碳化钨粉的晶粒度不大于1.0μm；
h)向所述盖板上方的衬套内放入粘结合金的步骤；所述粘结合金包括的成分及重量百分比如下：Ni13～16％，Zn9～11％，Mn25-27％，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5％；
放入粘结合金的同时，放入硼砂5-8克；
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在罩式炉内加热到1150℃，保温1.5小时后出炉；
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在步骤i)出炉后立即风冷，使轴承体2个小时内降温到830-860℃之间，然后在空气中自然冷却至室温；
k)机加工步骤。
2.基于权利要求1所述生产方法的一种硬质合金径向轴承体，包括内部钢体、硬质合金条、衬套，还包括位于所述硬质合金条之间间隙内的填充物，填充物包括碳化钨粉、粘结合金；其特征是：硬质合金条中，钴粉质量占比为8-10％，加质量比0.2-0.3％的钽和/或铌；其余是钨粉；粘结合金包括的成分及重量百分比为：Ni13～16％，Zn9～11％，Mn25-27％，余量为Cu，且杂质总量不大于0.5％。
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