CN108103379B - 一种高耐磨性tc轴承及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨性tc轴承及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高耐磨性TC轴承及其制备方法，所述TC轴承由上TC动套、上TC静套、下TC动套和下TC静套4件轴承组成，每件轴承包括圆筒状的42CrMo基体，在圆筒状的基体内表面或外表面有一层表面硬化层，所述表面硬化层以单层等间距均匀排布的圆片状的硬质合金块为骨架、胎体粉为粘结相、硬质合金球粒为胎体粉强化相，经烧结得到。本发明提供的高耐磨性TC轴承表面包覆一层表面硬化层，该表面硬化层与TC轴承基体结合牢固，并且耐磨性好(按B611‑85标准：转速100rpm，砂浆比4：1，转数50转条件下磨损量仅为0.90g)，试制的TC轴承产品使用寿命长，在焦页184井一次下井使用136小时，使用正常，仍可二次下井使用。

Description

一种高耐磨性TC轴承及其制备方法
技术领域
本发明属于石油钻探动力钻具领域，具体涉及一种用于螺杆钻具的高耐磨性TC轴承及其制备方法。
背景技术
TC轴承是螺杆钻具关键零部件之一，主要起扶正传动轴作用，故又称径向扶正轴承。TC轴承主要由动套与静套组成，动套固定在传动轴上，静套则与传动轴壳体连接，动套与静套形成一定的间隙，便于泥浆通过，进行冷却与润滑。TC轴承工作时，主要承受泥浆流体的冲刷、泥浆砂粒的磨粒磨损以及施加侧向载荷的作用，因此，TC主要失效状态有两种：其一，磨损和胎体粘结相冲蚀；其二，因侧向载荷作用使动套和静套接触面承受热疲劳而导致合金块的龟裂和脱落。
目前常用的TC轴承为烧结的条块式TC轴承，这类TC轴承的合金块为长条矩形，烧结时，合金块尖角处易因热应力集中而产生裂纹，产生质量隐患。同时，由于合金块长宽比大（长宽比：约4：1），合金块受到应力作用更容易断裂。另外，这类TC轴承的胎体粘结相往往采用几何铸造碳化钨+铜合金，胎体粘结相整体硬度低、耐磨性差，防冲蚀性不良，在高应力状态或工况复杂的条件下难以满足使用要求，经常出现胎体超前磨损和冲蚀现象，进而恶化周围合金块的环境，加快合金块的失效。国内外很多专家对TC轴承进行了深入研究，希望改善TC轴承的性能。董太尚等人在发明专利CN103388145A中介绍了一种在堆焊硬面层中添加金刚石粉末的TC轴承及制造方法，但金刚石粉末与硬面层相容性不佳，造成金刚石容易脱落。因此，开发一种耐磨性优良、防冲蚀性好、使用寿命长的TC轴承具有重大现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高耐磨性TC轴承及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种高耐磨性TC轴承，所述TC轴承由上TC动套、上TC静套、下TC动套和下TC静套4件轴承组成，其特征在于：每件轴承包括圆筒状的42CrMo基体，在圆筒状的基体内表面或外表面（静套为内表面，动套为外表面）有一层表面硬化层，所述表面硬化层以单层等间距均匀排布的圆片状的硬质合金块为骨架、胎体粉为粘结相、硬质合金球粒为胎体粉强化相，经烧结得到。
优选的是，所述表面硬化层厚度为3.5~5.5mm。
按上述方案，所述圆片状的硬质合金块直径为3~8mm，高度为3~5mm，圆片状的硬质合金块在圆筒状的基体表面的覆盖率为55~65%，硬质合金块中钴含量4~8%，碳化钨含量92~96%。
按上述方案，所述硬质合金球粒粒径为0.75~1.0mm，硬质合金球粒中钴含量4~6%，碳化钨含量94~96%。
按上述方案，所述硬质合金球粒与胎体粉质量比为0.4~1：1。
按上述方案，所述胎体粉由球形烧结碳化钨和球形铸造碳化钨组成，其中球形烧结碳化钨粒度为60~100目，球形铸造碳化钨粒度为80~200目，所述球形烧结碳化钨与球形铸造碳化钨质量比为2：8~8：2。
按上述方案，所述烧结工艺条件为：于1100~1200℃烧结2~3小时。
本发明还提供上述高耐磨性TC轴承的制备方法，其具体步骤如下：在纸张上设计出硬质合金块的安装位置，然后将硬质合金块均匀粘贴在纸张上，再将纸张贴于钢模具内壁，在钢模具与圆筒状基体组合后形成的间隙中装入混有硬质合金球粒的胎体粉，并在其上装填粘结金属和助渗剂，组装好后将组装好的工件置于烧结炉中烧结，出炉冷却后再经过后续机加工即得到TC轴承。
优选的是，所述粘结金属为铜镍锰锌合金；所述助渗剂为硼砂。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的高耐磨性TC轴承表面包覆一层表面硬化层，该硬化层以高硬度的硬质合金块作为耐磨骨架，以高强度硬质合金球粒作为粘结相强化相，能显著提高硬化层的强度和耐磨性（按B611-85标准：转速100rpm，砂浆比4：1，转数50转条件下磨损量仅为0.90g）。
2、本发明提供的高耐磨性TC轴承硬化层的胎体粉选用球形烧结碳化钨和球形铸造碳化钨，胎体粘结相的整体硬度和整体强度都有显著提高，硬度可达HRC52，抗弯强度可达800MPa。
3、本发明提供的高耐磨性TC轴承硬化层选用等间距均匀交错排列的硬质合金块抗冲蚀性能好，可有效避免传统条块式TC轴承由于合金块之间胎体粘结相无合金块覆盖造成的抗冲蚀性差的弊端。
4、按照所选用的材料及制备方法试制的TC轴承产品使用寿命长，在焦页184井一次下井使用136小时，使用正常，仍可二次下井重复使用。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的硬质合金球与胎体粉成球形貌图；
图2为实施例1所制备的胎体粘结相的金相结构图；
图3为实施例1所制备的硬质合金块布置图；
图4为实施例2所设计的硬质合金块布置图；
图5为实施例1粘贴的硬质合金块示意图；
图6为实施例1所制备的试制的圆片式TC轴承形貌。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制备高耐磨性TC轴承，具体步骤如下：
按图纸要求加工TC轴承钢基体（42CrMo）和钢模具（45#钢），在纸上设计好硬质合金块布置方式（如图3所示），将硬质合金块用502胶粘贴在事先设计好的纸上（图5），并将该纸贴在钢模具内壁（圆片状的硬质合金块在圆筒状的基体表面的覆盖率为65%），硬质合金块钴含量为6%，碳化钨含量为94%，尺寸为Φ5×3mm；将钢模具套在钢基体上，将两者接触下端焊牢，并在钢基体上端口焊上钢盖（防止后续铜合金流失），钢基体与钢模具形成一定的间隙（3.5mm）；分别称取3公斤的60~100目球形烧结碳化钨和3公斤80~200目球形铸造碳化钨在“V”型混料机中进行充分混合得到球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料（至少混合1小时以上），取出备用；称取0.75公斤钴含量4%，碳化钨含量为96%，粒径0.8mm的硬质合金球粒置于不锈钢碗中，用无水乙醇润湿合金球粒，并称取0.75公斤的球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料加入其中，不停搅拌，直至粉料包裹在合金球的表面，硬质合金球与胎体粉成球形貌图如图1所示；将成球颗粒缓慢倒入钢基体与钢模具形成的间隙中，边倒边振动，使成球颗粒填满间隙，并充分振动密实；在粉料上面放置2.5公斤的铜合金（铜、镍、锰、锌）和0.25公斤助熔剂（俗称“硼砂”）；将装满物料的钢模置于烧结炉中进行烧结，烧结温度1100~1200℃、保温时间2小时；出炉冷却，并按图纸要求进行粗车、精车、粗磨和精磨，即可得到高耐磨性TC轴承成品，成品照片见图6所示。
本实施例制备的TC轴承成品胎体粘结相的金相结构图如图2所示，有图中可以看出其含有硬质合金球粒、球形烧结碳化钨和球形铸造碳化钨。
经测试，本实施例制备的TC轴承成品的硬度可达HRC52，抗弯强度可达800MPa。
测试其磨损性能，按B611-85标准：转速100rpm，砂浆比4：1，转数50转条件下磨损量仅为0.90g。
将本实施例制备的TC轴承成品在焦页184井一次下井使用136小时，使用正常，仍可二次下井重复使用。
实施例2
制备高耐磨性TC轴承，具体步骤如下：
按图纸要求加工TC轴承钢基体（42CrMo）和钢模具（45#钢），按图4所示在纸上设计好硬质合金块布置方式，将硬质合金块用502胶粘贴在事先好设计纸上，并将该纸贴在钢模具内壁，硬质合金块钴含量为6%，碳化钨含量为94%，尺寸为Φ5×3mm；将钢模具套在钢基体上，将两者接触下端焊牢，并在钢基体上端口焊上钢盖（防止后续铜合金流失），钢基体与钢模具形成一定的间隙（4.5mm）；分别称取1.5公斤的60~100目球形烧结碳化钨和4.5公斤80~200目球形铸造碳化钨在“V”型混料机中进行充分混合得到球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料（至少混合1小时以上），取出备用；称取0.75公斤钴含量4%，碳化钨含量为96%，粒径0.8mm的硬质合金球粒置于不锈钢碗中，用无水乙醇润湿合金球粒，并称取1公斤的球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料加入其中，不停搅拌，直至粉料包裹在合金球的表面；将成球颗粒缓慢倒入钢基体与钢模具形成的间隙中，边倒边振动，使成球颗粒填满间隙，并充分振动密实；在粉料上面放置2.5公斤的铜合金（铜、镍、锰、锌）和0.25公斤助熔剂（俗称“硼砂”）；将装满物料的钢模置于烧结炉中进行烧结，烧结温度1100~1200℃、保温时间2小时；出炉冷却，并按图纸要求进行粗车、精车、粗磨和精磨，即可得到高耐磨性TC轴承成品。
本实施例所述高耐磨性TC轴承成品测试性能与实施例1相似。
实施例3
制备高耐磨性TC轴承，具体步骤如下：
按图纸要求加工TC轴承钢基体（42CrMo）和钢模具（45#钢），按图3所示在纸上设计好硬质合金块布置方式，将硬质合金块用502胶粘贴在事先好设计纸上，并将该纸贴在钢模具内壁，硬质合金块钴含量为6%，碳化钨含量为94%，尺寸为Φ5×3mm；将钢模具套在钢基体上，将两者接触下端焊牢，并在钢基体上端口焊上钢盖（防止后续铜合金流失），钢基体与钢模具形成一定的间隙（5mm）；分别称取4.5公斤的60~100目球形烧结碳化钨和1.5公斤80~200目球形铸造碳化钨在“V”型混料机中进行充分混合得到球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料（至少混合1小时以上），取出备用；称取0. 5公斤钴含量4%，碳化钨含量为96%，粒径0.8mm的硬质合金球粒置于不锈钢碗中，用无水乙醇润湿合金球粒，并称取0.75公斤的球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料加入其中，不停搅拌，直至粉料包裹在合金球的表面；将成球颗粒缓慢倒入钢基体与钢模具形成的间隙中，边倒边振动，使成球颗粒填满间隙，并充分振动密实；在粉料上面放置2.5公斤的铜合金（铜、镍、锰、锌）和0.25公斤助熔剂（俗称“硼砂”）；将装满物料的钢模置于烧结炉中进行烧结，烧结温度1100℃~1200℃、保温时间2小时；出炉冷却，并按图纸要求进行粗车、精车、粗磨和精磨，即可得到高耐磨性TC轴承成品。
本实施例所述高耐磨性TC轴承成品测试性能与实施例1相似。
实施例4
制备高耐磨性TC轴承，具体步骤如下：
按图纸要求加工TC轴承钢基体（42CrMo）和钢模具（45#钢），按图3所示在纸上设计好硬质合金块布置方式，将硬质合金块用502胶粘贴在事先好设计纸上，并将该纸贴在钢模具内壁，硬质合金块钴含量为6%，碳化钨含量为94%，尺寸为Φ5×3mm；将钢模具套在钢基体上，将两者接触下端焊牢，并在钢基体上端口焊上钢盖（防止后续铜合金流失），钢基体与钢模具形成一定的间隙（5.5mm）；分别称取2公斤的60~100目球形烧结碳化钨和4公斤80~200目球形铸造碳化钨在“V”型混料机中进行充分混合得到球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料（至少混合1小时以上），取出备用；称取0.6公斤钴含量4%，碳化钨含量为96%，粒径0.8mm的硬质合金球粒置于不锈钢碗中，用无水乙醇润湿合金球粒，并称取0.9公斤的球形烧结碳化钨和铸造碳化钨的混合料加入其中，不停搅拌，直至粉料包裹在合金球的表面；将成球颗粒缓慢倒入钢基体与钢模具形成的间隙中，边倒边振动，使成球颗粒填满间隙，并充分振动密实；在粉料上面放置2.5公斤的铜合金（铜、镍、锰、锌）和0.25公斤助熔剂（俗称“硼砂”）；将装满物料的钢模置于烧结炉中进行烧结，烧结温度1100~1200℃、保温时间2小时；出炉冷却，并按图纸要求进行粗车、精车、粗磨和精磨，即可得到高耐磨性TC轴承成品。
本实施例所述高耐磨性TC轴承成品测试性能与实施例1相似。

Claims (3)

1.一种高耐磨性TC轴承，所述TC轴承由上TC动套、上TC静套、下TC动套和下TC静套4件轴承组成，其特征在于：每件轴承包括圆筒状的42CrMo基体，在圆筒状的基体内表面或外表面有一层表面硬化层，所述表面硬化层以单层等间距均匀排布的圆片状的硬质合金块为骨架、胎体粉为粘结相、硬质合金球粒为胎体粉强化相，经烧结得到；
所述圆片状的硬质合金块直径为3~8mm，高度为3~5mm，圆片状的硬质合金块在圆筒状的基体表面的覆盖率为55~65%，硬质合金块中钴含量4~8%，碳化钨含量92~96%；
所述硬质合金球粒粒径为0.75~1.0mm，硬质合金球粒中钴含量4~6%，碳化钨含量94~96%；
所述胎体粉由球形烧结碳化钨和球形铸造碳化钨组成，其中球形烧结碳化钨粒度为60~100目，球形铸造碳化钨粒度为80~200目，所述球形烧结碳化钨与球形铸造碳化钨质量比为2：8~8：2；
所述硬质合金球粒与胎体粉质量比为0.4~1：1；
所述烧结工艺条件为：于1100~1200℃烧结2~3小时；
所述高耐磨性TC轴承的制备方法步骤如下：在纸张上设计出硬质合金块的安装位置，然后将硬质合金块均匀粘贴在纸张上，再将纸张贴于钢模具内壁，在钢模具与圆筒状基体组合后形成的间隙中装入混有硬质合金球粒的胎体粉，并在其上装填粘结金属和助渗剂，组装好后将组装好的工件置于烧结炉中烧结，出炉冷却后再经过后续机加工即得到TC轴承；
所述粘结金属为铜镍锰锌合金；所述助渗剂为硼砂。
2.根据权利要求1所述的高耐磨性TC轴承，其特征在于：所述表面硬化层厚度为3.5~5.5mm。
3.一种权利要求1或2所述的高耐磨性TC轴承的制备方法，其特征在于步骤如下：在纸张上设计出硬质合金块的安装位置，然后将硬质合金块均匀粘贴在纸张上，再将纸张贴于钢模具内壁，在钢模具与圆筒状基体组合后形成的间隙中装入混有硬质合金球粒的胎体粉，并在其上装填粘结金属和助渗剂，组装好后将组装好的工件置于烧结炉中烧结，出炉冷却后再经过后续机加工即得到TC轴承。
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