CN113217532B - 一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法，其包括：第一轴，所述第一轴的一端具有止推面；第二轴，其位于所述第一轴的一侧，且所述第二轴的一端与所述止推面连接；所述第一轴的外表面、所述第二轴的外表面和所述止推面均固设有金属强化层，且所述金属强化层的材料包括碳化钨。本发明涉及的一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法，由于在第一轴的外表面、第二轴的外表面和止推面上均固设了金属强化层，且金属强化层的材料中含有碳化钨，碳化钨硬质材料的加入，可以起到较好的耐磨及支撑作用，有效提高了第一轴、第二轴以及止推面的表面硬度及支撑性能，使轴承的耐磨性能及承载能力明显提高。

Description

一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法
技术领域
本发明涉及石油钻探工具技术领域，特别涉及一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法。
背景技术
目前，石油、矿山钻头一般由牙轮、牙掌和钻头体组成，在混合钻头中还包含金刚石切削结构；其中，牙轮和牙掌通过轴承锁紧连接，同时，在钻进地层的过程中，随着钻头体的旋转，牙轮也围绕钻头轴承旋转，从而带动牙轮外部切削齿切削地层，来达到钻进地层的目的。
相关技术中，一般的钻头轴承通常是采用渗碳和淬火的方式使轴承表面形成一层硬化层，硬化层的厚度较薄，通常只有2mm左右，且轴承的芯部硬度较低，在钻压较高或钻遇较硬地层情况时，硬化层会迅速磨损，导致轴承磨损过度，使钻头提前失效。
因此，有必要设计一种新的高承载及高耐磨性能的轴承，以克服上述问题。
发明内容
本发明实施例提供一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法，以解决相关技术中在钻压较高或钻遇较硬地层情况时，轴承表面的硬化层会迅速磨损，导致轴承磨损过度，使钻头提前失效的问题。
第一方面，提供了一种高承载及高耐磨性能的轴承，其包括：第一轴，所述第一轴的一端具有止推面；第二轴，其位于所述第一轴的一侧，且所述第二轴的一端与所述止推面连接；所述第一轴的外表面、所述第二轴的外表面和所述止推面均固设有金属强化层，且所述金属强化层的材料包括碳化钨。
一些实施例中，所述碳化钨为单晶碳化钨，且所述碳化钨的粒径为10～100μm。
一些实施例中，所述碳化钨在所述金属强化层中的重量含量为5％～30％。
一些实施例中，所述金属强化层的材料还包括合金焊粉，所述合金焊粉的组分按重量百分比包括：铬30～34％，钨14～20％，镍2～3％，碳3.2～3.6％，其余为钴。
一些实施例中，所述合金焊粉的粒径为50～150μm。
一些实施例中，所述合金焊粉与所述碳化钨形成的混合料的流速小于或者等于15s/50g，松装密度大于或者等于4.3g/cm3，熔点为1200～1300℃。
第二方面，提供了一种上述的轴承的加工方法，其包括以下步骤：将含有碳化钨的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴的外表面、所述第二轴的外表面和所述止推面形成所述金属强化层。
一些实施例中，在进行堆焊的过程中，起弧电流的范围为20～140A，稳定电流的范围为20～100A。
一些实施例中，在进行堆焊的过程中，送粉速度的范围为13～17g/min，工作电压为24～30V。
一些实施例中，在将含有碳化钨的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴的外表面、所述第二轴的外表面和所述止推面形成所述金属强化层之前，还包括：对所述第一轴、所述第二轴和所述止推面进行预热，其中，预热温度为300～400℃，预热时间为30min。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法，由于在第一轴的外表面、第二轴的外表面和止推面上均固设了金属强化层，且金属强化层的材料中含有碳化钨，碳化钨硬质材料的加入，可以起到较好的耐磨及支撑作用，有效提高了第一轴、第二轴以及止推面的表面硬度及支撑性能，使轴承的耐磨性能及承载能力明显提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高承载及高耐磨性能的轴承的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高承载及高耐磨性能的轴承的剖视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高承载及高耐磨性能的轴承的金属强化层的微观放大示意图。
图中：
1、轴承；11、第一轴；12、第二轴；13、止推面；14、金属强化层；
2、牙掌；3、牙轮；4、镶套结构；5、碳化钨。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种高承载及高耐磨性能的轴承及其加工方法，其能解决相关技术中在钻压较高或钻遇较硬地层情况时，轴承表面的硬化层会迅速磨损，导致轴承磨损过度，使钻头提前失效的问题。
参见图1和图3所示，为本发明实施例提供的一种高承载及高耐磨性能的轴承1，其可以包括：第一轴11，所述第一轴11的一端可以具有止推面13；以及第二轴12，其位于所述第一轴11的一侧，且所述第二轴12的一端与所述止推面13连接，本实施例中，第一轴11的直径大于第二轴12的直径，且第一轴11和第二轴12一体成型；所述第一轴11的外表面、所述第二轴12的外表面和所述止推面13上均可以固设有金属强化层14，且所述金属强化层14的材料包括碳化钨5，本实施例中，金属强化层14可以通过等离子转移弧技术堆焊于第一轴11、第二轴12和止推面13的表面，也可以通过其他固定方式固定在第一轴11、第二轴12和止推面13的表面，由于金属强化层14中含有碳化钨5，碳化钨5硬质材料的加入，使得金属强化层14中形成碳化钨5硬质相，在轴承1在转动过程中可以起到较好的耐磨及支撑作用，改善轴承1整体耐磨性能及承载能力。
参见图1和图3所示，在一些实施例中，所述碳化钨5优选为单晶碳化钨5，且所述碳化钨5的粒径优选为10～100μm，使得碳化钨5可以在金属强化层14中分布均匀，有效避免碳化钨5在金属强化层14中分布不均匀而导致碳化钨5颗粒出现偏聚。
参见图1和图3所示，在一些可选的实施例中，所述碳化钨5在所述金属强化层14中的重量含量为5％～30％，通过选择合适含量的碳化钨5，可以有效避免碳化钨5的添加量太少，而导致对金属强化层14的耐磨性能提高不明显的问题；同时，能够避免碳化钨5的添加量过多，而导致大大降低金属强化层14的韧性，甚至出现裂纹和剥落以及强度不足的问题。
参见图1和图3所示，在一些实施例中，所述金属强化层14的材料还可以包括合金焊粉，所述合金焊粉的组分按重量百分比可以包括：铬30～34％，钨14～20％，镍2～3％，碳3.2～3.6％，其余为钴，其中钴的含量最高，使得合金焊粉的具有较高的强度和优异的抗腐蚀性能。
参见图1和图3所示，在一些可选的实施例中，所述合金焊粉的粒径优选为50～150μm，保证合金焊粉的粒径与碳化钨5的粒径相差不大，避免合金焊粉和碳化钨5颗粒的混合料在焊接至轴承1表面的过程中碳化钨5颗粒发生沉降，从而导致碳化钨5颗粒在金属强化层14中分布不均匀。
参见图1所示，在一些实施例中，所述合金焊粉与所述碳化钨5形成的混合料的流速可以小于或者等于15s/50g，混合料的松装密度可以大于或者等于4.3g/cm3，混合料的熔点优选为1200～1300℃，其中，混合料的流速是混合料本身的物理性能，其是指通过特定的方法测量混合料的流动性，松装密度是指混合料在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即混合料松散填装时单位体积的质量，通过将混合料的流速、松装密度以及熔点设置在合适的范围内，保证金属强化层14达到较好的性能效果。
参见图1所示，本实施例中，第一轴11和第二轴12的侧面均设有凹槽，在所述凹槽内进行堆焊，并加工磨平后形成所述金属强化层14，使得第一轴11上的所述金属强化层14的外表面与第一轴11的侧面齐平，第二轴12上的所述金属强化层14的外表面与第二轴12的侧面齐平，第一轴11靠近第二轴12的一端也设有凹槽，使得在凹槽内堆焊形成金属强化层14后，金属强化层14的表面与止推面13齐平，第一轴11上的金属强化层14沿圆周方向的长度可以占整个第一轴11外侧面长度的三分之一，在第一轴11需要受径向力的部位设置金属强化层14，而不受径向力的部位可以不设置金属强化层14，使得金属强化层14的利用率达到最高，避免浪费材料，而第一轴11的外侧面和止推面13上可以全部设置金属强化层14。
参见图1和图2所示，本实施例中，轴承1可以与钻头的牙掌2一体成型，牙掌2的一端与钻头体焊接固定，牙轮3通过其上的轴孔安装于轴承1上，且轴孔与轴承1之间可以设置镶套结构4，第一轴11的直径优选54mm，金属强化层14的厚度优选2mm，碳化钨5在金属强化层14中的重量含量优选15％，碳化钨5与合金粉料至少采用混料机混合2h以上，本实施例形成的轴承1与牙轮3高耐磨镶套结构4所形成轴承1副在300rpm转速下，能够承载150KN以上，使用寿命超过150h，轴承1无明显磨损，可用于长寿命石油钻头；在其他实施例中，金属强化层14中的碳化钨5的重量含量优选10％，轴承1与牙轮3轴孔渗碳表面所形成轴承1副在300rpm转速下，能够承载100KN以上，使用寿命达到120h，轴承1无明显磨损，可用于中端经济型石油钻头。
本发明实施例还提供了一种上述的轴承1的加工方法，其可以包括以下步骤：将含有碳化钨5的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴11的外表面、所述第二轴12的外表面和所述止推面13形成所述金属强化层14，本实施例中，在进行堆焊之前，可以先在第一轴11的外侧面、第一轴11靠近第二轴12一侧的端面、以及第二轴12的外侧面加工凹槽，凹槽的深度范围为1～5mm，使得金属强化层14可以堆焊于凹槽中，并且，金属强化层14的厚度与凹槽的深度相同，本实施例中，金属强化层14的厚度优选2mm，在其他实施例中，金属强化层14也可以凸出于第一轴11和第二轴12的表面，也可以不在第一轴11和第二轴12的表面设置凹槽，设置于轴承1上的所述金属强化层14的硬度范围为58～63HRC，以便轴承1加工形成后达到较好的工艺及性能效果。
在一些实施例中，在将含有碳化钨5的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴11的外表面、所述第二轴12的外表面和所述止推面13形成所述金属强化层14之前，还可以包括：对所述第一轴11、所述第二轴12和所述止推面13进行预热，其中，预热温度为300～400℃，预热时间为30min，避免堆焊过程中金属强化层14开裂。
在一些可选的实施例中，在进行堆焊的过程中，起弧电流的范围可以为20～140A，稳定电流的范围可以为20～100A，针对本发明实施例提供的粉料，采用较适配的电流范围，能够保证本发明实施例提供的粉料堆焊形成的金属强化层14具有优良的硬度及耐磨性能。
在一些实施例中，在进行堆焊的过程中，送粉速度的范围优选为13～17g/min，工作电压优选为24～30V，并且可以通过设备来控制其工作电压，通过设定与本发明实施例的粉料相适配的送粉速度和工作电压，使粉料能够均匀的焊接固定在轴承1的表面。
进一步，在堆焊完成之后，可以采用保温材料包覆轴承1，对轴承1进行保温措施，通过优化等离子堆焊工艺，优化添加量，并同时采取保温措施，可以避免金属强化层14开裂、剥落。
本发明实施例提供的一种高承载及高耐磨性能的轴承1及其加工方法的原理为：
由于在第一轴11的外表面、第二轴12的外表面和止推面13上均固设了金属强化层14，且金属强化层14的材料中含有碳化钨5，碳化钨5硬质材料的加入，可以起到较好的耐磨及支撑作用，有效提高了第一轴11、第二轴12以及止推面13的表面硬度及支撑性能，使轴承1的耐磨性能及承载能力明显提高；碳化钨5粉末的加入能避免轴承1表面的金属强化层14与牙轮3轴孔发生粘着损坏，钻头在工作时性能更加稳定；该轴承1特别适合用于石油钻井、矿山开采等高承载工具及设备，其使用寿命更长。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种高承载及高耐磨性能的轴承的加工方法，所述轴承包括：
第一轴(11)，所述第一轴(11)的一端具有止推面(13)；
第二轴(12)，其位于所述第一轴(11)的一侧，且所述第二轴(12)的一端与所述止推面(13)连接；
所述第一轴(11)的外表面、所述第二轴(12)的外表面和所述止推面(13)均堆焊有金属强化层(14)，且所述金属强化层(14)的材料包括碳化钨(5)；
所述碳化钨(5)为单晶碳化钨(5)，且所述碳化钨(5)的粒径为10～100μm；所述碳化钨(5)在所述金属强化层(14)中的重量含量为5％～30％；
所述金属强化层(14)的材料还包括合金焊粉，所述合金焊粉的粒径为50～150μm；所述合金焊粉的组分按重量百分比包括：铬30～34％，钨14～20％，镍2～3％，碳3.2～3.6％，其余为钴；
所述第一轴(11)和所述第二轴(12)的侧面均设有凹槽，在所述凹槽内进行堆焊，并加工磨平后形成所述金属强化层(14)，使得第一轴(11)上的所述金属强化层(14)的外表面与第一轴(11)的侧面齐平，所述第二轴(12)上的所述金属强化层(14)的外表面与第二轴(12)的侧面齐平，所述第一轴(11)靠近第二轴(12)的一端也设有凹槽，使得在凹槽内堆焊形成金属强化层(14)后，金属强化层(14)的表面与止推面(13)齐平；
其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：
对所述第一轴(11)、所述第二轴(12)和所述止推面(13)进行预热，其中，预热温度为300～400℃；
将含有碳化钨(5)的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴(11)的外表面、所述第二轴(12)的外表面和所述止推面(13)形成所述金属强化层(14)；
采用保温材料包覆所述轴承(1)，对所述轴承(1)进行保温。
2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于：
所述合金焊粉与所述碳化钨(5)形成的混合料的流速小于或者等于15s/50g，松装密度大于或者等于4.3g/cm3，熔点为1200～1300℃。
3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于：
在进行堆焊的过程中，起弧电流的范围为20～140A，稳定电流的范围为20～100A。
4.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于：
在进行堆焊的过程中，送粉速度的范围为13～17g/min，工作电压为24～30V。
5.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于：在将含有碳化钨(5)的粉料采用等离子堆焊方法分别堆焊于所述第一轴(11)的外表面、所述第二轴(12)的外表面和所述止推面(13)形成所述金属强化层(14)之前，还包括：
对所述第一轴(11)、所述第二轴(12)和所述止推面(13)进行预热，其中，预热温度为300～400℃，预热时间为30min。
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