CN1147781A - 底材的表面加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种底材的表面加工方法,它包括将表面材料的物体接合至底材上并用熔融的金属或粘合剂将所述物体周围的空间充填。
Description
本发明涉及一种底材的表面加工方法,更具体地说,涉及一种将硬的表面材料涂敷在底材上以提供一种改善了的耐磨或耐削表面的新颖方法。
业已知道,将硬的表面材料涂敷在易受磨损的组件、工具和机具的表面,可提高它们的耐磨性和耐削性。硬的表面材料的一个例子是碳化钨,可将它以一种已知的方法置于金属的表面并通过在表面喷镀金属层的方法将其固定在该位置上。碳化钨可以是小的不规则形状的灯形物或颗粒或是有时称作接头或插件的矩形块体。
宜将碳化钨块体以规则的图案放置在金属表面上,但迄今为止,在镀金属层时,尤其是在弯曲正面的金属底材时(如在将硬的表面材料涂敷在石油工业中使用的那种类型的钻杆的支脚上时),将块体固定显得十分困难。迄今为止,块体被以所要求方式置于粘膜带的面层上,与块体粘合的面层被翻转并被置于预加热过的底材的所需位置上。然后,将熔融的金属(如青铜合金)镀至块体表面,烫去膜带并将块体固定在所需位置上。但用该法固定的块体很容易掉落,至少几乎总会发生块体从所需位置上移动的情况。该方法要求很高的技术,并且由于为了能产生良好的粘合和避免喷镀过程中块体的移动,需要预加热金属底材至高温以使操作能迅速进行,因此,工作条件多少有些差强人意。
在本文引作参考的美国专利GB2133062号中,发明人公开了一种在工具的刀刃上形成耐磨表面的方法,它包括下述工序:将硬的耐磨材料插件插入刀刃的纵向工作面的凹槽中,并将物料加热至插件粘合在凹槽上。凹槽的加工当然是非常费钱和费时间的,并且需要将整个工具放置在一高温的烘箱中以得到所需的粘合,而这又要消耗很多能源。
在本文引作参考的英国专利GB1128880号中,发明人公开了一种将金属管接合至器壁上的方法,在该方法中,金属管被用点焊固定在器壁的适当位置上,然后用射枪喷射熔融的铝,这样,管的弧形表面和器壁之间的圆角区域被固化了的熔融铝所充填。管子表面上的镀层是连续的,其厚度可使其用作将热由器壁传向管子的通路。该专利并未涉及底材的表面硬化。
本发明者发现了一种将底材表面硬化的改良方法,它可克服现有方法的许多缺点。在该改良方法中,经过适当成形的硬质物体被接合在底材上,然后通过涂敷熔融的金属或粘合层而被固定在该位置上。
本发明的目的之一在于提供一种底材的表面加工方法,它包括将表面材料的物体与底材接合,并用熔融的金属或粘合剂填充物体周围的空间。
本发明可用于将各种表面材料涂敷在底材上,以生产例如刀刃或轴承,但尤其适于用硬的表面材料(如碳化钨)对金属部件进行表面硬化。当然,硬质表面材料一般比被涂敷的底材更硬和/或更耐磨。本文主要就这类硬质表面材料对本发明进行描述,但应明白,本发明还可用于涂敷具有其它有用性质(如滑移或摩擦特性)的表面材料而并不限于上述材料。
底材和表面材料物体最好都是导电性的,这样正如下面详述的,表面材料物体可通过电焊方法与底材接合。但这不是必需的,当表面材料物体和底材中的一个或两者是绝缘体(如陶瓷材料)时,可用粘合剂(如氰基丙烯酸酯类粘合剂)进行接合。
底材一般包括金属表面, 它可以是任何使用中受磨损的合适的部件、工具或机具等的表面。本发明尤其适于对钻孔技术中使用的钻杆的部件(如钻机支脚)的磨损面进行表面硬化。
表面材料的物体的导电性应在通常的电焊条件下,可使电焊电流穿过其厚度进行传导。
表面材料可以是诸如合金钢等硬金属或巴氏合金等轴承材料,但以具有典型耐磨性的硬金属(如碳化钨)为佳。表面材料可以以颗粒或不规则形状的灯形物的形式使用,但以成形块体、圆盘或其它规则几何形为佳。本发明尤其适用于碳化钨块体(有时称为接头或插件),其形状最好是矩形,例如,长度和宽度为1至100mm,厚度为1至20mm。
根据本发明的优选实施方式,将表面材料的物体用焊接方法与导电性底材接合,优选的焊接方法包括电焊,但在合适的情况下,也可使用摩擦焊或超声波焊。焊接方法当然可在室温下进行,在使用电焊时,只需要将导电性表面材料的物体置于导电性底材之上,例如将电焊机的电极接通在物体的上表面。通过物体的电流应足以将物体的下表面的部分熔合在底材上。虽然也可合适地使用常用的电焊条件,但典型的电焊条件是电压为约75伏,电流为约5000安培。
虽然焊接法或粘合剂可将表面材料的物体牢固地接合在底材上,但该接合一般不足以承受在使用中往往会经历的剪切力。基于此,在本发明的方法中,将物体周围的空间通过例如喷镀或沉积熔融的金属或使用粘合剂来填满,以使物体牢固地固定在底材上。
虽然粘合剂(如环氧树脂)的使用对各种低应力的应用(如使用巴氏合金导电轴承)是适合的,但它一般需要使用熔融的金属(例如焊接成分)以将表面材料的物体令人满意地进行固定。合适的熔融金属包括金属合金和铜焊组合物如镍青铜合金、银焊料、软焊料和镍铬硼合金。
虽然可将表面材料的物体分别涂敷在底材上,但根据本发明的优选方法是把许多物体配置在有孔的垫块或支承体上,这些垫块或支承体上的孔型与物体在底材上所需的相对位置对应。若使用焊接法,则垫块宜用绝缘材料制成,并且垫块还宜具有足够的挠性以与底材的形状贴合。适宜作垫块的材料包括绝缘的天然或合成橡胶组合物和硅橡胶,尤其是聚氨酯橡胶。宜将孔的形状加工成使物体在其中干涉配合,这样,可将物体保持在垫块的孔中进行传送。在该优选方法中,有物体置于其孔中的垫块被放置在底材的所需位置上,物体被垫块牢固地保持在所需的位置上,从而与底材接合。
若需要,当使用电焊法时,可在焊接前,用薄的可熔融的金属层将接触在一起的导电性底材和表面材料的物体中的一种或两者涂敷(最好是喷镀),以增强焊接的附着力。当在底材上涂敷时,金属层还有助于防止底材表面的氧化。金属层的厚度一般宜为0.1至10mm,合适的金属包括铜基合金、镍基合金和铁基合金。
接合后,将物体周围的空间用熔融的金属或粘合剂充填。在该工序中,宜将熔融的金属或粘合剂喷涂或涂敷至与表面材料的物体接合的底材上。这样,与底材表面接触在一起的物体的周围空间被熔融的金属或粘合剂充填。若需要,可将底材和表面材料的物体预加热至80℃-150℃左右。最好将熔融的金属或粘合剂喷涂在底材上,因为该工序很少会破坏底材和表面材料的物体之间的结合,但这不是必不可少的,也可使用其它沉积技术。当底材具有弯曲的表面时,为使底材和物体间仅保持点接触,从而在焊接工序中提供增强了的焊接,使用平直的(不是弯曲的)底面可能较好。物体正面的和物体与底材表面间的或相邻物体间的空隙将被喷涂的熔融金属或粘合剂充填,当使用熔融金属时,空隙被充填的点可通过观察喷涂过程中物体的颜色变化而很容易地加以确定。该变化系由物体温度的突然下降引起的,即,当空隙被充填时,形成了导热通道,这样底材起巨大散热体的作用,将热由物体导出。
用于将表面材料的物体固定在底材上的熔融金属或粘合剂层的厚度当然取决于物体的厚度,但一般为0.1至10mm。熔融的金属或粘合剂可用任何合适的喷涂或沉积设备进行喷涂或沉积。最好将熔融的金属或粘合剂涂敷成足够厚的涂层以完全覆盖表面材料的物体,不过这不是在所有情况下都是必须的。
在喷涂或沉积熔融金属层或粘合剂层后,若欲使表面材料的物体的顶面暴露,可对涂层的顶面进行加工或磨削。
本发明还可使各种表面材料的物体在底材的表面按预定方式排列,以取得最佳的耐磨性或切边、切面等。本发明既适用于新部件的表面加工,也适用于用旧了的部件的整修。
通过下面的实施例,更详细地说明本发明方法的实施方式。实施例
本实施例描述如何应用本发明方法对钻杆支脚进行表面硬化处理。
待进行表面硬化处理的钻杆支脚的直径为30.5cm。首先,在边长为13mm、厚为3mm的矩形碳化钨块体的主面喷涂0.25mm厚的镍铬硼合金层。
然后使喷涂过的面朝下,将碳化钨块体置于聚氨酯橡胶的有孔垫块的孔中,所述孔被成形成可使块体在其中干涉配合。垫块为矩形,边长为10cm×15cm,厚为3mm,具有10至1000个用于容纳碳化钨块体的孔。
接着将挠性的垫块放置在支脚的曲面上,于是,垫块贴合在支脚面上,并同时将碳化钨块体保持在所需位置上。然后通过使用电焊机将块体分别焊接在支脚面上, 电焊机的操作参数设置为电压75伏,电流5000安培。
将块体焊接至支脚的表面上后,除去垫块,将支脚加热至80-150℃,并用镍铬硼合金预喷涂至0.25mm厚。然后将支脚进一步加热至250-400℃,再用镍铬硼合金喷涂整个面,并使合金在1050℃熔融直至形成3.5mm厚的合金层。由于物体是平面的,它们仅与支脚曲面保持点接触,从而提高了焊接效率。物体下面的基本上为三角形的间隙在熔融金属的熔入过程中,被熔融金属充填。如前面所述,空隙被充填的终点可通过碳化钨物体的颜色变化而容易地加以确定,当然从碳化钨物体传至起散热体作用的支脚时,碳化钨物体会变成深红色。
当形成了3.5mm厚的合金层后,中止喷涂。
图1显示了喷涂工序完毕后的、穿过许多碳化钨物体的截面和部分相邻的支脚面,其中1是碳化钨物体,2是支脚面,3是喷涂上去的熔融金属,4是焊接点。
在最后的加工工序中,研磨喷涂上去的金属层表面,以露出碳化钨物体的顶面。
读者应注意与本说明书同时提出的所有相关文献,所有这些文献的内容在本文中引作参考并已公开,供公众阅读本文时使用。
本说明书(包括附后的权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征和/或随之公开的所有步骤或方法和工序可任意组合,但那些特征和/或步骤的某些部分会互相排斥的组合除外。
本说明书(包括附后的权利要求书、摘要和附图)中公开的各特征可用具有相同、相等或相似作用的其它特征替换,除非另有说明。因此,除非另有说明,本文中公开的各特征只是一系列相等或相似特征中的一个例子。
本发明并不受上述实施方式中的具体内容的限制。本发明包括本说明书(包括附后的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的新的任何一个或新的任何组合以及随之公开的任何方法或工序中的步骤的新的任何一个或新的任何组合。
Claims (20)
1.一种底材的表面加工方法,它包括将表面材料的物体接合至底材上,并用熔融的金属或粘合剂将所述物体周围的空间充填。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述底材和表面材料的物体是导电性的。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,通过焊接将表面材料的物体接合至底材上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述底材包括钻杆部件的磨损面。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法,其特征在于,所述表面材料包括碳化钨。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述表面材料是矩形块体、圆盘或其它规则的几何形。
7.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述焊接包括电焊。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法,其特征在于,所述熔融金属包括铜焊组合物。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述铜焊组合物包括镍铬硼合金。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法,其特征在于,将许多物体配置在有孔的垫块或支承体上,所述垫块或支承体上的孔型与物体在底材上所需的相对位置对应。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述垫块或支承体由挠性绝缘体制成。
12.如权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述垫块或支承体由聚氨酯橡胶制成。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法,其特征在于,将所述孔的形状加工成使所述物体在其中干涉配合,这样,可将物体保持在垫块的孔中进行传送。
14.如权利要求10至13中任一项所述的方法,其特征在于,在用垫块将所述物体保持在所需位置上时,使该物体与底材接合。
15.如权利要求3所述的方法,其特征在于,在进行焊接工序之前,在接触在一起的导电性底材的表面和表面材料的物体表面中的至少一个表面喷镀薄的可熔融的金属层,以提高焊接的附着力。
16.如权利要求1至15中任一项所述的方法,其特征在于,将熔融金属或粘合剂喷镀或涂布在与表面材料的物体接合的底材上。
17.如权利要求1至16中任一项所述的方法,其特征在于,用于将表面材料的物体固定在底材上的熔融金属或粘合剂的涂层厚度为0.1至10mm。
18.如权利要求1至17中任一项所述的方法,其特征在于,与实施例中描述的实质上相同。
19.如权利要求1至18中任一项所述的方法,其特征在于,与本文前面描述的实质上相同。
20.通过权利要求1至19中任一项所述的方法制得的具有硬表面的底材。
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