CN116677712A - 一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,属于油气钻井领域,在金刚石止推轴承上下摩擦副中的每一片脱钴聚晶金刚石复合片表面形成有由相交的第一沟槽和第二沟槽构成仿贝壳条纹表面织构;将脱钴与表面仿生织构在金刚石止推轴承表面相结合,从而使金刚石止推轴承具有减阻润滑的低摩擦系数和低磨损率的特性,在复杂钻井工况下具有容纳和排除磨屑及岩屑、增加润滑液膜厚度以避免摩擦副直接接触、降低表面温度、提高耐热性和润滑的作用,减缓了金刚石止推轴承的聚晶金刚石复合片表面因机械磨损和热磨损而造成的金刚石止推轴承失效,提高了金刚石止推轴承的寿命,提高了钻具工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于油气钻井领域,具体地,涉及一种油气钻井钻具用具有表面织构的金刚石止推轴承。
背景技术
金刚石止推轴承用于螺杆钻具、涡轮钻具和旋转导向钻具,是井下钻具的关键部件之一。在高荷载、高转速以及钻井液中岩屑颗粒的多重作用下,金刚石止推轴承容易因发生机械磨损和热磨损而导致失效,由此钻井行业面临金刚石止推轴承寿命低,钻井时需要频繁起下钻具以更换金刚石止推轴承,以及金刚石止推轴承故障导致的振动、效率低、断轴、轴机械密封损坏等不利影响。金刚石止推轴承的可靠性和寿命已经成为制约井下钻具发展的关键所在。
发明内容
针对现有金刚石止推轴承存在的问题,本发明的目的是提供了一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,在降低机械磨损和热磨损失效的同时,还能够使金刚石止推轴承具有减阻润滑的能力,从而提高金刚石止推轴承的寿命和可靠性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:本发明提出了一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,在金刚石止推轴承上下摩擦副中的每一片脱钴聚晶金刚石复合片表面形成有仿贝壳条纹表面织构;所述仿贝壳条纹表面织构由相交的第一沟槽和第二沟槽形成,第一沟槽为以同心圆的形式等间隔排列的圆形沟槽,且该间隔等于靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一个圆形沟槽的半径;第二沟槽呈放射状布置。
所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,包括:不锈钢轴承体及脱钴聚晶金刚石复合片,所述脱钴聚晶金刚石复合片由作为工作层的聚晶金刚石表层和作为支撑层的硬质合金衬底组成,对聚晶金刚石表层进行脱钴处理,聚晶金刚石表层的表面具有脱钴层,并在脱钴层表面形成有仿贝壳条纹表面织构。
进一步,所述不锈钢轴承体表面设有周向分布的圆孔,圆孔直径大于脱钴聚晶金刚石复合片的直径,所述圆孔的深度小于脱钴聚晶金刚石复合片的高度,以使聚晶金刚石表层凸出于不锈钢轴承体表面。
进一步,所述脱钴聚晶金刚石复合片嵌入并固定在所述圆孔内,并且所有聚晶金刚石表层凸出于不锈钢轴承体表面的高度相同。
进一步,所述脱钴聚晶金刚石复合片的中心脱钴深度为500μm~1000μm,边缘脱钴深度为800μm~1700μm。
进一步,所述第一沟槽的宽度L1取值范围是50μm~150μm、深度h1取值范围是50μm~400μm,且仿贝壳条纹表面织构中所有第一沟槽的宽度相同、深度相同。
进一步,所述第二沟槽的宽度L2与第一沟槽的宽度L1相同,第二沟槽的深度h2分为两种情况,第一种情况是第二沟槽的深度h2与第一沟槽的深度h1相同,第二种情况是第二沟槽的底部具有坡度,沿着脱钴聚晶金刚石复合片的径向方向从内向外深度逐渐加深,坡度为i,i=1%~6%,第二沟槽的最浅深度S1的取值范围是50μm~400μm、最深深度S2的取值范围是400μm~800μm;且第二沟槽的最浅深度S1和最深深度S2需满足所述坡度的计算范围。底部具有坡度的第二沟槽,更有利于在金刚石止推轴承工作时将残留的磨屑和岩屑及时排出,以减少聚晶金刚石复合片表面的磨粒磨损所造成的机械损伤。
进一步,最靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一沟槽的半径R1=500μm~2000μm,且沿着脱钴聚晶金刚石复合片的径向方向从内向外,相邻两个第一沟槽中后一个第一沟槽比前一个第一沟槽的半径大500μm~2000μm;即第n+1个第一沟槽的内径为Rn+1,Rn+1=R1+ΔR*n,n为正整数,ΔR取值范围为500μm~2000μm。
进一步,相邻两个第二沟槽之间的夹角≤90°。
进一步,所述仿贝壳条纹表面织构的织构面积率=脱钴聚晶金刚石复合片表面织构沟槽的表面积/脱钴聚晶金刚石复合片总表面积,所述金刚石止推轴承中仿贝壳条纹表面织构的织构面积率为3%~32%。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:本发明选用合理脱钴深度的脱钴聚晶金刚石复合片,通过在金刚石止推轴承上下摩擦副的脱钴聚晶金刚石复合片表面制备微米级仿贝壳条纹织构化形貌,将脱钴与表面仿生织构在金刚石止推轴承表面相结合,充分发挥表面织构的减少阻力特性和脱钴处理之后的聚晶金刚石复合片增加耐磨性的效果。从而使金刚石止推轴承具有减阻润滑的低摩擦系数和低磨损率的特性,在复杂钻井工况下具有容纳和排除磨屑及岩屑、增加润滑液膜厚度以避免摩擦副直接接触、降低表面温度、提高耐热性和润滑的作用,减缓了金刚石止推轴承的聚晶金刚石复合片表面因机械磨损和热磨损而造成的金刚石止推轴承失效,提高了金刚石止推轴承的寿命,提高了钻具工作的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明,并不构成本发明的不当限定,在附图中:
图1为本发明提出的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承的示意图;
图2为本发明提出的金刚石止推轴承上具有仿贝壳条纹表面织构的脱钴金刚石复合片示意图;
图3为本发明提出的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承的剖视图;
图4为本发明实施例一中仿贝壳条纹表面织构在脱钴聚晶金刚石复合片表面分布的示意图;
图5为本发明实施例一中仿贝壳条纹表面织构中单个第一沟槽截面示意图;
图6为本发明实施例一与表面未织构未脱钴金刚石止推轴承之间的摩擦系数对比图;
图7为本发明实施例二的仿贝壳条纹表面织构在脱钴聚晶金刚石复合片表面分布的示意图;
图8为本发明实施例二的底部具有坡度的第二沟槽截面图;
图9为本发明实施例二的底部具有坡度的第二沟槽左视图;
图10为根据本发明实施例二提供的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承与表面未织构未脱钴金刚石止推轴承之间的摩擦系数对比图;
图中各标记如下:1为不锈钢轴承体;2为圆孔;3为聚晶金刚石表层;4为硬质合金衬底;5为第一沟槽;6-第二沟槽。
实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质,公知的方法、过程、流程和元件并没有详细叙述。
实施例一:本实施例提供了一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,如图1和图3所示。于金刚石止推轴承上下摩擦副中的每一片脱钴聚晶金刚石复合片表面形成仿贝壳条纹表面织构,所述仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承包括不锈钢轴承体1及脱钴聚晶金刚石复合片,如图2所示,所述脱钴聚晶金刚石复合片由作为工作层的聚晶金刚石表层3和作为支撑层的硬质合金衬底4组成,对聚晶金刚石表层3进行脱钴处理,聚晶金刚石表层3的表面具有脱钴层,并在脱钴的聚晶金刚石表层3上形成仿贝壳条纹表面织构。脱钴聚晶金刚石复合片的中心脱钴深度为500μm,边缘脱钴深度为1000μm。
不锈钢轴承体1的表面设有周向分布的圆孔2,圆孔2与硬质合金衬底4固定,并保证所有聚晶金刚石表层3凸出于不锈钢轴承体1表面的高度相同。
图4为金刚石止推轴承中仿贝壳条纹表面织构在脱钴聚晶金刚石复合片表面分布的示意图,在脱钴聚晶金刚石复合片表面形成有相交的第一沟槽5和第二沟槽6,第一沟槽5为以同心圆的形式等间隔排列的圆形沟槽,且该间隔等于靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一个第一沟槽5的半径,第二沟槽6呈放射状布置,当靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一个第一沟槽5半径R1=1500μm,沿着脱钴聚晶金刚石复合片的径向向外的方向相邻两个第一沟槽5中后一个第一沟槽5比前一个第一沟槽5的半径大1500μm,即R2=3000μm,R3=4500μm,R4=6000μm,R5=7500μm。相邻两个第二沟槽6之间的夹角为90°。脱钴聚晶金刚石复合片表面的第一沟槽5和第二沟槽6均由激光加工而成,第一沟槽5的深度为h1、宽度为L1,第二沟槽6的深度为h2、宽度为L2,仿贝壳条纹表面织构中单个第一沟槽5截面示意图如图5所示,脱钴聚晶金刚石复合片表面的所有沟槽的宽度和深度都相同,h1=h2=390μm,L1=L2=150μm,本实施例金刚石止推轴承中总织构面积率为10.11%。
本实施例与未织构未脱钴的金刚石止推轴承在相同工况条件下的摩擦系数对比见图6,本实施例的平均摩擦系数比表面未织构未脱钴的金刚石止推轴承的摩擦系数低16.45%, 具有更好的润滑摩擦性能。
本实施例将仿贝壳条纹表面织构与脱钴处理相结合,一方面通过脱钴处理提高聚晶金刚石复合片的耐热性和耐磨性,减少金刚石止推轴承易发生的热损伤而导致的失效。另一方面仿贝壳条纹表面织构能够储存润滑剂,为摩擦副接触面之间提供连续的润滑介质,降低金刚石止推轴承摩擦副之间的摩擦系数;同时仿生表面织构形貌能够容纳磨损过程中摩擦副表面的磨屑和岩屑,并且第二沟槽6还具有将这些造成磨损的物质排出表面的作用,从而减少磨粒磨损造成的机械损伤带来的轴承失效,有利于在高速重载的工况条件下延长金刚石止推轴承的寿命和可靠性。
实施例二:在本实施例中,金刚石止推轴承用脱钴聚晶金刚石复合片的中心脱钴深度为1000μm,边缘脱钴深度为1700μm。脱钴后的聚晶金刚石表层3表面形成的仿贝壳条纹表面织构的分布见图7,织构参数为:沿着径向方向从脱钴聚晶金刚石复合片的圆心向边缘,第一沟槽5的半径分别是R1=500μm,R2=1000μm,R3=1500μm,R4=2000μm,R5=2500μm,R6=3000μm,R7=3500μm,R8=4000μm,R9=4500μm,R10=5000μm,R11=5500μm,R12=6000μm,R13=6500μm,R14=7000μm,R15=7500μm,R16=8000μm,R17=8500μm。第一沟槽5的宽度L1=50μm、深度h1=200μm。
相邻两个第二沟槽6之间的夹角为60°,第二沟槽6的宽度L2=50μm,第二沟槽6的深度沿脱钴聚晶金刚石复合片圆心向边缘逐渐加深,第二沟槽6坡形底部的截面图如图8所示。第二沟槽6的最浅深度S1为300μm,最深深度S2为478μm,第二沟槽6底面的坡度为i,i=2.1%,底部具有坡度的第二沟槽6的左视图如图9所示。本实施例金刚石止推轴承总织构面积率为10.45%。
本实施例与未织构未脱钴的金刚石止推轴承在相同工况条件下的摩擦系数对比见图10,本实施例的平均摩擦系数比表面未织构未脱钴的金刚石止推轴承的摩擦系数低23.8%,具有更好的减阻润滑能力和降低机械磨损延长金刚石轴承寿命的作用。
本实施例在实施例一的基础上,将第二沟槽6设置成底部带有斜坡的形式,更利于在摩擦磨损中将聚晶金刚石复合片表面容易造成磨粒磨损的岩屑以及磨屑排出,大大降低金刚石止推轴承中由于磨粒磨损造成的摩擦阻力以及机械损伤的发生,改善金刚石止推轴承的润滑条件,有效的产生减阻润滑的效果,降低摩擦系数和磨损率,可有效延长金刚石直推轴承的使用寿命,增强金刚石止推轴承的可靠性。
最后应说明的是:以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,在金刚石止推轴承上下摩擦副中的每一片脱钴聚晶金刚石复合片表面形成有仿贝壳条纹表面织构;所述仿贝壳条纹表面织构由相交的第一沟槽和第二沟槽形成,第一沟槽为以同心圆的形式等间隔排列的圆形沟槽,且该间隔等于靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一个圆形沟槽的半径;第二沟槽呈放射状布置。
2.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,包括:不锈钢轴承体(1)及脱钴聚晶金刚石复合片,所述脱钴聚晶金刚石复合片由作为工作层的聚晶金刚石表层(3)和作为支撑层的硬质合金衬底(4)组成,聚晶金刚石表层(3)的表面具有脱钴层,并在脱钴层表面形成有仿贝壳条纹表面织构。
3.根据权利要求2所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述不锈钢轴承体(1)表面设有周向分布的圆孔(2),圆孔(2)直径大于脱钴聚晶金刚石复合片的直径,所述圆孔(2)的深度小于脱钴聚晶金刚石复合片的高度,以使聚晶金刚石表层(3)凸出于不锈钢轴承体(1)表面。
4.根据权利要求3所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述脱钴聚晶金刚石复合片嵌入并固定在所述圆孔(2)内,并且所有聚晶金刚石表层(3)凸出于不锈钢轴承体(1)表面的高度相同。
5.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述脱钴聚晶金刚石复合片的中心脱钴深度为500μm~1000μm,边缘脱钴深度为800μm~1700μm。
6.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述第一沟槽(5)的宽度L1取值范围是50μm~150μm、深度h1取值范围是50μm~400μm,且仿贝壳条纹表面织构中所有第一沟槽(5)的宽度相同、深度相同。
7.根据权利要求6所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述第二沟槽(6)的宽度L2与第一沟槽(5)的宽度L1相同,第二沟槽(6)的深度h2分为两种情况,第一种情况是第二沟槽(6)的深度h2与第一沟槽(5)的深度h1相同,第二种情况是第二沟槽(6)的底部具有坡度,沿着脱钴聚晶金刚石复合片的径向方向从内向外深度逐渐加深,坡度为i,i=1%~6%,第二沟槽(6)的最浅深度S1的取值范围是50μm~400μm、最深深度S2的取值范围是400μm~800μm。
8.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,最靠近脱钴聚晶金刚石复合片圆心的第一沟槽(5)的半径R1=500μm~2000μm,且沿着脱钴聚晶金刚石复合片的径向方向从内向外,相邻两个第一沟槽(5)中后一个第一沟槽(5)比前一个第一沟槽(5)的半径大500μm~2000μm。
9.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,相邻两个第二沟槽(6)之间的夹角≤90°。
10.根据权利要求1所述的仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承,其特征在于,所述仿贝壳条纹表面织构的织构面积率=脱钴聚晶金刚石复合片表面织构沟槽的表面积/脱钴聚晶金刚石复合片总表面积,所述金刚石止推轴承中仿贝壳条纹表面织构的织构面积率为3%~32%。
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