CN104100638A - 一种油气开发钻井使用的轴承 - Google Patents

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郭健
郭小芳
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Abstract

一种螺杆钻用轴承，其包括内套和外套，内套外表面以及外套的内表面均粘附有一层耐磨层，所述耐磨层是在钢体本体上按一定规则排列有硬质合金块，硬质合金之间的缝隙由碳化钨粉与粘结合金在高温炉中钎焊而成，上述硬质合金块为表面富钴超细晶梯度硬质合金块，其原料组成为2-3％Ti(C，N)、5-5.5％Co、0.2-0.4％VC、0.3-0.5％Cr3C2和0.1-0.3％炭黑，余量为WC，粘结合金包括的成分以及重量百分比为Ni11-12％，Zn12-14％，Mn23-24％，余量与铜，且杂质总量不大于0.45％，该轴承的耐磨层具有硬度高、韧性好、耐磨时间久、与钢材基体结合牢固等特点。

Description

一种油气开发钻井使用的轴承
技术领域
本发明涉及一种径向轴承，尤其涉及油气开发钻井使用的螺杆钻具的径向轴承。
背景技术
螺杆钻具中的径向轴承的性能直接影响到螺杆钻的使用寿命，其工作环境恶略，工作时周围布满高温泥浆，因此要求轴承具有良好的稳固性、耐磨性以及抗冲击性能。
现有技术中的径向轴承普遍存在硬质合金模块硬度低，硬质模块容易脱落以及耐磨损性能差等缺点。
中国专利CN201443561U涉及一种螺杆钻具用轴承，其采用涂层替代现有技术中的硬质合金模块，其涂层为超音速热喷涂覆盖层，但该涂层加工难度大，成本高，成品率低。
中国专利CN203532514U涉及一种螺杆钻具用轴承，其在轴承内套上设有硬质合金层以及超音速热喷涂层，由于耐磨层为多层复合，其加工成本高，加工难度大。
中国专利CN201963717A涉及一种螺杆钻具专用径向轴承，其耐磨层中含有硬质合金块，但是其存在硬质合金硬度低，磨损率高，稳定性差等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺点，本发明提供一种螺杆钻径向轴承，该轴承能够克服现有技术的不足，提供一种耐磨层硬度高、韧性好、耐磨时间久、与钢材基体结合牢固的螺杆钻径向轴承。
为了解决上述技术问题，采用的技术方案是：
一种螺杆钻用轴承，包括内套和外套，内套外表面以及外套的内表面均粘附有一层耐磨层，所述耐磨层是在钢体本体上按一定规则排列有硬质合金块，硬质合金块之间的缝隙由碳化钨粉与粘结合金在高温炉中钎焊而成，上述硬质合金块为表面富钴超细晶梯度硬质合金块，粘结合金包括的成分以及重量百分比为Ni11-12％，Zn12-14％，Mn23-24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％，上述表面富钴超细晶梯度硬质合金的制备方法为，将2-3％Ti(C，N)、5-5.5％Co、0.2-0.4％VC、0.3-0.5％Cr3C2和0.1-0.3％炭黑，余量为WC，进行混料，混合料加入聚乙二醇和适量酒精，通过湿磨、干燥、制粒后模压制成合适的样坯，然后将样坯在炉中进行煅烧，煅烧时采用两段煅烧方式，第一段煅烧温度为630-650℃，煅烧时间为2-3h，第二段煅烧温度为1400-1450℃，煅烧时间为1-2h，随炉冷却，得到表面富钴超细晶梯度硬质合金块。
所述粘结合金优选的组成为：Ni11.5％，Zn13％，Mn24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.4％；优选的第一段煅烧温度为640℃，煅烧时间为150min。第二段煅烧温度为1440℃，煅烧时间为90min。
上述轴承内套的生产方法为：
1)生产表面富钴超细晶梯度硬质合金块；
2)制作内套钢体本体，并制作钎焊时配合使用的衬套；
3)按一定规则在内套钢体本体表面粘结表面富钴超细晶梯度硬质合金块，硬质合金块之间设有缝隙，然后将钢体本体放入相适合的衬套内；
4)在表面富钴超细晶梯度硬质合金块之间的缝隙填充碳化钨粉；
5)加入粘结合金，粘结合金包括的成分以及重量百分比为Ni11-12％，Zn12-14％，Mn23-24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％；
6)烧结的步骤，烧结温度为1450-1500℃，保温4-5h后出炉；
7)冷却；
8)机加工；
9)采用与上述步骤相同的制备过程，制备轴承外套。
技术效果
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明制备得到的表面富钴超细晶梯度硬质合金硬度更高，耐磨性格更好。
2、本发明的表面富钴的超细晶硬质合金基体，以WC为硬质相，以钴为金属粘结相，添加一种或多种碳氮化物固溶体，并添加一种含有V和Cr的碳化物作为晶粒抑制剂，其韧性和耐磨性较常规硬质合金高。
3、本发明优化了钎焊时的烧结温度，使得硬质合金与钢体本体的结合更加牢固，不易脱落。
4、针对表面富钴的超细晶硬质合金，相应调整了粘结合金的成分，使得硬质合金与钢体本体的结合更加牢固，不易脱落。
5、轴承内外套均附有耐磨层，使得轴承更加坚固耐用。
6、本发明采用两段法煅烧合金，制备的合金性能更加优越。
7、本发明优化了原料的加入比，进一步提高了硬质合金的性能。
附图说明
图1是本发明轴承内套侧视图。
图2是本发明轴承内套俯视图
附图标记：图1中1为钢体本体，2为硬质合金块，3为填充物(碳化钨与粘结合金)，图2中1为钢体本体，4是耐磨层，轴承外套与上述轴承内套相配合使用，不同之处在于外套内部粘附有耐磨层，其耐磨层结构与内套的外耐磨层结构类似，本发明不再图示。
具体实施方式
实施例1：将2％Ti(C，N)、5.5％Co、0.2％VC、0.3％Cr3C2和0.1％炭黑，余量为WC，进行混料，其中添加的WC粉末的平均粒度为0.35μm，Ti(C，N)粉末的平均粒度为1.8μm，Co粉末的平均粒度为1.2μm，VC和Cr3C2的平均粒度小于1μm，混合料加入聚乙二醇和适量酒精，通过湿磨、干燥、制粒后模压制成合适的样坯，然后将样坯在炉中进行煅烧，煅烧时采用两段煅烧方式，第一段煅烧温度为630℃，煅烧时间为3h，煅烧时通入氢气，进行脱蜡、脱氧处理，排空氢气后进行第二端煅烧，第二段煅烧温度为1400℃，煅烧时间为2h，煅烧时充入惰性气体，随炉冷却，得到表面富钴超细晶梯度硬质合金快。该合金金相组织是以WC和立方相碳氮化合物为芯部硬质相，以钴为粘结相的表面富钴梯度层。
采用上述方法制备得到硬质合金块制作径向轴承内套，制作所述钢体本体1，在钢体本体1表面粘结硬质合金块2，硬质合金块之间设有缝隙，然后将钢体本体放入相适合的衬套内，在硬质合金块2之间的缝隙填充碳化钨粉，加入粘结合金，所述粘结合金的组成为Ni11％，Zn12％，Mn23％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％，将上述物质烧结，烧结温度为1450℃，保温5h后出炉，冷却后机加工，制备出耐磨层4，采用相同的方法制作径向轴承外套。
实施例2：将3％Ti(C，N)、5％Co、0.4％VC、0.5％Cr3C2和0.3％炭黑，余量为WC，进行混料，其中添加的WC粉末的平均粒度为0.35μm，Ti(C，N)粉末的平均粒度为1.9μm，Co粉末的平均粒度为1.1μm，VC和Cr3C2的平均粒度小于1μm，混合料加入聚乙二醇和适量酒精，通过湿磨、干燥、制粒后模压制成合适的样坯，然后将样坯在炉中进行煅烧，煅烧时采用两段煅烧方式，第一段煅烧温度为650℃，煅烧时间为2h，煅烧时通入氢气，进行脱蜡、脱氧处理，排空氢气后进行第二端煅烧，第二段煅烧温度为1450℃，煅烧时间为1h，煅烧时充入惰性气体，随炉冷却，得到表面富钴超细晶梯度硬质合金块。该合金金相组织是以WC和立方相碳氮化合物为芯部硬质相，以钴为粘结相的表面富钴梯度层。
采用上述方法制备得到硬质合金块制作径向轴承内套，制作所述钢体本体1，在钢体本体1表面粘结硬质合金块2，硬质合金块之间设有缝隙，然后将钢体本体放入相适合的衬套内，在硬质合金块2之间的缝隙填充碳化钨粉，加入粘结合金，所述粘结合金的组成为Ni12％，Zn14％，Mn24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％，将上述物质烧结，烧结温度为1500℃，保温4h后出炉，冷却后机加工，制备出耐磨层4，采用相同的方法制作径向轴承外套。
实施例3
将2.5％Ti(C，N)、5.4％Co、0.3％VC、0.4％Cr3C2和0.2％炭黑，余量为WC，进行混料，其中添加的WC粉末的平均粒度为0.38μm，Ti(C，N)粉末的平均粒度为1.9μm，Co粉末的平均粒度为1μm，VC和Cr3C2的平均粒度小于1μm，混合料加入聚乙二醇和适量酒精，通过湿磨、干燥、制粒后模压制成合适的样坯，然后将样坯在炉中进行煅烧，煅烧时采用两段煅烧方式，第一段煅烧温度为640℃，煅烧时间为2.5h，煅烧时通入氢气，进行脱蜡、脱氧处理，排空氢气后进行第二端煅烧，第二段煅烧温度为1440℃，煅烧时间为1.5h，煅烧时充入惰性气体，随炉冷却，得到表面富钴超细晶梯度硬质合金块。该合金金相组织是以WC和立方相碳氮化合物为芯部硬质相，以钴为粘结相的表面富钴梯度层。
采用上述方法制备得到硬质合金块制作径向轴承内套，制作所述钢体本体1，在钢体本体1表面粘结硬质合金块2，硬质合金块之间设有缝隙，然后将钢体本体放入相适合的衬套内，在硬质合金块2之间的缝隙填充碳化钨粉，加入粘结合金，所述粘结合金的组成为Ni11.5％，Zn13％，Mn24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.4％，将上述物质烧结，烧结温度为14800℃，保温4.5h后出炉，冷却后机加工，制备出耐磨层4，采用相同的方法制作径向轴承外套。
表1：性能测试表
普通轴承 实施例1轴承 实施例2轴承 实施例3轴承
抗拉强度(Mpa) 850-950 大于1000 大于1000 大于1050
屈服强度(Mpa) 750-850 960-1040 980-1080 1070-1140
耐磨时间(小时) 300 530 560 570
从上表中可以看出，本发明的径向轴承的各项指标明显优于现有技术中的普通轴承。

Claims (4)

1.一种螺杆钻用轴承，包括内套和外套，内套外表面以及外套的内表面均粘附有一层耐磨层，所述耐磨层是在钢体本体上按一定规则排列有硬质合金块，硬质合金块之间的缝隙由碳化钨粉与粘结合金在高温炉中钎焊而成，上述硬质合金块为表面富钴超细晶梯度硬质合金块，粘结合金包括的成分以及重量百分比为Ni11-12％，Zn12-14％，Mn23-24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％，上述表面富钴超细晶梯度硬质合金的制备方法为，将2-3％Ti(C，N)、5-5.5％Co、0.2-0.4％VC、0.3-0.5％Cr3C2和0.1-0.3％炭黑，余量为WC，进行混料，混合料加入聚乙二醇和适量酒精，通过湿磨、干燥、制粒后模压制成合适的样坯，然后将样坯在炉中进行煅烧，煅烧时采用两段煅烧方式，第一段煅烧温度为630-650℃，煅烧时间为2-3h，第二段煅烧温度为1400-1450℃，煅烧时间为1-2h，随炉冷却，得到表面富钴超细晶梯度硬质合金块。 
2.如权利要求1所述的螺杆钻用轴承，所述粘结合金优选的组成为：Ni11.5％，Zn13％，Mn24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.4％。 
3.如权利要求1所述的螺杆钻用轴承，优选的第一段煅烧温度为640℃，煅烧时间为150min。第二段煅烧温度为1440℃，煅烧时间为90min。 
4.权利要求1所述螺杆钻用轴承的制备方法： 
所述轴承的内套制备过程如下， 
1)生产表面富钴超细晶梯度硬质合金块； 
2)制作内套钢体本体，并制作钎焊时配合使用的衬套； 
3)按一定规则在内套钢体本体表面粘结表面富钴超细晶梯度硬质合金块，硬质合金块之间设有缝隙，然后将钢体本体放入相适合的衬套内； 
4)在表面富钴超细晶梯度硬质合金块之间的缝隙填充碳化钨粉； 
5)加入粘结合金，粘结合金包括的成分以及重量百分比为Ni11-12％，Zn12-14％，Mn23-24％，余量为铜，且杂质总量不大于0.45％； 
6)烧结的步骤，烧结温度为1450-1500℃，保温4-5h后出炉； 
7)冷却； 
8)机加工； 
9)采用与上述步骤相同的制备过程，制备轴承外套。 
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