CN114135232A - 一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法，该牙轮钻头轴承镶套包括镶套本体和镀在镶套本体内壁上的镀银层；镶套本体由硬质合金制成，其硬质相为碳化钨、粘接相为钴，其中，粘接相占硬质合金的20wt％～25wt％。该牙轮钻头轴承镶套具有优异的耐磨性能、优异的减磨润滑及导热性能、良好的耐冲击性能，可以适用于高承载、高冲击使用环境，比如石油钻头及矿用机械。

Description

一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石油、矿山钻探技术领域，特别涉及一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法。

背景技术

目前，牙轮钻头是石油、矿山开采的主要工具，牙轮钻头的切削结构由牙轮、牙掌组成，牙轮和牙掌通过一体式的轴承锁紧连接，在钻进地层的过程中，随着钻头的旋转，牙轮围绕牙掌轴颈旋转，从而带动牙轮外部切削齿切削地层。与此同时，牙轮钻头轴承在钻进的过程中承受5～15T的巨大的载荷，而在钻头与地层接触的瞬间牙轮钻头轴承还承受较大的冲击力，因此，钻头轴承需要有良好的耐磨、耐冲击性能。

相关技术中，一般钻头采用一体式轴承，即轴承与钻头为一个整体，且材料相同。受钻头本身材料和工艺的限制，一体式轴承性能有限，通常是采用渗碳和淬火的方式在轴承内壁形成一层硬化层，硬化层的厚度较薄，且轴承的芯部硬度较低，在载荷较高或钻遇较硬地层情况时，硬化层会迅速磨损，导致轴承工作面磨损过度，使钻头提前失效。

在另一种相关技术中，钻头采用镶套轴承，即采用钢制镶套镶嵌于钻头轴孔中，这样可以对钢制镶套采用更优的加工及热处理工艺，能在一定程度上改善钢制镶套的耐磨性能，使其具有良好的整体硬度、强度及表面加工质量，进而提高轴承的整体性能。但钢制镶套本身硬度及耐磨性有限，其中硬度通常为54～56HRC，在大载荷条件下仍然会发生磨损失效。

硬质合金材料具有优异的硬度及耐磨性能，是作为加工刀具、钻头切削齿的理想材料。但对于钻头轴承来说，现有的硬质合金冲击性能明显低于钢，无法适用于钻井条件。钻头轴承通常采用电刷镀银的方式来达到减磨的作用，而硬质合金材料由于金属含量较低，相当于金属材料来说电刷镀难度较大。此外，钻头镶套轴承是通过对轴孔加热、对镶套冷却，再将镶套镶嵌于轴孔中进行装配，但常规的硬质合金膨胀系数也远低于金属材料，会导致镶套紧固力不足。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种高钴硬质合金轴承，并提供一种合适的镀银工艺，在保留硬质合金优异的耐磨性能的同时，达到减磨、耐冲击的目的。

本发明提供的技术方案具体如下：

第一方面，提供一种牙轮钻头轴承镶套，包括镶套本体和设于镶套本体内壁上的镀银层；镶套本体由硬质合金制成，其硬质相为碳化钨、粘接相为钴，其中，粘接相占硬质合金的20wt％～25wt％。

本发明提供的上述牙轮钻头轴承镶套硬度为HRA81～85，冲击韧性为10～13J/cm²，不但能承受较高载荷、具有良好的冲击性能、还具有较高的线膨胀系数8×10^-6～10×10^-6/℃和减摩性能，通过对轴孔加热、对镶套冷却，再将镶套镶嵌于轴孔中进行装配后，镶套紧固力不受影响，因具有镀银层，对牙掌轴颈磨损小。

一些实施例中，镀银层的厚度为25～100μm；镀银层的厚度为50～100μm。

本发明在钴含量特定的情况下，通过调整硬质相的平均粒度来控制轴承硬度，一些实施例中，碳化钨的平均粒度为3～6μm；碳化钨的硬度为1600～1800Hv。优选地，碳化钨的平均粒度为4μm，硬度为1700Hv。

一些实施例中，牙轮钻头轴承镶套从外到内依次由镶套本体、镀镍层、银打底层和镀银层组成，镀镍层的厚度为5～10μm，银打底层的厚度为5～10μm。

第二方面，提供一种制备上述牙轮钻头轴承镶套的方法，包括以下步骤：

通过热等静压技术制备镶套本体；

对镶套本体内壁进行清洗去黑；

通过电刷镀方法在清洗去黑过的镶套本体内壁上电镀镀银层。

一些实施例中，通过热等静压技术制备镶套本体的条件为：压力为6～6.2MPa，温度为1450℃～1470℃，压制时间为50min以上。

通过电刷镀方法在处理过的镶套本体内壁上电镀镀银层包括：

预镀镍：利用镍闪镀液在镶套本体1上形成用于过渡的镀镍层；镀银：利用银铟闪镀液在镀镍层上电镀银打底层；

镀银：利用银铟镀液在银打底层上电刷镀银，形成镀银层。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明提供的牙轮钻头轴承镶套，由于镶套本体采用了高钴含量的硬质合金，使镶套具有高耐磨性能的同时，耐冲击性能大大提高，且该牙轮钻头轴承镶套具有较高的线膨胀系数8×10^-6～10×10^-6/℃，更有利于镶套的装配，保证紧固力，也更有利于在其表面电镀镀银层来起到对牙掌轴颈减磨的作用。

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牙轮钻头轴承的示意图；

图2为本发明实施例提供的牙轮钻头轴承镶套的剖视示意图；

图3为本发明实施例提供的牙轮钻头轴承镶套所采用的硬质合金的电镜图；

图中：1、镶套本体；2、镀银层；3、牙轮；4、牙掌轴颈；5、切削齿；6、锁紧结构；7、轴承密封结构、8、硬质相；9、粘接相。

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。

参见图1所示，本发明实施例提供的牙轮钻头轴承镶套通过镶嵌的方式固定于牙轮3轴孔，并与牙掌轴颈4通过锁紧结构6固定，一起形成轴承副。钻头与地层接触的瞬间，牙轮钻头轴承镶套1承受巨大的冲击力，钻进的过程中牙轮钻头轴承镶套1承受很大的负载，在牙轮3及切削齿5的转动过程中，牙轮钻头轴承镶套1内壁与牙掌轴颈4相互摩擦，需要同时具备耐磨性好、对对偶件损伤小两种性能。

参见图2所示，本发明实施例提供的牙轮钻头轴承镶套，包括镶套本体1和设于镶套本体1内壁上的镀银层2。其中，对于耐磨性能，本发明一方面采用硬度高的材料保证镶套本体1基本的耐磨性；另一方面，通过在镶套内壁设置镀银层2来实现减磨、润滑及散热的目的，该手段也可提高轴承的耐磨性能。优选地，镶套本体1采用高钴含量的硬质合金，其硬质相8为碳化钨、粘接相9为钴，其中，粘接相9占硬质合金的20wt％～25wt％。采用以上技术方案，使镶套本体1具有好的耐磨及支撑作用，其内壁表面的镀银层2能够起到良好的减磨、润滑及散热作用，还可以显著提高牙轮钻头轴承镶套的耐冲击性能，冲击韧性为10～13J/cm²，保证牙轮钻头轴承镶套在使用过程中不发生断裂。

为适应不同耐磨性使用需要，本发明通过调整碳化钨的平均粒度来控制镶套本体1的硬度，使该牙轮钻头轴承镶套具有优异的耐磨性能及减磨润滑效果，以解决相关技术中在高承载、高冲击使用环境下，牙轮钻头轴承镶套表面迅速磨损，钻头提前失效的问题。参见图3所示，一些可选的实施例中，在粘接相9含量特定的情况下，通过调整硬质相8的平均粒度来控制镶套本体1的硬度，硬质相8采用碳化钨，其平均粒度为3～6μm，硬度为1600～1800Hv，最终使镶套本体1的硬度为HRA81～85，一方面具有优异的耐磨性能和高承载、高冲击性能，一方面匹配硬度相近的牙掌轴颈4，保证牙掌轴颈4不会相对磨损过快，从而提高轴承的整体使用寿命。其中，硬质相8平均粒度优选4μm，硬度优选为1700Hv。本发明粘接相9采用钴，其含量控制为硬质合金的20wt％～25wt％，优选为20wt％。以钴含量为10wt％的硬质合金为例，无论如何调整工艺参数进行刷镀银，镀银层2和镶套本体1的结合力都无法满足ASTM B571热震试验要求，会出现剥落起皮。同时，钴含量为10wt％的硬质合金膨胀系数(5×10^-6～6×10^-6/℃)仅为碳钢的1/2左右，在200℃的井下温度下钻头牙轮轴孔的膨胀量远大于10％钴硬质合金镶套，导致牙轮钻头轴承镶套从牙轮3轴孔内脱落。钴含量为20wt％～25wt％的硬质合金的线膨胀系数为8×10^-6～10×10^-6/℃，与牙轮3的线膨胀系数接近，由其制成的牙轮钻头轴承镶套能紧密地镶嵌于牙轮3轴孔中，使牙轮钻头轴承镶套与牙轮3一起相对于牙掌轴颈4转动过程中不至于松动脱落。

参见图2所示，在一些可选的实施例中，镶套本体1内壁表面的镀银层2厚度为25～100μm，镀银层2厚度优选50μm。镀银层2具有良好的减磨润滑及散热作用，能有效提高硬质合金镶套轴承的使用寿命，降低粘着磨损的风险。其中，粘着磨损是指轴承在转动的过程中，两接触面金属的原子因键合作用而产生粘着，粘着点被剪断并发生金属转移，导致轴承磨损失效。本发明提供的牙轮钻头轴承镶套镀银层2厚度越厚，减磨润滑效果越好。通过在300rpm转速，50KN的载荷下进行对比试验，在镶套本体1上，厚度为25μm的镀银层2运行时间为110～120h，厚度为50μm、100μm的镀银层2运行时间分别相对提高10％、15％左右。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

实施例1

以下各步骤中采用的正负电极均为石墨电极，电刷镀转速为60rpm。

(S1)准备平均粒度为3～6μm、硬度为1600～1800Hv的碳化钨粉末，粒径≤5μm的纯钴粉末，共同造粒后加入模具，采用热等静压技术，设置烧结压力为6MPa，在1460℃烧结60min，得到工作面直径为50mm、长度为20mm的镶套本体1。

(S2)利用电化学方法对镶套本体1进行预处理：

(S21)电净除油：以浓度为34.3g/L的氢氧化钠溶液作为电净液，设置电压为+8～10V，电净时间为21～23s；

(S22)酸洗除镶套本体1表面上的氧化皮和锈蚀物：以浓度为20mL/L的盐酸水溶液为酸洗液，设置电压为-8～10V，酸洗时间为25～27s；

(S23)去除酸洗过程中产生的炭黑：以含甲醛的氢氧化钠溶液为去黑液，设置电压为-14～16V，去黑时间为34～36s。

(S3)利用电刷镀方法对镶套本体1内壁进行镀银：

(S31)预镀镍：利用镍闪镀液在镶套本体1上形成用于过渡的5～10μm厚的镀镍层，以提高镀银层2与镶套本体1的结合力。镍闪镀液为含甲酸盐的螯合硫酸镍溶液，含镍量为110g/L；电镀电压为+8～10V，电镀时间为20～22s；

(S32)预镀银：利用银铟闪镀液在镀镍层上电镀5～10μm厚的银打底层，为电刷镀银工序做准备；银铟闪镀液为含***银的可溶性铟液，含银量为1.3g/L，含铟量为20g/L，pH为9.0～10.0；电镀电压为+8～10V，电镀时间为20～22s；

(S33)镀银：利用银铟镀液在银打底层上电刷镀银；银铟镀液为含***银的可溶性铟液，含银量为100～110g/L，含铟量为50g/L，pH为9.0～10.0；电镀电压为+3.5～3.7V，占空比50～55％，脉冲频率500Hz。

表1实施例1的电刷镀工序及电参数

实施例2

参见图1所示，先将牙轮3加热至200～250℃，保温20min，使牙轮轴孔膨胀扩张；同时，采用液氮对牙轮钻头轴承镶套冷却10～20s，再将冷却后的牙轮钻头轴承镶套镶嵌于牙轮3轴孔中，并一起安装于牙掌轴颈4上，形成钻头轴承副。牙掌轴颈4表面可以进行堆焊合金强化，提高其耐磨性。

对装配好的产品进行测试：

(1)在300rpm转速下，测试牙轮钻头轴承镶套的最大承载能力；

(2)在300rpm转速、50KN的载荷下，测试牙轮钻头轴承镶套的使用寿命：轴承试验机上设定一个极限扭矩，如果牙轮钻头轴承镶套发生明显磨损，扭矩就会报警，此时牙轮钻头轴承镶套需要报废。

表2不同牙轮钻头轴承镶套的测试结果

采用样品A的方案制备的8’1/2规格钻头产品在现场使用测试中轴承寿命达到了158h，未出现损坏；

采用样品B的方案制备的12’1/4规格钻头产品在现场使用测试中轴承寿命达到了182h，未出现损坏。

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 (10)

1.一种牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：包括镶套本体和设于镶套本体内壁上的镀银层；所述镶套本体由硬质合金制成，其硬质相为碳化钨、粘接相为钴，其中，粘接相占硬质合金的20wt％～25wt％。

2.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述镀银层的厚度为25～100μm。

3.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述镀银层的厚度为50～100μm。

4.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述碳化钨的平均粒度为3～6μm。

5.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述碳化钨的硬度为1600～1800Hv。

6.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述碳化钨的平均粒度为4μm，硬度为1700Hv。

7.根据权利要求1所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述所述牙轮钻头轴承镶套从外到内依次由镶套本体、镀镍层、银打底层和镀银层组成。

8.根据权利要求7所述的牙轮钻头轴承镶套，其特征在于：所述镀镍层的厚度为5～10μm，所述银打底层的厚度为5～10μm。

9.一种制备权利要求1～8任一项所述的牙轮钻头轴承镶套的方法，其特征在于：

通过热等静压技术制备镶套本体；

对镶套本体内壁进行前处理；

通过电刷镀方法在处理过的镶套本体内壁上电镀镀银层。

10.根据权利要求9所述的制备牙轮钻头轴承镶套的方法，其特征在于：所述通过电刷镀方法在处理过的镶套本体内壁上电镀镀银层包括：

预镀镍：利用镍闪镀液在镶套本体1上形成用于过渡的镀镍层；

镀银：利用银铟闪镀液在镀镍层上电镀银打底层；

镀银：利用银铟镀液在银打底层上电刷镀银，形成镀银层。

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