專利名稱：一種表面強(qiáng)化鋼齒牙輪及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域鋼齒牙輪鉆頭上的鋼齒牙輪，具體涉及表面強(qiáng) 化鋼齒牙輪及其制作方法。
背景技術(shù)：
鋼齒牙輪鉆頭由于具有刮削和破碎面大的特性而在軟地層的石油地質(zhì)鉆進(jìn)中獲得了 廣泛的應(yīng)用。鋼齒牙輪鉆頭主要由牙掌和鋼齒牙輪兩大部分組成，現(xiàn)有的鋼齒牙輪鉆頭通 常都是通過鋼齒牙輪牙齒表面敷焊碳化鎢耐磨層的方式來提高鋼質(zhì)牙齒的耐磨性，但這樣 的牙輪牙齒耐磨層耐磨性能仍比較有限。從鉆井實(shí)際使用的情況來看，鋼齒牙輪鉆頭的失 效主要是牙輪牙齒耐磨層磨損掉落導(dǎo)致牙輪鉆頭失效。雖然國內(nèi)外已有使用金剛石來加強(qiáng) 牙輪牙齒耐磨層的報(bào)道和方法，但大都集中應(yīng)用制造管焊條進(jìn)行敷焊的方式。美國專利 US5755299介紹了一種表面有涂層的金剛石，并把這種涂層金剛石應(yīng)用于牙輪鉆頭表面強(qiáng) 化，該專利介紹的表面強(qiáng)化方法主要是采用管焊條焊接、等離子噴涂和火焰噴涂。但是這 類工藝方法在實(shí)施過程中，溫度不容易控制，極易超過1200。C，從而對(duì)金剛石不可避免地 產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致牙輪金剛石耐磨層的損害和失效而無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種表面強(qiáng)化鋼 齒牙輪及其制作方法，該強(qiáng)化耐磨層不僅粘結(jié)牢固，耐磨性強(qiáng)，而且制作工藝穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的鋼齒牙輪頭的技術(shù)方案為包括有牙輪體和布 設(shè)在牙輪體錐面上的牙齒，其不同之處在于在牙齒表面覆蓋有一碳化鴇金剛石復(fù)合耐磨層，
所述的碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層由碳化鎢顆粒、金剛石粉以及粘結(jié)金屬經(jīng)1200°C以下高
溫熔滲燒結(jié)而成，并且碳化鎢顆粒、金剛石粉和粘結(jié)金屬的組分含量按重量計(jì)為碳化轉(zhuǎn) 顆粒50 — 90%，金剛石粉2 — 30%，粘結(jié)金屬余量。
按上述方案，所述的碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層的厚度為l一8毫米，覆于鋼齒牙輪牙齒 的齒頂和齒側(cè)面。
按上述方案，所述的碳化鎢顆粒粒度為20 — 600微米；所述的金剛石粉為單晶金剛石， 單晶金剛石的粒度為90 — 600微米；所述的單晶金剛石可為人造金剛石，或天然金剛石； 所述的粘結(jié)金屬為銅基粘結(jié)金屬，可以是銅、鎳、錳、鋅、錫等金屬組成的銅基合金。
按上述方案，在鋼齒牙輪的齒槽部位覆有碳化鎢耐磨層。所述的碳化鎢耐磨層由碳化 鎢顆粒和粘結(jié)金屬經(jīng)1200°C以下高溫熔滲燒結(jié)而成，并且碳化鎢顆粒和粘結(jié)金屬的組分 含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒70 —卯％，粘結(jié)金屬余量。
本發(fā)明鋼齒表面強(qiáng)化層制作方法的技術(shù)方案為
首先，加工一石墨外套模具；
然后在經(jīng)過噴砂后的鋼齒牙輪牙齒表面處涂抹由金剛石粉、碳化鎢顆粒和膠粘劑混合 成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層金剛石粉、碳化鎢顆粒和膠粘劑混合的組分含量按重量計(jì)為碳 化鎢顆粒50 — 90% ，金剛石粉2 — 30%，膠粘劑余量；
在石墨外套模具中放入定位鋼圓柱，將涂抹好的鋼齒牙輪放入石墨外套模具，再在外 套模具中添加一定量的樹脂砂，然后放入200 — 300。C的烘箱烘烤，大概1一2個(gè)小時(shí)后即 可。在石墨外套模具中加入對(duì)應(yīng)于膠粘劑量(按照體積)略多的粘結(jié)金屬以及一定量的助 熔劑，入爐熔滲燒結(jié)，熔滲燒結(jié)溫度在卯0—1200。C之間，等粘結(jié)金屬完全浸漬了表面涂 抹層后出爐保溫冷卻，再開模清理即成。
按上述方案，在鋼齒牙輪齒槽處涂抹由碳化鎢顆粒和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒 結(jié)層碳化鎢顆粒和膠粘劑混合的組分含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒70 — 90%，膠粘劑余 量；由此在鋼齒牙輪的齒槽形成碳化鎢耐磨層。
按上述方案，所述的膠粘劑是由甘油，烷基丙烯酸脂，二乙二醇單丁醚配制而成的流 態(tài)膠粘劑，這種膠粘劑在50(TC下完全揮發(fā)，膠粘劑起到粘結(jié)和暫時(shí)定型的作用，在牙輪 燒結(jié)的后期，膠粘劑所占的空間由粘結(jié)金屬所填充和替代。
本發(fā)明的有益效果在于1、通過熔滲燒結(jié)的工藝方法在鋼齒牙輪的牙齒表面設(shè)置碳 化鎢金剛石復(fù)合耐磨層，可使復(fù)合耐磨層牢固粘結(jié)在牙齒表面，把復(fù)合耐磨層與牙輪鋼體
融合成一體，有效提高鋼齒牙輪的耐磨性能；2、通過熔滲燒結(jié)，能夠準(zhǔn)確控制燒結(jié)的溫度，
有效避免高溫對(duì)復(fù)合層中金剛石的損傷，因此加工工藝和復(fù)合層質(zhì)量十分穩(wěn)定和可靠，使 金剛石在復(fù)合耐磨層中的耐磨性充分保持，使得鋼齒牙輪的耐磨性能和使用壽命得到進(jìn)一 步的增強(qiáng)和提高，從而有效提高了鋼齒牙輪鉆頭的實(shí)際使用壽命。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燒結(jié)示意圖。
圖2為本發(fā)明的鋼齒牙輪在燒結(jié)前的結(jié)構(gòu)圖示。 圖3為本發(fā)明牙齒耐磨層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合說明書附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例。 實(shí)施例1:
鋼齒牙輪包括牙輪體4和布設(shè)在牙輪體錐面上的牙齒，在鋼齒牙輪的牙齒表面包括牙
齒的齒頂8和齒側(cè)面10 (單面)覆有5毫米厚的碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層，在鋼齒牙輪的 齒槽9部位覆有5毫米厚的碳化鎢耐磨層，其中碳化鎢的粒度在38微米到250微米之間； 在鋼齒牙輪牙齒的齒頂與齒側(cè)的交界處開設(shè)有弧形凹槽11或倒角，可以增大復(fù)合耐磨層和
牙輪牙齒的接觸面積，提高復(fù)合耐磨層和牙輪鋼體的結(jié)合力。其加工過程為加工待表面
強(qiáng)化的鋼齒牙輪和石墨外套模具6，在石墨外套膜具中放好定位鋼圓柱7，用于定位牙輪在
樹脂砂模具中的位置，定位鋼圓柱材料為低碳鋼，其直徑為5毫米，高度為IO毫米；牙輪
噴砂處理；然后在鋼齒牙輪牙齒上按重量計(jì)涂抹5毫米厚由10%的膠粘劑、20%的250 — 425微米的人造單晶金剛石2和70%的碳化鎢顆粒3混合成的待燒結(jié)層，在鋼齒牙輪齒槽 面上按重量計(jì)涂抹5毫米厚由10%的膠粘劑和90%的碳化鎢顆?；旌铣傻拇裏Y(jié)層；把牙 輪裝入石墨外套模具中；然后在模具中添加適量的樹脂砂1;將裝好樹脂砂和牙輪的石墨 外套模具放入250。C烘箱中烘烤一個(gè)小時(shí)；然后取出來，加入適量的的銅基粘結(jié)金屬5和 助熔劑，再入爐熔滲燒結(jié)，爐溫到達(dá)1100。C (攝氏度)后保溫30分鐘，出爐保溫冷卻， 開模清理，機(jī)加工后就可以獲得表面強(qiáng)化了的鋼齒牙輪。 實(shí)施例2:
與上一個(gè)實(shí)施例的不同之處在于鋼齒牙輪表面涂抹有8毫米厚的涂抹層，在鋼齒牙
輪牙齒上包括齒頂和齒側(cè)面涂抹8毫米厚由10%的膠粘劑、10%的150 — 300微米的單晶 金剛石和80%的碳化鎢顆?；旌铣傻拇裏Y(jié)層，在鋼齒牙輪齒槽上涂抹8毫米厚由10%的 膠粘劑和90%的碳化鎢顆粒混合成的待燒結(jié)層。其它情況與上一個(gè)實(shí)施例相同，組分含量 均按重量計(jì)。
權(quán)利要求
1、一種表面強(qiáng)化鋼齒牙輪，包括有牙輪體和布設(shè)在牙輪體錐面上的牙齒，其特征在于在鋼齒牙輪的牙齒表面覆有一碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層，所述的碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層由碳化鎢顆粒、單晶金剛石以及粘結(jié)金屬經(jīng)1200℃以下高溫熔滲燒結(jié)而成，并且碳化鎢顆粒、單晶金剛石和粘結(jié)金屬的百分含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒 50-90％，單晶金剛石2-30％，粘結(jié)金屬余量。
2、 按權(quán)利要求1所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪，其特征在于所述的碳化鎢金剛 石復(fù)合耐磨層的厚度為1一10毫米，覆蓋于鋼齒牙輪牙齒的齒頂和齒側(cè)面。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪，其特征在于所述的碳化鎢 顆粒粒度為20 — 600微米。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪，其特征在于所述的單晶金 剛石的顆粒粒度為90—600微米。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪，其特征在于所述的粘結(jié)金 屬為銅基粘結(jié)金屬，為是銅、鎳、錳、鋅、錫金屬組成的銅基合金。
6、 按權(quán)利要求1或2所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪鉆頭，其特征在于在鋼齒牙 輪的齒槽部位覆有碳化鎢耐磨層。
7、 按權(quán)利要求1或2所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪鉆頭，其特征在于所述的碳 化鎢耐磨層由碳化鎢顆粒和粘結(jié)金屬經(jīng)1200°C以下高溫熔滲燒結(jié)而成，并且碳 化鎢顆粒和粘結(jié)金屬的組分含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒70 — 90%，粘結(jié)金屬
8、 一種表面強(qiáng)化鋼齒牙輪的制作方法，其特征在于首先，設(shè)計(jì)一外套石墨 模具，在表面噴砂處理后的鋼齒牙輪牙齒表面處涂抹由金剛石粉、碳化鴇顆粒和 膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層金剛石粉、碳化鎢顆粒和膠粘劑混合的組分 含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒 50—90%,金剛石粉2 — 30%，膠粘劑余量；將涂抹好待燒結(jié)層的鋼齒牙輪放入石墨外套模具，再在石墨外套模具中添加 一定量的樹脂砂，然后放入200—300。C烘箱中烘烤l一2個(gè)小時(shí)，然后出爐。在出爐后的模具中加入適量的粘結(jié)金屬和助熔劑，入爐熔滲燒結(jié)，熔滲燒結(jié) 溫度在900— 1200° C之間，等粘結(jié)金屬完全浸漬了表面涂抹層后出爐保溫冷卻， 再開模清理即成。
9、 按權(quán)利要求8所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪的制作方法，其特征在于在鋼齒牙輪齒槽處涂抹由碳化鎢顆粒和膠粘劑混合成的待燒結(jié)層，待燒結(jié)層碳化鉤顆粒和膠粘劑混合的組分含量按重量計(jì)為碳化鎢顆粒 70—90%，膠粘劑余量；由 此在鋼齒牙輪的齒槽形成碳化鎢耐磨層。
10、按權(quán)利要求8或9所述的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪的制作方法，其特征在于在 待燒結(jié)層未涂抹前在鋼齒牙輪牙齒的齒頂與齒側(cè)的交界處開設(shè)弧形凹槽或倒角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域鋼齒牙輪鉆頭上的表面強(qiáng)化鋼齒牙輪及其制作方法。其特征在于在鋼齒牙輪鉆頭的牙齒表面覆蓋有一碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層，所述的碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層由碳化鎢顆粒、單晶金剛石以及粘結(jié)金屬經(jīng)1200℃以下高溫熔滲燒結(jié)而成。其含量為碳化鎢顆粒50-90％，金剛石粉2-30％，粘結(jié)金屬余量。本發(fā)明通過熔滲燒結(jié)的工藝方法在鋼齒牙輪的牙齒表面形成一層碳化鎢金剛石復(fù)合耐磨層，使其牢固地粘結(jié)在鋼齒牙輪鉆頭鋼齒表面，通過精確地控制燒結(jié)溫度，有效避免高溫對(duì)復(fù)合層中單晶金剛石的損傷，使得鋼齒牙輪的耐磨性能和使用壽命得到進(jìn)一步的增強(qiáng)和提高，從而能有效提高鋼齒牙輪鉆頭的實(shí)際使用壽命。
文檔編號(hào)B22F7/06GK101100930SQ20071005282
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者彭金龍, 郭國忠 申請(qǐng)人:江漢石油鉆頭股份有限公司