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径向扶正滑动轴承静环的制造方法

基本信息

  • 申请号 CN202010594210.3 
  • 公开号 CN111468720A 
  • 申请日 2020/06/28 
  • 公开日 2020/07/31 
  • 申请人 北京春仑石油技术开发有限公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 赵红梅  
  • 主分类号 B22F3/10 
  • 申请人地址 102200 北京市昌平区科技园区超前路9号B座2133室 
  • 分类号 B22F3/10;B22F5/10;C22C32/00 
  • 专利代理机构 北京三友知识产权代理有限公司 11127 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 陈烨 
  • 有效性 审查中-实审 
  • 法律状态 审查中-实审
  •  

摘要

本发明提供一种径向扶正滑动轴承静环的制造方法,该方法包括:获取静环制造模具,该模具包括芯模、同轴放置在芯模外的基体,芯模和基体之间形成环形空间,芯模、基体和盖板之间形成容纳空间;设置定位基准,清洗待粘结部件,将耐磨件粘贴在芯模的外圆柱面上;组装填料,将铸造碳化钨粉末倒入环形空间剩余缝隙内,在铸造碳化钨粉末上方放入定位粉末形成定位层,之后再按比例放入一定量粘结合金,在粘结合金上按比例均匀洒上一定量的助熔剂,盖上盖板;将组装并填料好的模具进行烧结,得到静环毛坯;将静环毛坯空冷后进行机加工,使静环的尺寸达到设计要求。
利用本发明能提高径向扶正滑动轴承的工作寿命,同时降低机加工难度和制造成本。
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权利要求书


1.一种径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:获取静环制造模具,所述静环制造模具包括芯模、同轴放置在所述芯模外的基体,设置在所述基体上端的盖板,所述芯模和基体之间形成环形空间,所述芯模、基体和盖板之间形成容纳空间;设置定位基准,包括在所述芯模的外圆柱面上按预定排列方式设置基准,用于定位耐磨件;所述耐磨件的材质包括:硬质合金或/和聚晶金刚石;清洗待粘结部件,包括对所述芯模的外圆柱面、基体的内圆柱面、耐磨件表面进行清洗;粘贴耐磨件,包括根据所述预定排列方式,基于上述设置的基准将所述耐磨件粘贴在所述芯模的外圆柱面上;组装填料,将粉末状的铸造碳化钨倒入芯模与基体之间的环形空间剩余缝隙内,在铸造碳化钨上方放入定位粉末形成定位层,之后再按比例放入一定量粘结合金,在粘结合金上按比例均匀洒上一定量的助熔剂,盖上盖板;烧结,包括将组装并填料好的模具放入高温烧结炉中采用无压浸渍工艺进行烧结,烧结结束后得到静环毛坯;机加工,包括将所述静环毛坯从烧结炉中取出,进行空冷,温度降到室温后对静环毛坯进行机加工,使静环的尺寸达到设计要求。
2.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述铸造碳化钨粉末、粘结合金与助熔剂的重量百分比例为:1000:1200:1。
3.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述粘结合金为铜基合金、镍基合金、钴基合金、锌基合金中的一种或任意几种的混合物。
4.如权利要求3所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述粘结合金呈柱状或块型,所述粘结合金为:Ni-Mn-Cu-Zn合金,镍、锰、铜、锌的重量百分比含量为:8.0%:5.0%:52.0%:35.0%。
5.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述助熔剂为无水四硼酸钠。
6.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于,所述定位粉末包括下述中的任意一种或其组合:铁粉、钨粉。
7.如权利要求1或5所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于,在铸造碳化钨粉末上方放入定位粉末形成定位层前,所述方法还包括:将铸造碳化钨粉末震实,震实所述铸造碳化钨粉末后,在所述铸造碳化钨粉末上方形成的定位层的厚度至少为3毫米。
8.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述基体的材质为40CrMnMo或40CrMnMoA。
9.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述基体具有相对的第一端和第二端,所述第一端的高度高于所述芯模的高度,所述基体的第一端处设置有盖板,所述盖板、所述芯模和所述基体之间形成所述容纳空间;所述基体的第二端与所述芯模密封固定配合形成密封端。
10.如权利要求9所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述基体的内壁上自所述第二端至所述第一端至少形成有第一内圆柱面和第二内圆柱面,所述第一内圆柱面的内径大于所述第二内圆柱面的内径,所述第一内圆柱面与所述第二内圆柱面之间形成第一下限位部;所述芯模的外壁至少包括与所述第一内圆柱面相抵靠的第一外圆柱面,与所述第二内圆柱面相配合的第二外圆柱面,所述第二内圆柱面和第二外圆柱面之间形成环形间隙;所述第一外圆柱面的外径大于所述第二外圆柱面的外径,所述第一外圆柱面与所述第二外圆柱面之间形成第二下限位部,所述第一下限位部与所述第二下限位部相配合形成限位机构。
11.如权利要求10所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述芯模具有相对的上端和下端,所述芯模的上端形成有中间高、四周低的环形锥面。
12.如权利要求10所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述基体的内壁上还形成有第三内圆柱面,自所述第二端至所述第一端,所述第一内圆柱面、第二内圆柱面和第三内圆柱面的内径依次递减,所述第三内圆柱面与所述第二外圆柱面之间形成的环形间隙用于容纳所述定位层。
13.如权利要求10所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述第二内圆柱面上设置有凹槽。
14.如权利要求10所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:在烧结步骤中,烧结温度为960℃~1100℃,待熔化的粘结合金先后从芯模、定位层浸透到环形间隙内的铸造碳化钨、耐磨件与基体相互之间的孔隙中后;保温40~120分钟,然后进行空冷,制得静环毛坯;烧结后,铸造碳化钨、耐磨件与基体相互之间的粘结强度≥60MPa。
15.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述芯模为实心结构,所述芯模的材质包括下述中的任意一种:高强石墨、覆膜砂。
16.如权利要求1所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述芯模为中空的筒体,所述筒体靠近所述定位层的一端为封闭端,所述芯模的材质包括:低碳钢。
17.如权利要求10所述的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,其特征在于:所述模具还包括补偿环,所述补偿环套设在所述芯模外,并抵靠在所述第一外圆柱面与所述第二外圆柱面交界的位置,所述补偿环与所述芯模配合用于形成所述第二下限位部。
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说明书

技术领域
本发明涉及一种钻探用井下工具的金属加工制造技术领域,尤其涉及一种旋转导向系统径向扶正滑动轴承静环的制造方法。
背景技术
径向扶正滑动轴承是钻探井下工具的易损部件,在对井下工具进行维修时,更换径向扶正滑动轴承是主要工作内容之一。
目前,井下工具的径向扶正滑动轴承基本都是径向扶正硬质合金滑动轴承(简称TC轴承),其静环和动环工作面耐磨材料为长条状硬质合金块,尽管硬质合金的硬度很高(HRA89~92),但因钻井液中含大量的固相颗粒(如铁矿粉、石英砂等),这些微颗粒通过扶正轴承工作间隙时会对轴承静环和动环摩擦工作面耐磨材料造成严重的磨粒磨损,致使TC轴承的工作寿命只有150h~200h(钻井液固相含量越高,轴承寿命越短)。
在制作工艺方面,TC轴承自上世纪90年代末引进我国后,开始了国产化研制。
由于技术保密和经济效益原因,国内各研制单位有关TC轴承的模具及制造方法等关键技没能相互交流,也没有相关文献报道,致使TC轴承的模具及制造工艺多种多样,废品率居高不下,主要体现在:静环和动环成品基体材质的硬度达不到井下工具零部件要求的硬度HRC32~36(通常只能达到HRC25~30);静环和动环铸造碳化钨与铜基合金粘结剂存在杂质(表现为大小不等的黑色孔洞),硬质合金耐磨材料与铸造碳化钨粘结强度低(≤60MPa),滑动轴承工作寿命低;其次,铸造碳化钨过多时车削加工困难(不能车加工),制造成本高,性价比低,不能满足实际钻探井下工具的需要。
因此,有必要提供一种新的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,以克服现有技术中的至少一个缺陷。
应该注意,上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明,并方便本领域技术人员的理解而阐述的。
不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
为了克服现有技术中的至少一个缺陷,本发明提供了一种径向扶正滑动轴承静环的制造方法,能够提高成品基体材质硬度和径向扶正滑动轴承的工作寿命,同时降低机加工难度和制造成本,便于推广应用。
为了实现上述目的,本发明提供了如下的技术方案。
一种径向扶正滑动轴承静环的制造方法,包括以下步骤:获取静环制造模具,所述静环制造模具包括芯模、同轴放置在所述芯模外的基体,设置在所述基体上端的盖板,所述芯模和基体之间形成环形空间,所述芯模、基体和盖板之间形成容纳空间;设置定位基准,包括在所述芯模的外圆柱面上安装预定排列方式设置基准,用于定位耐磨件;所述耐磨件的材质包括:硬质合金和/或聚晶金刚石;清洗待粘结部件,包括对所述芯模的外圆柱面、基体的内圆柱面、耐磨件表面进行清洗;粘贴耐磨件,包括根据所述预定排列方式,基于上述设置的基准将所述耐磨件粘贴在所述芯模的外圆柱面上;组装填料,将铸造碳化钨粉末道倒入芯模与基体之间的环形空间剩余缝隙内,在铸造碳化钨粉末上方放入定位粉末形成定位层,之后再按比例放入一定量粘结合金,在粘结合金上按比例均匀洒上一定量的助熔剂,盖上盖板;烧结,包括将组装并填料好的模具放入高温烧结炉中采用无压浸渍工艺进行烧结,烧结结束后得到静环毛坯;机加工,包括将所述静环毛坯从烧结炉中取出,进行空冷,温度降到室温后对静环毛坯进行机加工,使静环的尺寸达到设计要求。
在一个优选的实施方式中,所述铸造碳化钨粉末、粘结合金与助熔剂的重量百分比例为:1000:1200:1。
在一个优选的实施方式中,所述粘结合金为铜基合金、镍基合金、钴基合金、锌基合金中的一种或任意几种的混合物。
在一个优选的实施方式中,所述粘结合金呈柱状块型,所述粘结合金为:Ni-Mn-Cu-Zn合金,镍、锰、铜、锌的重量百分比含量为:8.0%:5.0%:52.0%:35.0%。
在一个优选的实施方式中,所述助熔剂为无水四硼酸钠。
在一个优选的实施方式中,所述定位粉末包括下述中的任意一种或其组合:铁粉、钨粉。
在一个优选的实施方式中,在铸造碳化钨粉末上方放入定位粉末形成定位层前,所述方法还包括:将铸造碳化钨粉末震实,震实所述铸造碳化钨粉末后,在所述铸造碳化钨粉末上方形成的定位层的厚度至少为3毫米。
在一个优选的实施方式中,所述基体的材质为40CrMnMo或40CrMnMoA。
在一个优选的实施方式中,所述基体具有相对的第一端和第二端,所述第一端的高度高于所述芯模的高度,所述基体的第一端处设置有盖板,所述盖板、所述芯模和所述基体之间形成所述容纳空间;所述基体的第二端与所述芯模密封固定配合形成密封端。
在一个优选的实施方式中,所述基体的内壁上自所述第二端至所述第一端至少形成有第一内圆柱面和第二内圆柱面,所述第一内圆柱面的内径大于所述第二内圆柱面的内径,所述第一内圆柱面与所述第二内圆柱面之间形成第一下限位部;所述芯模的外壁至少包括与所述第一内圆柱面相抵靠的第一外圆柱面,与所述第二内圆柱面相配合的第二外圆柱面,所述第二内圆柱面和第二外圆柱面之间形成环形间隙;所述第一外圆柱面的外径大于所述第二外圆柱面的外径,所述第一外圆柱面与所述第二外圆柱面之间形成第二下限位部,所述第一下限位部与所述第二下限位部相配合形成限位机构。
在一个优选的实施方式中,所述芯模具有相对的上端和下端,所述芯模的上端形成有中间高、四周低的环形锥面。
在一个优选的实施方式中,所述基体的内壁上还形成有第三内圆柱面,自所述第二端至所述第一端,所述第一内圆柱面、第二内圆柱面和第三内圆柱面的内径依次递减,所述第三内圆柱面与所述环形锥面之间形成的环形间隙用于容纳所述定位层。
在一个优选的实施方式中,所述第二内圆柱面上设置有凹槽。
在一个优选的实施方式中,在烧结步骤中,烧结温度为960℃~1100℃,待熔化的粘结合金先后从芯模、定位层浸透到环形间隙内的铸造碳化钨、耐磨件与基体相互之间的孔隙中后;保温40~120分钟,然后进行空冷,制得静环毛坯;烧结后,铸造碳化钨、耐磨件与基体相互之间的粘结强度≥60MPa。
在一个优选的实施方式中,所述芯模为实心结构,所述芯模的材质包括下述中的任意一种:高强石墨、覆膜砂。
在一个优选的实施方式中,所述芯模为中空的筒体,所述筒体靠近所述定位层的一端为封闭端,所述芯模的材质包括:低碳钢。
在一个优选的实施方式中,所述模具还包括补偿环,所述补偿环套设在所述芯模外,并抵靠在所述第一外圆柱面与所述第二外圆柱面交界的位置,所述补偿环与所述芯模配合用于形成所述第二下限位部。
本发明实施方式提供一种全新的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,综合考虑了产品性能、实际生产的可行性和制作成本等因素,实施时,基于获取的静环制造模具,利用基准定位、清洗、粘接、组装填料、烧结和机加工等步骤,获得了一种理想的径向扶正滑动轴承静环。
整体上,能够提高成品基体材质硬度和径向扶正滑动轴承的工作寿命,同时降低机加工难度和制造成本,能更好地满足现代钻井井下工具的使用需求,便于推广应用。
参照后文的说明和附图,详细公开了本发明的特定实施方式,指明了本发明的原理可以被采用的方式。
应该理解,本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用,与其它实施方式中的特征相组合,或替代其它实施方式中的特征。
应该强调,术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在,但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的,而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。
另外,图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的,用于帮助对本发明的理解,并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。
本领域的技术人员在本发明的教导下,可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
在附图中:图1为本申请所要制造的一种径向扶正滑动轴承静环的剖面结构示意图;图2A为本申请第一种实施方式中提供的径向扶正滑动轴承静环的模具总装结构纵剖面示意图;图2B为图2A中静环基体的纵剖面结构示意图;图2C为图2A中芯模的纵剖面结构示意图;图2D为图2C中芯模第二外圆柱面沿着圆周方向展开后的示意图;图2E为图2C中芯模第二外圆柱面粘贴好耐磨件后的剖面结构示意图;图2F为图2E中芯模第二外圆柱面沿着圆周方向展开后的示意图;图3为本申请所要制造的另一种径向扶正滑动轴承静环的剖面结构示意图;图4A为本申请第二种实施方式中提供的径向扶正滑动轴承静环的模具总装结构纵剖面示意图;图4B为图4A中芯模的纵剖面结构示意图;图4C为图4B中芯模第二外圆柱面粘贴好耐磨件后的纵剖面结构示意图;图4D为图4B中补偿环纵剖面结构示意图;图5A为本申请第三种实施方式中提供的径向扶正滑动轴承静环的模具总装结构纵剖面示意图;图5B为图5A中芯模的纵剖面结构示意图;图5C为图5B中芯模第二外圆柱面粘贴好耐磨件后的纵剖面结构示意图;图6A为本申请第四种实施方式中提供的径向扶正滑动轴承静环的模具总装结构纵剖面示意图;图6B为图6A中芯模的纵剖面结构示意图;图6C为图6B中芯模第二外圆柱面粘贴好耐磨件后的纵剖面结构示意图;图7为本申请实施方式中提供的一种径向扶正滑动轴承静环的制造方法的流程示意图。
附图标记说明:1、基体;11、第一内圆柱面;12、第二内圆柱面;13、第三内圆柱面; 14、凹槽;15、第一下限位部;2、铸造碳化钨;3、耐磨件;4、芯模;41、第一外圆柱面;42、第二外圆柱面;43、锥面;44、定位部;45、第二下限位部;46、补偿环;47、筒底;5、粘结合金;6、定位层;7、底板;8、助熔剂;9、盖板;91、透气孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。
基于本发明中的实施方式,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方式,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,当元件被称为“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。
当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
针对现有技术中存在的上述问题,发明人根据近三十年的相关科研经验提出一种设置有硬质合金或聚晶金刚石耐磨件的径向扶正滑动轴承替代现有的TC轴承。
该径向扶正滑动轴承包括相匹配的静环和动环。
在本申请中,主要介绍径向扶正滑动轴承静环的制造技术。
在本申请实施方式中,所要制造的径向扶正滑动轴承静环,其可以根据具体的装配环境的需要,而作适应性调整设计。
具体的,如图1所示,为一种径向扶正滑动轴承静环的剖面结构示意图,该静环包括:中空的基体1,基体1的内表面上设置有铸造碳化钨2,铸造碳化钨2中设置有多个耐磨件3。
图1中所提供的静环结构,其铸造碳化钨2的高度与基体1的高度相同,适用于井下部分钻具,例如涡轮钻具、螺杆钻具等。
如图3所示,为另一种径向扶正滑动轴承静环的剖面结构示意图,该静环包括:中空的基体1,基体1的内表面上设置有铸造碳化钨2和补偿环46,铸造碳化钨2中设置有多个耐磨件3。
图3中所提供的静环结构,其基体1的高度大于铸造碳化钨2的高度,即基体1的两端包覆该铸造碳化钨2,适用于大部分径向扶正滑动轴承的场景。
初步实践证明,该新型径向扶正滑动轴承静环的寿命可以达到300h~600h以上,基体1的硬度在HRC32~36之间,耐磨件3、铸造碳化钨2、补偿环46和基体1相互之间的粘结强度≥60 MPa,以满足实际钻探井下工具的需求。
为了制造上述满足实际钻探井下工具需要的径向扶正滑动轴承,本申请提供一种相应的径向扶正滑动轴承静环的制造方法。
在正式制作前,需要获取制造模具。
如图2A或图4A或图5A或图6A所示,本申请实施方式中所提供的径向扶正滑动轴承静环的模具主要包括:用于作为静环基础的基体1、作为模具主体的芯模4。
如图2B所示,其中,所述基体1呈具有中心孔的环状。
所述芯模4的外壁与所述基体1的内壁形成用于设置耐磨件3的环形间隙。
所述基体1的材质可以选用含锰元素的合金钢。
具体的,可以为40CrMnMo或40CrMnMoA。
发明人发现:40CrMnMo或40CrMnMoA空冷后具有很好的机械性能,特别是硬度,可以达到HRC32~36,其避免使用通过高温淬火、低温回火的传统热处理工艺提高硬度,因而在使得制造工艺得到有效地简化,制造成本大大降低。
所述耐磨件3的材质包括:硬质合金和/或聚晶金刚石。
上述两种材料为硬度极高的耐磨材料,特别是聚晶金刚石材料,其可以作为金属切割件的刀片或者钻头牙齿等。
当该耐磨件3选用上述材料后,能够大大延长耐磨件3的使用寿命。
由于径向扶正滑动轴承的使用寿命主要取决于该耐磨件3的磨损程度,当耐磨件3的使用寿命延长之后,有利于保证轴承具有较长的使用寿命。
然而,如何将上述硬度极高的耐磨材料,特别是聚晶金刚石材料可靠地固定在基体1上是本领域的技术难点。
也就是说,目前还没有一种高效、可靠、低成本,具有市场推广前景的工艺方法。
在沿着该基体1的轴向,所述基体1具有相对的第一端和第二端。
所述第一端的高度高于所述芯模4的高度。
所述基体1的第一端处设置有盖板9,所述盖板9、所述芯模4和所述基体1之间形成用于放置定位层6、粘结合金5、助熔剂8的容纳空间。
其中,该粘结合金5可以为铜基合金、镍基合金、钴基合金、锌基合金中的一种或任意几种的混合物。
所述定位层6的材质包括下述中的任意一种或其组合:钨粉、铁粉。
整体上,该定位层6的材质可以选用熔点和密度均高于三氧化钨,且易于机加工的材质。
在后续制作过程中,铸造碳化钨2的装配高度很难准确控制,即在烧结前该铸造碳化钨2的用量很难精准地确定。
具体的,假如铸造碳化钨2加入的量至设计高度,发明人发现:烧结后铸造碳化钨2上端面经常会堆积一些杂质(多为各类氧化物,如黄色状的三氧化钨等)。
该杂质在铸造碳化钨2的上端形成具有孔洞的黄色结构,不仅影响产品的性能,更影响产品的外观,难以符合实际产品的需求。
为了解决顶端出现杂质的情况,理论上可行的一种方式是:在前期增加铸造碳化钨2的用量,即加入的加铸造碳化钨2的高度高于设计高度,后续再将杂质和多余的铸造碳化钨去除。
然而,当铸造碳化钨2加多了之后,后续机加工时,该烧结成型的铸造碳化钨合金的硬度和磨耗比特别高,车削去除十分困难,且成本高昂。
为了合理地控制该铸造碳化钨2的用量,使其达到理想的高度(即设计高度),不至于过多,同时也能够实现隔离杂质,本申请实施方式中采用了一种巧妙的方式。
该方式包括:在填充材料的过程中,先将铸造碳化钨2加至设计高度,然后在铸造碳化钨2的上方增加预定高度的定位层6。
在一个实施方式中,该定位层6可以选用铁粉铺设而成。
高温烧结时,主要成分是钨(约95.58%)的铸造碳化钨2在高温有氧条件下,未被碳化的多余钨易被氧化生成黄色三氧化钨,形成杂质。
三氧化钨的比重为7.16g/cm3,铁粉的比重为7.8g/cm3,从铸造碳化钨2粉末空隙中浮上来的杂质,由于密度小于铁,其不会不堆积在铸造碳化钨2上端面,而堆积在铁粉上方,方便后续机加工。
车加工时去掉环形空隙内的全部或部分铁粉即可。
为防止后续烧结时熔化后的粘结合金5液体漏失,待粉末状的铸造碳化钨2震实后或放入铁粉后即可通过焊接方式将底板7与基体1的第二端焊接密封固定在一起。
铁粉除了能使得铸造碳化钨2的高度达到设计高度,并且隔离杂质之外,其价格便宜,容易购买,且烧结结束后铁粉空隙内充满了粘结合金5,能与基体1很好地粘结在一起,具有一定抗拉强度和抗剪强度,容易车削加工。
在另一个实施方式中,该定位层6还可以选钨粉,钨粉不仅熔点高,也不会引入新的杂质。
具体的,该定位层6的高度h可以至少为3毫米。
发明人经过验证发现:当该定位层6的高度h大于或等于3毫米时,其能够满足上述性能需求。
该定位层6在后续机加工中可以全部或部分去除。
该厚度可以可靠地保证高温烧结时从铸造碳化钨2(粉末,即呈粉末状)空隙中浮上来的杂质不堆积在铸造碳化钨2上端面,而堆积在定位层6上方,方便后续通过机加工去除。
在本实施方式中,该基体1的第一端设置盖板9,用于防止高温烧结过程中粘结合金5过渡氧化。
具体的,所述盖板9可以为具有一定厚度的圆形钢板。
例如,该盖板9可以由厚度为4~6毫米的15#或20#钢钢板制成,既方便取材,又容易机加工。
该盖板9与该基体1的第一端配合位置可以为非密封配合,从而留出一定的间隙,用于高温烧结时排出内部空气。
此外,为了保证高温烧结时,内部空气能够可靠地排出,避免因高温加热,导致气体膨胀而发生安全事故,该盖板9上还可以开设有透气孔91。
在本实施方式中,所述芯模4的第二外圆柱面42用于定位耐磨件3。
该芯模4具有相对的顶面和底面,所述顶面呈中间高、四周低的锥面43。
当该所述芯模4的顶面为中间高、四周低的环形锥面43时,一方面可以节约粘结合金5的用量,另一方面有利于将熔化的粘结合金5沿着周向均匀地导向环形间隙中。
具体的,该锥面43的锥角可以在90°~150°之间。
在本实施方式中,所述基体1的内壁上自所述第二端至所述第一端至少形成有第一内圆柱面11和第二内圆柱面12,所述第一内圆柱面11的内径大于所述第二内圆柱面12的内径,所述第一内圆柱面11与所述第二内圆柱面12之间形成第一下限位部15。
具体的,该第一下限位部15可以为限位台肩的形式。
所述芯模4的外壁至少包括与所述第一内圆柱面11相抵靠的第一外圆柱面41,与所述第二内圆柱面12相配合的第二外圆柱面42。
所述第二内圆柱面12和第二外圆柱面42之间形成所述环形间隙。
所述第一外圆柱面41的外径大于所述第二外圆柱面42的外径。
所述第一外圆柱面41与所述第二外圆柱面42之间形成第二下限位部45。
所述第一下限位部15与所述第二下限位部45相配合形成限位机构。
该第二下限位部45也可以为限位台肩的形式。
当第一下限位部15和第二下限位部45相贴合时,该芯模4和基体1之间径向相对定位,并且轴向能被限位,无法再进一步相向移动。
进一步的,所述筒体的内壁上还形成有第三内圆柱面13,自所述第二端至所述第一端,所述第一内圆柱面11、第二内圆柱面12和第三内圆柱面13的内径依次递减。
所述第三内圆柱面13与所述环形锥面43之间形成的环形间隙用于容纳所述定位层6。
如图2D所示,在一个实施方式中,所述第二外圆柱面42上还设置有用于定位耐磨件3的定位部。
所述定位部44可以为在所述第二外圆柱面42按照预设的排列方案通过涂覆、粘贴等方式设置的基准线。
其中,耐磨件3相互之间的最大距离通常为2~5mm,且必须小于耐磨件3的宽度尺寸,耐磨件3在摩擦面的覆盖面积通常为70%~80%。
具体的,如图2E、图2F所示,该耐磨件3可以整体呈矩形,当然,该耐磨件3的形状并不限于上述形状,其还可以为其它形状,本申请在此并不作唯一限定。
在第三内圆柱面13与第二内圆柱面12交界的位置,形成有上限位部,该上限位部可以用于对铸造碳化钨2、粘结合金5进行定位和固定。
此外,该第三内圆柱面13的内径小于该第二内圆柱面12的内径,也有利于减小定位层6的体积,减小材料的浪费。
进一步的,所述第二内圆柱面12上可以设置有凹槽14,以增加粘结合金5的粘结表面积,从而大幅度提高烧结后铸造碳化钨2、硬质合金或/和聚晶金刚石耐磨件3与基体1相互之间的粘结强度。
具体的,该凹槽14的形式可以包括螺旋槽或环形槽。
当然,该凹槽14的形式还可以为其它形式,本申请在此并不作具体的限定。
在本实施方式中,所述基体1的第二端与所述芯模4密封固定配合形成密封端。
其中,该密封固定配合可以通过直接焊接,也可以通过中间过渡件(例如底板7)连接后焊接固定。
如图2A、图2C或图4A、图4B所示,该芯模4可以呈实心的柱状结构;此外,如图5A、图5B或图6A、图6B所示,该芯模4也可以呈空心的倒置筒状结构。
根据芯模4结构的不同,本申请说明书中分不同的实施方式进行解释说明。
请结合参阅图2A至图2F,本申请第一种实施方式提供了一种径向扶正滑动轴承静环(如图1所示)的模具001(如图2A所示)。
该径向扶正滑动轴承静环的模具001中,该芯模4可以呈实心的柱状结构,该芯模4的材料可以选用高强石墨,此外,该芯模4的材质可以选用覆膜砂。
当该芯模4选用覆膜砂时,不仅成本低,而且在对静环毛坯进行机加工前可以将该覆膜砂制作的芯模4直接敲掉,无需对芯模4部分再进行机加工。
该径向扶正滑动轴承静环的模具还包括底板7,该底板7用于承载该芯模4和基体1的下表面。
具体的,所述底板7可以为焊接在所述基体1第二端的一圆形薄盘,该底板7可以选用材质为15#钢或20#钢,厚度可以为4mm。
请结合参阅图4A、图2B、图4B、图2D、图4C、图4D和图2F,本申请第二种实施方式提供了一种径向扶正滑动轴承静环(如图3所示)的模具002(如图4A所示)。
该径向扶正滑动轴承静环的模具002中,该芯模4可以呈实心的柱状结构,该芯模4的材料可以选用高强石墨,此外,该芯模4的材质还可以选用覆膜砂。
当该芯模4选用覆膜砂时,不仅成本低,而且在对静环毛坯进行机加工前可以将该覆膜砂制作的芯模4直接敲掉,无需对芯模4部分再进行机加工。
该径向扶正滑动轴承静环的模具002还包括底板7,该底板7用于承载该芯模4和基体1的下表面。
具体的,所述底板7可以为焊接在所述基体1第二端的一圆形薄盘,该底板7可以选用材质为15#钢或20#钢,厚度可以为4mm。
请结合参阅图5A、图2B、图5B、图2D、图5C、图4D和图2F,本申请第三种实施方式提供了一种径向扶正滑动轴承静环(如图3所示)的模具003(如图5A所示)。
该径向扶正滑动轴承静环的模具003中,该芯模4可以呈空心的倒置筒状结构,该芯模4的材质可以为低碳钢(碳含量低于0.25%的碳素钢)。
整体上,低碳钢价格便宜,机加工性能好,热传导性能也好。
由于该结构的芯模4具有热传导性能,即具有很好的散热性能,在无压浸渍烧结结束并从高温电炉中取出冷却后静环基体1的机械性能(特别是硬度)能达到相应技术要求。
由于低碳钢的强度和硬度较低,便于机加工,此外,该由低碳钢材质制作的芯模4,其塑性、韧性、焊接性好,后续烧结过程中,具有较好的伸缩性能,不易发生开裂现象;后续机加工去除该芯模4时,去除材料少,不易对车床轨道造成磨损和造成环境污染。
请结合参阅图6A、图2B、图6B、图2D、图6C、图4D和图2F,本申请第四种实施方式提供了一种径向扶正滑动轴承静环(如图3所示)的模具004(如图6A所示)。
该径向扶正滑动轴承静环的模具004中,该芯模4可以呈空心的倒置筒状结构,该芯模4的材质可以为低碳钢。
整体上,低碳钢价格便宜,机加工性能好,热传导性能也好。
由于该结构的芯模4具有热传导性能,即具有很好的散热性能,在无压浸渍烧结结束并从高温电炉中取出冷却后静环基体1的机械性能(特别是硬度)能达到相应技术要求。
由于低碳钢的强度和硬度较低,便于机加工。
于上述芯模4结构不同的实施方式而言,该径向扶正滑动轴承静环制造方法整体步骤基本一致,仅存在一些细节的差异。
如图1所示,以下先以本申请第一种实施方式利用芯模4为实心结构的径向扶正滑动轴承静环的模具001进行阐述。
如图7所示,本申请第一个实施方式中所提供的径向扶正滑动轴承静环(如图1所示)的制造方法可以包括如下步骤:步骤S10:获取静环制造模具,所述静环制造模具包括芯模4、同轴放置在所述芯模4外的基体1,设置在所述基体1上端的盖板9,所述芯模4和基体1之间形成环形空间,所述芯模4、基体1和盖板9之间形成容纳空间;步骤S12:设置定位基准,包括在所述芯模4的第二外圆柱面42上按照预设的排列方式设置基准线,用于定位耐磨件3;所述耐磨件3的材质包括:硬质合金或聚晶金刚石中的任意一种;步骤S14:清洗待粘结部件,包括对所述芯模4的外圆柱面、基体1的内圆柱面、耐磨件3表面进行清洗;步骤S16:粘贴耐磨件3,包括根据所述预定排列方式,基于上述设置的基准线将所述耐磨件3粘贴在所述芯模4的第二外圆柱面42上;步骤S18:组装填料,将粉末状的铸造碳化钨2倒入芯模4与基体1之间的环形空间剩余缝隙内,在铸造碳化钨2上方放入定位粉末形成定位层6,之后再按比例放入一定量粘结合金5,在粘结合金5上按比例均匀洒上一定量的助熔剂8,盖上盖板9;步骤S20:烧结,包括将组装并填料好的模具放入高温烧结炉中采用无压浸渍工艺进行烧结,烧结结束后得到静环毛坯;步骤S22:机加工,包括将所述静环毛坯从烧结炉中取出,进行空冷,温度降到室温后对静环毛坯进行机加工,使静环的尺寸达到设计技术要求。
具体的,在执行本申请所提供的径向扶正滑动轴承静环制造方法之前,首先需要做一些准备工作。
该这些准备工作包括:获取所需规格和数量的芯模4(例如,材质可以为高强石墨或耐高温铸造覆膜砂)、基体1(例如,材质可以为40CrMnMo或40CrMnMoA)、盖板9(例如,材质可以为15#或20#钢)、底板7(例如,材质可以为15#或20#钢)、粘结合金5(例如,材质可以为铜基合金)、助熔剂8(例如,材质可以为无水四硼酸钠Na2B4O7)、耐磨件3(硬质合金和/或聚晶金刚石)、粘结剂(例如,材质可以为乳胶)等。
在芯模4的外壁上,具体的,在芯模4的第二外圆柱面42上,根据耐磨件3的排列方案划出粘贴基准线。
接着正式进入制备阶段。
在制备过程中,首先需要执行清洗步骤,具体的,对芯模4、基体1和耐磨件3进行清洗,以确保需要粘结位置的清洁度。
具体的,需要粘结的位置包括:芯模4的第二外圆柱面42,基体1的第二内圆柱面12、耐磨件3的表面,从而保证上述各个位置无影响粘结性能的污物及杂质存在。
在清洗结束后,执行粘贴步骤:根据耐磨件3的排列方案,参照芯模4第二外圆柱面42上划好的粘贴基准线,将清洗干净的硬质合金耐磨件3用粘结剂逐一粘贴在芯模4第二外圆柱面42上,用手指轻轻压实、压平耐磨件3,并检查耐磨件3是否已经粘贴牢固。
在上述粘贴步骤结束后,可以按照如图2A所示,将模具进行组装。
具体的,首先将基体1同轴放置在芯模4外侧。
在此基础上,再执行相应的填料步骤。
在执行填料步骤时,将适量粉末状的铸造碳化钨2倒入芯模4与基体1之间的环形空间剩余缝隙内,在震动机上震实后在铸造碳化钨2上方放入少量铁粉。
铁粉在芯模4与基体1之间的环形空隙内的高度h可以至少为3mm。
高温烧结时,主要成分是钨(约95.58%)的铸造碳化钨2(如二次利用的回收铸造碳化钨粉)在高温有氧条件下,未被碳化的多余钨易被氧化生成黄色三氧化钨,形成杂质。
三氧化钨的比重为7.16g/cm3,铁粉的比重为7.8g/cm3,从铸造碳化钨2粉末空隙中浮上来的杂质,由于密度小于铁,其不会不堆积在铸造碳化钨2上端面,而堆积在铁粉上方,方便后续机加工。
车加工时去掉环形空隙内的全部铁粉即可。
为防止后续烧结时熔化后的粘结合金5液体漏失,待粉末状的铸造碳化钨2震实后或放入铁粉后即可通过焊接方式将底板7与基体1的第二端密封固定在一起。
放完铁粉后,再按比例放入一定量粘结合金5,在粘结合金5上按比例均匀洒上一定量的助熔剂8。
助熔剂8泛指各种可以降低物质熔点的物质,助熔剂8最常运用于冶金工艺技术中,可使金属在较低的温度也能进行冶炼、焊接等工作。
在冶金学中,其主要作用是与矿物中的杂质结合成渣而与金属分离,以达到熔炼或精炼的目的。
在本申请中,助熔剂8降低了粘结合金5的熔点,使全部粘结合金充分熔化,熔化后的金属液体的粘度随温度增加而降低,更容易流动,因而更容易浸入铸造碳化钨2、耐磨件3及基体1相互间的空隙。
具体的,所述助熔剂8可以为无水四硼酸钠(化学式为Na2B4O7)。
该无水四硼酸钠也称为金属清洁剂,可以对铸造碳化钨2、耐磨件3和基体1进行清洁,提高融化后的粘结合金5液体与需要焊接的材料之间的粘结强度。
具体的,铸造碳化钨2、粘结合金5与助熔剂8的重量百分比例为:1000:1200:1。
由于铸造碳化钨2的重量是后面计算粘结合金5和助熔剂8用量的依据,因此须在填充铸造碳化钨2过程前后要对铸造碳化钨2的重量记录清楚,以便计算铸造碳化钨2的实际使用重量。
具体的,所述粘结合金5为铜基合金、镍基合金、钴基合金、锌基合金中的一种或任意几种的混合物。
如某柱状小块粘结合金5的配方(Ni-Mn-Cu-Zn)及其重量百分比含量为:8.0%:5.0%:52.0%:35.0%。
在所述烧结步骤中,所述烧结温度为960℃~1100℃,待熔化的粘结合金5先后从芯模4、定位层6浸透到环形间隙内的铸造碳化钨2、耐磨件3与基体1相互之间的孔隙中后,保温40~120分钟,然后进行空冷,制得静环毛坯;烧结后,铸造碳化钨2、耐磨件3与基体1相互之间的粘结强度≥60MPa。
当然该保温的时间并不限于上述举例,主要依据是炉膛内工件数量多少及体积大小。
一般的,工件数量越多、工件体积越大,保温所需时间越长。
保温结束后,取出空冷,即制得静环毛坯。
在烧结步骤结束后,可以执行机加工步骤。
具体的,执行机加工步骤时,待烧结好的静环毛坯从烧结炉中取出空冷至常温后,对静环毛坯进行机加工,使静环的实际尺寸达到设计技术要求。
具体的,机加工包括以下步骤:①粗车(俗称扒块),对静环毛坯进行粗加工,为后续各加工步骤留出一定加工余量;②磨加工,采用金刚石砂轮对静环内表面进行磨削加工,使耐磨件3表面在同一圆柱面内,同时降低表面粗糙度;③精车,以耐磨件3表面为基准,按照技术要求将静环各尺寸加工到设计要求。
在第二个实施方式中,与上述第一个实施方式不同之处在于采用了不同的模具。
具体的,该模具的芯模4为具有补偿环46的实心柱状结构。
所述补偿环46的材质包括:40CrMnMo或40CrMnMoA。
所述补偿环46的内圆柱面与所述芯模4的外圆柱面之间采用过渡配合连接在一起而成为一个整体。
所述第一个实施方式提供的模具001用于制造出如图1所示的径向扶正滑动轴承静环,而所述第二个实施方式提供的模具002既能制造出如图1所示的径向扶正滑动轴承静环,也能制造出如图3所示的径向扶正滑动轴承静环。
在第三个实施方式中,与上述第二个实施方式不同之处在于采用了不同的模具。
具体的,该模具的芯模4为具补偿环46的中空倒置筒状结构,所述筒体靠近所述定位层6的一端为封闭端。
所述芯模4的材质包括:低碳钢。
所述补偿环46的材质包括:40CrMnMo或40CrMnMoA。
所述补偿环46的内圆柱面与所述芯模4的外圆柱面之间采用过渡配合连接在一起而成为一个整体。
所述第三个实施方式提供的模具003既能制造出如图1所示的径向扶正滑动轴承静环,也能制造出如图3所示的径向扶正滑动轴承静环。
该实施方式适合大批量制造,因芯模4的毛坯可采用失蜡精密铸造方式制造,以最大限度降低模具制造成本。
在第四个实施方式中,与上述第三个实施方式不同之处在于采用了不同的模具。
具体的,该模具的芯模4为具补偿环46的中空倒置筒状结构,所述筒体靠近所述定位层6的一端为封闭端,但该密封端是采用4~6mm厚的圆形筒底47焊接在中空的筒体上形成的。
所述芯模4的材质包括:低碳钢。
所述补偿环46的材质包括:40CrMnMo或40CrMnMoA。
所述补偿环46的内圆柱面与所述芯模4的外圆柱面之间采用过渡配合连接在一起而成为一个整体。
所述第四个实施方式提供的模具004既能制造出如图1所示的径向扶正滑动轴承静环,也能制造出如图3所示的径向扶正滑动轴承静环。
该实施方式主要适合小批量制造。
由于采用无压浸渍烧结制得的静环毛坯不能再进行调质热处理。
申请人发现:基体1在高温烧结空冷后其硬度高低与模具从高温(960℃~1100℃)电炉中取出后温度降到常温(10℃~30℃)的时间长短影响静环基体1材料的最终硬度。
当芯模4为中空结构,高温模具冷却速度高,基体1最终硬度就高,就能达到要求的技术指标HRC32~36;若冷却速度低,基体1最终硬度就低,就有可能达不到要求的指标,成品就不合格。
整体上,由于芯模4采用中空的筒体结构,具有很好的散热性能,有利于保证在无压浸渍烧结结束并从高温电炉中取出冷却后的基体1的机械性能(特别是硬度)能达到相应技术要求(具有较高的硬度),大大降低了废品率。
对于利用本实施方式所提供的径向扶正滑动轴承静环的制造方法的具体步骤可以参见上述实施方式的具体描述,本申请在此不再展开赘述。
经过验证,利用本申请实施方式中提供了一种全新的径向扶正滑动轴承静环的制造方法,能够提高成品基体1材质硬度和径向扶正滑动轴承的工作寿命,同时降低机加工难度和制造成本,能更好地满足现代钻井井下工具的使用需求,便于推广应用。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象,两者之间并不存在先后顺序,也不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的几个实施方式,本领域的技术人员依据申请文件公开的内容,可以对本发明实施方式进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
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