[发明专利]一种表面强化钢齿牙轮及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油地质钻探领域钢齿牙轮钻头上的钢齿牙轮，具体涉及表面强化钢齿牙轮及其制作方法。

背景技术

钢齿牙轮钻头由于具有刮削和破碎面大的特性而在软地层的石油地质钻进中获得了广泛的应用。钢齿牙轮钻头主要由牙掌和钢齿牙轮两大部分组成，现有的钢齿牙轮钻头通常都是通过钢齿牙轮牙齿表面敷焊碳化钨耐磨层的方式来提高钢质牙齿的耐磨性，但这样的牙轮牙齿耐磨层耐磨性能仍比较有限。从钻井实际使用的情况来看，钢齿牙轮钻头的失效主要是牙轮牙齿耐磨层磨损掉落导致牙轮钻头失效。虽然国内外已有使用金刚石来加强牙轮牙齿耐磨层的报道和方法，但大都集中应用制造管焊条进行敷焊的方式。美国专利US5755299介绍了一种表面有涂层的金刚石，并把这种涂层金刚石应用于牙轮钻头表面强化，该专利介绍的表面强化方法主要是采用管焊条焊接、等离子喷涂和火焰喷涂。但是这类工艺方法在实施过程中，温度不容易控制，极易超过1200℃，从而对金刚石不可避免地产生损伤，导致牙轮金刚石耐磨层的损害和失效而无法实现预期的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种表面强化钢齿牙轮及其制作方法，该强化耐磨层不仅粘结牢固，耐磨性强，而且制作工艺稳定可靠。

本发明为解决上述提出的问题所采用的钢齿牙轮头的技术方案为：包括有牙轮体和布设在牙轮体锥面上的牙齿，其不同之处在于在牙齿表面覆盖有一碳化钨金刚石复合耐磨层，所述的碳化钨金刚石复合耐磨层由碳化钨颗粒、金刚石粉以及粘结金属经1200℃以下高温熔渗烧结而成，并且碳化钨颗粒、金刚石粉和粘结金属的组分含量按重量计为：碳化钨颗粒50-90％，金刚石粉2-30％，粘结金属  余量。

按上述方案，所述的碳化钨金刚石复合耐磨层的厚度为1-8毫米，覆于钢齿牙轮牙齿的齿顶和齿侧面。

按上述方案，所述的碳化钨颗粒粒度为20-600微米；所述的金刚石粉为单晶金刚石，单晶金刚石的粒度为90-600微米；所述的单晶金刚石可为人造金刚石，或天然金刚石；所述的粘结金属为铜基粘结金属，可以是铜、镍、锰、锌、锡等金属组成的铜基合金。

按上述方案，在钢齿牙轮的齿槽部位覆有碳化钨耐磨层。所述的碳化钨耐磨层由碳化钨颗粒和粘结金属经1200℃以下高温熔渗烧结而成，并且碳化钨颗粒和粘结金属的组分含量按重量计为：碳化钨颗粒  70-90％，粘结金属  余量。

本发明钢齿表面强化层制作方法的技术方案为：

首先，加工一石墨外套模具；

然后在经过喷砂后的钢齿牙轮牙齿表面处涂抹由金刚石粉、碳化钨颗粒和胶粘剂混合成的待烧结层，待烧结层金刚石粉、碳化钨颗粒和胶粘剂混合的组分含量按重量计为：碳化钨颗粒  50-90％，金刚石粉  2-30％，胶粘剂  余量；

在石墨外套模具中放入定位钢圆柱，将涂抹好的钢齿牙轮放入石墨外套模具，再在外套模具中添加一定量的树脂砂，然后放入200-300℃的烘箱烘烤，大概1-2个小时后即可。

在石墨外套模具中加入对应于胶粘剂量(按照体积)略多的粘结金属以及一定量的助熔剂，入炉熔渗烧结，熔渗烧结温度在900-1200℃之间，等粘结金属完全浸渍了表面涂抹层后出炉保温冷却，再开模清理即成。

按上述方案，在钢齿牙轮齿槽处涂抹由碳化钨颗粒和胶粘剂混合成的待烧结层，待烧结层碳化钨颗粒和胶粘剂混合的组分含量按重量计为：碳化钨颗粒70-90％，胶粘剂  余量；由此在钢齿牙轮的齿槽形成碳化钨耐磨层。

按上述方案，所述的胶粘剂是由甘油，烷基丙烯酸脂，二乙二醇单丁醚配制而成的流态胶粘剂，这种胶粘剂在500℃下完全挥发，胶粘剂起到粘结和暂时定型的作用，在牙轮烧结的后期，胶粘剂所占的空间由粘结金属所填充和替代。

本发明的有益效果在于：1、通过熔渗烧结的工艺方法在钢齿牙轮的牙齿表面设置碳化钨金刚石复合耐磨层，可使复合耐磨层牢固粘结在牙齿表面，把复合耐磨层与牙轮钢体融合成一体，有效提高钢齿牙轮的耐磨性能；2、通过熔渗烧结，能够准确控制烧结的温度，有效避免高温对复合层中金刚石的损伤，因此加工工艺和复合层质量十分稳定和可靠，使金刚石在复合耐磨层中的耐磨性充分保持，使得钢齿牙轮的耐磨性能和使用寿命得到进一步的增强和提高，从而有效提高了钢齿牙轮钻头的实际使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例的烧结示意图。

图2为本发明的钢齿牙轮在烧结前的结构图示。

图3为本发明牙齿耐磨层结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图进一步说明本发明的实施例。

实施例1：