一种TC轴承及其制造方法与流程

本发明属于机械产品制造技术领域，更加具体地说，涉及TC轴承及其制造方法。

背景技术：

硬质合金(TC)径向轴承，是采用高温炉烧结工艺方法，它由胎体与硬质合金经钎焊工艺制造，后经机械加工而成。TC轴承是石油开采的螺杆钻具的主要配件，现有的TC轴承采用钨钴系硬质合金为表面的强化材料，由于钨钴系硬质合金收缩率是钢制本体的30％左右，钎焊过程中会产生很大内应力影响使用效果，所以在钎料选择需要使用塑性很好的的铜基钎焊材料。铜基钎料有很多不利因素，首先铜基钎料多为块状，无法放置在钢制本体与硬质合金层之间，现有制备方法如图1所示，在钢制本体(即轴承本体，整体为圆筒状)的外圆周表面上同轴设置硬质合金层，在硬质合金层的外侧设置用于夹紧的钢制护套，在硬质合金层的上端且位于钢制本体好钢制护套之间设置块状的铜基钎料，然后在常态空气气氛下进行钎焊以使铜基钎料依靠重力以自上而下的流动浸润形式进入钢制本体和硬质合金层之间，以形成钎焊层粘合钢制本体和硬质合金层，最后在车床等加工机械上进行加工去除钢制护套和钢制本体上端设置铜基钎料的部分，即得到表面设置硬质合金层的钢制本体(即TC轴承)。这一制备方法中流动浸润的过程无法进行监控，在制备中往往凭借经验进行判断，无法保证铜基钎料完全浸润钢制本体和硬质合金层之间的表面(即浸润不足)，加之铜基钎焊材料强度低，造成了目前TC轴承使用过程中硬质合金脱落，在硬质合金脱落后会产生脱落的硬质合金与尚未脱落的硬质合金之间的作用，造成整个工件不能使用的现象，降低了使用寿命，目前TC轴承的使用寿命不超过200小时；再次铜基钎料的耐腐蚀性较差，在石油钻探作业中经常出现钎焊材料腐蚀导致的硬质合金块脱落现象。针对上述问题，目前的解决方案有(1)凭借经验进行反复的回炉钎焊，以达到充分浸润的目的；(2)经测试得到TC轴承样品的使用寿命，在达到使用寿命之前进行更换，以避免硬质合金的脱落。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了解决钎料自浸润不足，钎焊强度过低、耐蚀性差的问题，提出一种采用钢结硬质合金与镍基膏状钎料配合进行真空钎焊的TC轴承的制备工艺方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

TC轴承及其制造方法，在钢制本体表面采用钢结硬质合金与镍基膏状钎料配合进行真空钎焊的工艺方法，以利用钎焊层在钢制本体表面形成钢结硬质合金层，其中在钎焊层两侧的金属均与钎焊层产生冶金结合。

TC轴承的制造方法，在钢制本体和钢结硬质合金之间设置镍基钎料层，以形成整体待钎焊部件，然后在整体待钎焊部件外设置钢制护套，对整体待钎焊部件进行保护，最后在真空条件下进行钎焊，钎焊温度在900-1100摄氏度之间。

在上述技术方案中，钢制本体即TC轴承本体，按照TC轴承的使用要求，选用优质轴承钢如GCr15，42CrMo。

在上述技术方案中，钢制护套选择TC轴承领域常用的最外层保护材料即可，例如Q235钢。

在上述技术方案中，选择在真空条件下进行钎焊，采用升高真空度(不通入惰性气体)的方法，以避免空气中氧、氮、氢以及惰性气体的影响，真空度为0.01Pa的数量级以上(即真空度最低的数量级为10^-2Pa)，选择0.005—0.02Pa。

在上述技术方案中，钢结硬质合金为TiC系的钢结硬质合金，例如牌号GT35、R5、D1、T1、TM60的钢结硬质合金。

在上述技术方案中，镍基钎料层由镍基钎焊材料(即镍基膏状钎料)组成，镍基钎焊材料整体呈现膏状，由镍基粉末和粘结剂组成，镍基粉末和粘结剂的质量比为(5—10)：1，优选(7—9)：1，其中：

粘结剂为正葵醇、凡士林或者海藻胶；镍基粉末中各个合金元素的质量百分比如下：碳为0.2-0.9％；硅为2-4.7％；硼为1.3-3.5％；铬为10-25％；铁为1-15％；磷为1-2％；剩余为镍；镍基粉末的含氧量不大于300ppm。

镍基粉末中各个合金元素的质量百分比优选如下：碳为0.4-0.8％；硅为3-4％；硼为1.5-2.5％；铬为15-20％；铁为5-12％；磷为1-2％；剩余为镍；镍基粉末的综合含氧量优选100—200ppm；镍基粉末的粒度在100至250目之间。

在上述技术方案中，镍基钎料层的厚度为毫米级或者厘米级，例如0.1—0.5mm；1—3cm。

在上述技术方案中，上述镍基钎焊材料在制备TC轴承中的应用。

在上述技术方案中，自室温20—25摄氏度进行升温至钎焊温度，升温速度为每分钟5—10摄氏度，在钎焊温度上进行保温，保温时间至少30min，然后随炉自然冷却至室温，保温时间优选30—60min。

由于镍基钎焊材料整体呈现膏状且表现为粘性，在钢制本体和钢结硬质合金层之间进行设置时，可考虑先在钢制本体的圆周外表面上涂抹镍基钎焊材料以形成镍基钎料层，在镍基钎料层上设置钢结硬质合金层，或者在钢结硬质合金层上涂抹镍基钎焊材料以形成镍基钎料层，再将镍基钎料层与钢制本体的圆周外表面上进行粘接。

本发明使用的钢结硬质合金一般以钢的基体，钢可占合金总重量的50％～70％，其中其硬质相为碳化钨或碳化钛等。与此同时，较普通硬质合金来说，其韧性指标也得到了较大的改善。特别是在经过淬火和回火后,可获得一种综合的典型组织，也就是回火马氏体+合金碳化物+均匀分布的硬质相,这样就可以保证了材料的强度、硬度、韧性等使用性能要求,从而使得钢结硬质合金的耐磨性得到了相当程度的提高，由于使用钢为基体，与TC轴承钢制本体的收缩率相同，不会造成钎焊热应力大大降低了钎焊过程中的内应力，使得钎焊层强度更高，更牢固，避免了使用过程中硬质合金的脱落问题。镍基钎料钎焊结合强度大于铜基钎料，同时镍基钎焊材料耐蚀性好，非常适合于钎焊钢结硬质合金。

与现有技术相比，本发明的技术方案采用钢结硬质合金降低了钎焊过程中的焊接应力，使得钎焊结合强度增加，避免了硬质合金在使用过程中脱落问题；采用膏状钎焊材料，可以将钎焊材料直接涂抹在钢结硬质合金与钢制本体之间避免了自上而下流动浸润不足的问题，避免了钎焊不到位造成的回炉问题，降低制造成本，并避免多余材料的损耗；采用真空钎焊工艺避免了传统空气钎焊过程中，氧化的问题，钎焊表面性质问题，TC轴承表面硬度平均可达70-75HRC，使用寿命平均可达450小时以上。

附图说明

图1是现有技术中进行TC轴承制备的工艺参考图。

图2是本发明进行TC轴承制备的工艺参考图。

图3是本发明中使用的镍基钎焊材料的实物图片。

图4是利用本发明的技术方案进行钎焊后钎焊层两侧不同金属与焊缝的50倍金相照片。

图5是利用本发明的技术方案进行钎焊后金属与焊缝的1000倍金相照片。

图6是本发明实施例1中的钎焊结构示意图。

图7是本发明实施例1中钎焊后进行力学测试样品示意图。

图8是本发明实施例2中的钎焊结构示意图。

图9是本发明实施例2中钎焊后进行力学测试样品示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，实施例使用的材料均为市场正常出售的产品，以牌号进行标注，本领域技术人员可根据牌号在市场进行购买，均可实现本发明的技术方案。

实施例1

钢制本体采用GCr15，外径50mm；钢结硬质合金采用TM60钢结硬质合金块，其长宽高为10mm*3mm*2mm，使用多块合金块以覆盖钢制本体的外圆周表面；

镍基粉末中各个元素组份的质量百分数(wt％)如下：

碳含量：0.2％

硅含量：3.5％

硼含量：2.2％

铬含量：7.5％

铁含量：3％

磷含量：1％

镍含量：剩余

镍基粉末的含氧量为300ppm，粒度为250目，重量为450g。

粘结剂选用正葵醇50g。

将镍基粉末和粘结剂进行混合均匀后，即可制成膏状镍基钎焊材料(钎焊膏)。

将钎焊膏均匀涂抹在钢制本体与钢结硬质合金之间，形成钎焊层，厚度为0.1mm，以形成整体待钎焊部件；将整体待钎焊部件套入内径52.1mm的Q235材质的钢套内，自然晾干1小时。

进行真空钎焊，控制真空度在整个钎焊过程中不小于6.7×10^-3Pa，将套有钢套的整体待钎焊部件随炉加热至1050摄氏度并保温30min，自室温20—25摄氏度进行升温，升温速度为每分钟5—10摄氏度，在保温之后随炉冷却至室温20—25摄氏度。

在完成钎焊后通过机械加工得到试样(l0＝5d0)进行测试，参照新版国家标准GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，使用FR—103C万能力学试验机，在试验两端施加拉力，拉伸结果显示抗拉强度达到610MPa。使用hr—150a洛氏硬度计进行硬度测试，硬度达到70HRC。

实施例2

钢制本体采用42CrMo，外径50mm；钢结硬质合金采用R5钢结硬质合金块，其长宽高为10mm*3mm*2mm，使用多块合金块以覆盖钢制本体的外圆周表面；

镍基粉末中各个元素组份的质量百分数(wt％)如下：

碳含量：0.85％

硅含量：4.5％

硼含量：3.4％

铬含量：16％

铁含量：8％

磷含量：1％

镍含量：剩余

镍基粉末的含氧量为200ppm，粒度为200目，重量为540g。

粘结剂选用凡士林60g。

将镍基粉末和粘结剂进行混合均匀后，即可制成膏状镍基钎焊材料(钎焊膏)。

将钎焊膏均匀涂抹在钢制本体与钢结硬质合金之间，形成钎焊层，厚度为0.1mm，以形成整体待钎焊部件；将整体待钎焊部件套入内径52.1mm的Q235材质的钢套内，自然晾干1小时。

进行真空钎焊，控制真空度在整个钎焊过程中不小于7×10^-3Pa，将套有钢套的整体待钎焊部件随炉加热至950摄氏度并保温60min，自室温20—25摄氏度进行升温，升温速度为每分钟5—10摄氏度，在保温之后随炉冷却至室温20—25摄氏度。

在完成钎焊后通过机械加工得到试样(l0＝5d0)进行测试，参照新版国家标准GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，使用FR—103C万能力学试验机，在试验两端施加拉力，拉伸结果显示抗拉强度达到600MPa。使用hr—150a洛氏硬度计进行硬度测试，硬度达到72HRC。

依照发明内容公开材料组份、制备工艺进行调整均可制备TC轴承，且表现出基本一致的性能，强度平均达到600—650MPa，硬度平均可到70—75HRC；使用寿命平均可达450—470小时；同时使用金相显微镜对焊缝及其周边材料进行形貌表征，均呈现出附图4和5所示，钎焊层两侧不同金属与焊缝均为冶金结合，没有宏观缺陷，焊缝强度有保证，也同时提升了整体的力学强度，两者相互印证。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。