专利名称：一种表面强化钢齿牙轮及其制作方法
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。C，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鸨金刚石复合耐磨层，
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°C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转 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l一8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°C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 —卯％，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。C的烘箱烘烤，大概1一2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，熔渗烧结温度在卯0—1200。C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50(TC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。
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。
具体实施例方式
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:
钢齿牙轮包括牙轮体4和布设在牙轮体锥面上的牙齿，在钢齿牙轮的牙齿表面包括牙
齿的齿顶8和齿侧面10 (单面)覆有5毫米厚的碳化钨金刚石复合耐磨层，在钢齿牙轮的 齿槽9部位覆有5毫米厚的碳化钨耐磨层，其中碳化钨的粒度在38微米到250微米之间； 在钢齿牙轮牙齿的齿顶与齿侧的交界处开设有弧形凹槽11或倒角，可以增大复合耐磨层和
牙轮牙齿的接触面积，提高复合耐磨层和牙轮钢体的结合力。其加工过程为加工待表面
强化的钢齿牙轮和石墨外套模具6，在石墨外套膜具中放好定位钢圆柱7，用于定位牙轮在
树脂砂模具中的位置，定位钢圆柱材料为低碳钢，其直径为5毫米，高度为IO毫米；牙轮
喷砂处理；然后在钢齿牙轮牙齿上按重量计涂抹5毫米厚由10%的胶粘剂、20%的250 — 425微米的人造单晶金刚石2和70%的碳化钨颗粒3混合成的待烧结层，在钢齿牙轮齿槽 面上按重量计涂抹5毫米厚由10%的胶粘剂和90%的碳化钨颗粒混合成的待烧结层；把牙 轮装入石墨外套模具中；然后在模具中添加适量的树脂砂1;将装好树脂砂和牙轮的石墨 外套模具放入250。C烘箱中烘烤一个小时；然后取出来，加入适量的的铜基粘结金属5和 助熔剂，再入炉熔渗烧结，炉温到达1100。C (摄氏度)后保温30分钟，出炉保温冷却， 开模清理，机加工后就可以获得表面强化了的钢齿牙轮。 实施例2:
与上一个实施例的不同之处在于钢齿牙轮表面涂抹有8毫米厚的涂抹层，在钢齿牙
轮牙齿上包括齿顶和齿侧面涂抹8毫米厚由10%的胶粘剂、10%的150 — 300微米的单晶 金刚石和80%的碳化钨颗粒混合成的待烧结层，在钢齿牙轮齿槽上涂抹8毫米厚由10%的 胶粘剂和90%的碳化钨颗粒混合成的待烧结层。其它情况与上一个实施例相同，组分含量 均按重量计。
权利要求
1、一种表面强化钢齿牙轮，包括有牙轮体和布设在牙轮体锥面上的牙齿，其特征在于在钢齿牙轮的牙齿表面覆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、单晶金刚石以及粘结金属经1200℃以下高温熔渗烧结而成，并且碳化钨颗粒、单晶金刚石和粘结金属的百分含量按重量计为碳化钨颗粒 50-90％，单晶金刚石2-30％，粘结金属余量。
2、 按权利要求1所述的表面强化钢齿牙轮，其特征在于所述的碳化钨金刚 石复合耐磨层的厚度为1一10毫米，覆盖于钢齿牙轮牙齿的齿顶和齿侧面。
3、 按权利要求1或2所述的表面强化钢齿牙轮，其特征在于所述的碳化钨 颗粒粒度为20 — 600微米。
4、 按权利要求1或2所述的表面强化钢齿牙轮，其特征在于所述的单晶金 刚石的颗粒粒度为90—600微米。
5、 按权利要求1或2所述的表面强化钢齿牙轮，其特征在于所述的粘结金 属为铜基粘结金属，为是铜、镍、锰、锌、锡金属组成的铜基合金。
6、 按权利要求1或2所述的表面强化钢齿牙轮钻头，其特征在于在钢齿牙 轮的齿槽部位覆有碳化钨耐磨层。
7、 按权利要求1或2所述的表面强化钢齿牙轮钻头，其特征在于所述的碳 化钨耐磨层由碳化钨颗粒和粘结金属经1200°C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
8、 一种表面强化钢齿牙轮的制作方法，其特征在于首先，设计一外套石墨 模具，在表面喷砂处理后的钢齿牙轮牙齿表面处涂抹由金刚石粉、碳化鸨颗粒和 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；将涂抹好待烧结层的钢齿牙轮放入石墨外套模具，再在石墨外套模具中添加 一定量的树脂砂，然后放入200—300。C烘箱中烘烤l一2个小时，然后出炉。在出炉后的模具中加入适量的粘结金属和助熔剂，入炉熔渗烧结，熔渗烧结 温度在900— 1200° C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。
9、 按权利要求8所述的表面强化钢齿牙轮的制作方法，其特征在于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，待烧结层碳化钩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。
10、按权利要求8或9所述的表面强化钢齿牙轮的制作方法，其特征在于在 待烧结层未涂抹前在钢齿牙轮牙齿的齿顶与齿侧的交界处开设弧形凹槽或倒角。
全文摘要
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表面强化钢齿牙轮及其制作方法。其特征在于在钢齿牙轮钻头的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、单晶金刚石以及粘结金属经1200℃以下高温熔渗烧结而成。其含量为碳化钨颗粒50-90％，金刚石粉2-30％，粘结金属余量。本发明通过熔渗烧结的工艺方法在钢齿牙轮的牙齿表面形成一层碳化钨金刚石复合耐磨层，使其牢固地粘结在钢齿牙轮钻头钢齿表面，通过精确地控制烧结温度，有效避免高温对复合层中单晶金刚石的损伤，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，从而能有效提高钢齿牙轮钻头的实际使用寿命。
文档编号B22F7/06GK101100930SQ20071005282
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者彭金龙, 郭国忠 申请人:江汉石油钻头股份有限公司