金刚石轴承烧结工艺的制作方法

1.本发明涉及石油钻探技术领域，具体是一种金刚石轴承烧结工艺。


背景技术：

2.在现行的粉末冶金工艺中，烧结各种形状的工件时所采用的模具一般都是由石墨外套和陶瓷型模构成，它的特点是：1、陶瓷模耐高温，1200摄氏度以上不会熔化、变形、开裂；2、陶瓷模制作工艺简单，用特制的陶瓷粉调制成糊状，浇注在石墨套型腔内，凝固后就成了形状复杂的烧结模型；3、由于陶瓷模强度低，烧结完成后很容易敲碎，以便取出烧结工件；4、在陶瓷模外层采用石墨套，是因为石墨既可以耐高温、不变形，其热膨胀系数与陶瓷模比较接近，都比较小，烧结过程中不容易出现裂口。
3.这些特点正适合粉末冶金烧结要求，但是由于金刚石径向轴承的形状特殊，属于径向薄壁件，粉料层和内钢体层的总厚度只有9mm，在烧结过程和后续机加工过程中，都容易变形，为此，目前工艺设计是将内钢体壁厚度增加4倍，而粉末冶金层的厚度却很有限，这就会造成烧结膨胀涨量增大，致使陶瓷模和石墨外层破裂，如果为了防止模具破裂，将陶瓷模和石墨壁厚也增加几倍，那么就会占用烧结炉空间和浪费大量材料。这是困扰粉末冶金的一个难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述背景技术中提出的问题，提供了一种金刚石轴承烧结工艺，该工艺流程简单，在金刚石轴承烧结时不增加厚度，轴承不会变形，节省大量材料和烧结炉空间，增加一次烧结数量。
5.本发明的目的主要通过以下技术方案实现：金刚石轴承烧结工艺，包括以下步骤：（1）安装好钢底模，并且在钢底模的内壁面上粘贴石墨纸；（2）在石墨纸的内壁贴有聚晶贴纸，聚晶贴纸上的聚晶颗粒朝向钢底模的中心线；（3）在钢底模的空腔中放置轴承钢体，轴承钢体内腔中填充塑脂砂后；（4）在轴承钢体外壁和聚晶贴纸之间缝隙填充有钨粉；（5）在钢底模顶部开口处装入铜合金颗粒；（6）放入烧结炉内烧结。
6.目前在石油钻探的金刚石径向轴承烧结工艺中，所采用的模具一般都是由石墨外套和陶瓷型模构成，陶瓷模其耐高温，在1200摄氏度以上也不会熔化、变形、开裂，而且其制作工艺简单，能够得到形状复杂的烧结模型，并且其强度低，烧结完成后很容易敲碎，以便取出烧结工件，属于一次性消耗品。在陶瓷模外层采用石墨套，是因为石墨既可以耐高温、不变形，其热膨胀系数与陶瓷模比较接近，都比较小，烧结过程中不容易出现裂口。
7.上述特性正适合粉末冶金烧结要求，目前在石油钻探领域中，轴承是非常常规的部件，由于钻探过程频繁的高强度磨损，普通钢材的轴承的耐磨性不够，需要频繁更换，影响工作效率，因此设计了金刚石轴承，是通过在轴承的壁面镶上金刚石，形成一层耐磨层。但是由于金刚石径向轴承的形状特殊，属于径向薄壁件，粉料层和内钢体层的总厚度只有9mm，在烧结过程和后续机加工过程中，都容易变形，为此，目前工艺设计是将内钢体壁厚度增加4倍，而粉末冶金层的厚度却很有限，这就会造成烧结膨胀涨量增大，致使陶瓷模和石墨外层破裂，如果为了防止模具破裂，将陶瓷模和石墨壁厚也增加几倍，那么就会占用烧结炉空间和浪费大量材料。这是困扰粉末冶金的一个难题。
8.为了解决这个难题，本方案采用了和轴承内壁膨胀系数一致的钢材作外套，代替石墨外套，而且还取消了陶瓷模具。为了避免粉末冶金材料及铜合金与钢材外套粘结，在钢材外套内壁上粘贴1mm厚的石墨纸，石墨纸沿着钢底模的内壁面贴合为一周，防止有缝隙造成粉末冶金材料及铜合金与钢材外套粘结。通过石墨纸将粉末冶金材料与钢材外套隔开，而石墨纸具有纤维组织，在热胀冷缩过程中不会开裂。将钢底模组装好后，在钢底模的内壁面上粘贴石墨纸，石墨纸沿着钢底模的内壁首尾相连为一周，然后在石墨纸的内壁贴上聚晶贴纸，且聚晶贴纸贴合在石墨纸上，聚晶贴纸上的聚晶颗粒朝向钢底模的中心线，在钢底模的空腔中放置轴承钢体，石墨纸、聚晶贴纸以及聚晶颗粒均位于钢底模和轴承钢体之间，在轴承钢体内腔中填充塑脂砂后，最后在轴承钢体外壁和聚晶贴纸之间缝隙填充有钨粉，聚晶颗粒和轴承钢体外壁之间也填充有钨粉，在钢底模顶部开口处装入铜合金颗粒，烧结时铜合金颗粒熔化，聚晶颗粒就通过钨粉和铜合金镶在轴承钢体外壁上。将放置好的模具放入烧结炉内烧结，根据需要放置多个模具。就这样，用钢材外套和石墨纸替代了石墨外套和陶瓷模具，既防止了模具开裂，而且还缩小了整套模具尺寸，增加了炉具内同时烧结的工件数量。除此以外，陶瓷模具是一次性的，每烧结一个工件都要新制作陶瓷模，而石墨外套在烧结过程中也有损耗，一般只能重复使用几次。本方案现在采用的钢材外套则可长期反复使用，又不需要制作陶瓷模具，因此大大降低了制造成本，缩短了生产周期，成效显著。
9.进一步地，在聚晶贴纸上的聚晶颗粒沿着轴承钢体的中心线平行方向形成颗粒带，且每条颗粒带中相邻的聚晶颗粒间距相同。由于需要将聚晶颗粒镶在轴承钢体的外壁上，而轴承钢体的外壁呈弧面，所以是通过将聚晶颗粒铺设在聚晶贴纸上，为了保证烧结后聚晶颗粒均匀镶在轴承钢体的外壁上，保证整体耐磨性均匀，所以聚晶颗粒的布置方式也要考虑，本方案是将聚晶贴纸上的聚晶颗粒沿着轴承钢体的中心线平行方向形成颗粒带，且每条颗粒带中相邻的聚晶颗粒间距相同，聚晶贴纸上颗粒带中相邻颗粒带之间的距离相同。而且相邻颗粒带上的聚晶颗粒交错布置，即间隔的颗粒带上的聚晶颗粒，四颗组成一个长方形，位于中间的颗粒带上的聚晶颗粒设置在长方形的中心处，依次类推，就形成了相邻颗粒带上的聚晶颗粒交错布置，这种结构设计能够使得聚晶颗粒布置合理，烧结后能够承受最大限度的耐磨性，延长轴承使用寿命。
10.综上，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明用钢材外套和石墨纸替代了石墨外套和陶瓷模具，既防止了模具开裂，而且还缩小了整套模具尺寸，增加了炉具内同时烧结的工件数量。除此以外，陶瓷模具是一次性的，每烧结一个工件都要新制作陶瓷模，而石墨外套在烧结过程中也有损耗，一般只能重复使用几次。本方案现在采用的钢材外套则可长期反复使用，又不需要制作陶瓷模具，因此大大降低了制造成本，缩短了生产周
期，成效显著。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明的结构示意图。
12.图2为聚晶贴纸的结构示意图。
13.附图中的附图标记所对应的名称为：1-塑脂砂，2-石墨纸，3-聚晶颗粒，4-钨粉，5-钢底模，6-轴承钢体。
具体实施方式
14.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
15.如图1和图2所示，本实施例的金刚石轴承烧结工艺，先进行钢底模5安装，钢底模5由模座和模筒构成，在模座的顶面内凹有和模筒横截面匹配的凹槽以及放置轴承钢体的固定槽，模筒插入凹槽中后，在模筒外壁和模座端面处采用焊接方式进行固定，先在钢底模5的内壁面上粘贴石墨纸2，是为了避免粉末冶金材料及铜合金与钢材外套粘结。石墨纸2的厚度为1mm，石墨纸2沿着钢底模5的内壁面贴合为一周，形成首尾连接，不能有缝隙，防止有缝隙造成粉末冶金材料及铜合金与钢材外套粘结。然后在石墨纸2的内壁贴有聚晶贴纸，聚晶贴纸贴合在石墨纸2上，聚晶贴纸上的聚晶颗粒3朝向钢底模5的中心线，然后才在钢底模5的空腔中放置轴承钢体6，轴承钢体6底端插入固定槽中，这种顺序便于安装到位，不会造成干涉，在轴承钢体6内腔中填充塑脂砂1，将聚晶贴纸上的聚晶颗粒3沿着轴承钢体6的中心线平行方向形成颗粒带，且每条颗粒带中相邻的聚晶颗粒3间距相同，聚晶贴纸上颗粒带中相邻颗粒带之间的距离相同。这种结构布置，使得烧结后聚晶颗粒3分布均匀，在轴承使用时耐磨性能稳定。通过在轴承钢体6外壁和聚晶贴纸之间缝隙、轴承钢体6外壁和聚晶颗粒3之间缝隙均填充有钨粉4，在钢底模顶部开口处装入铜合金颗粒，然后将模具放入结炉内烧结。烧结成型后，取下钢底模5和石墨纸2，聚晶贴纸在高温下熔化，铜合金颗粒熔化流入轴承钢体6外壁和聚晶贴纸之间缝隙、轴承钢体6外壁和聚晶颗粒3之间缝隙，聚晶颗粒3通过钨粉和熔化的铜合金粘接在轴承钢体6外壁上。
16.以烧结同样尺寸的金刚石轴承来举例，如下表： 数量（单位：个）温度（单位：℃）开裂数（单位：个）原工艺612502新工艺1212500如上表所示，在烧结同样尺寸的金刚石轴承，同样内腔尺寸的烧结炉，同样的烧结温度下，最终原工艺放置在烧结炉内的模具数量为6个，而且最终烧结后开裂率达到了33%，而采用了新工艺进行烧结，放置在烧结炉内的模具数量为12个，而且开裂率为0，证明了本工艺的成品率高，而且空间利用率也大大提高，同时经过后期将金刚石轴承在石油钻探设备上使用，其耐磨性和使用寿命也满足了要求，因此证明了本工艺的可行性。
17.本方案采用了和轴承内壁膨胀系数一致的钢材作外套，代替石墨外套，而且还取消了陶瓷模具。通过石墨纸将粉末冶金材料与钢材外套隔开，而石墨纸具有纤维组织，在热胀冷缩过程中不会开裂。用钢材外套和石墨纸替代了石墨外套和陶瓷模具，钢底模5作为钢材外套在加热时和轴承钢体6膨胀系数一致，从而在烧结过程不会开裂，同时其整体厚度没有增加，相对而言体积不会增加，这样烧结炉空间可以多放置几个模具，增加烧结数量。同时厚度没有增加，这样也减少了材料浪费，因此，本方案既防止了模具开裂，而且还缩小了整套模具尺寸，增加了炉具内同时烧结的工件数量。除此以外，陶瓷模具是一次性的，每烧结一个工件都要新制作陶瓷模，而石墨外套在烧结过程中也有损耗，一般只能重复使用几次。本方案现在采用的钢材外套则可长期反复使用，又不需要制作陶瓷模具，因此大大降低了制造成本，缩短了生产周期，成效显著。
18.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。