专利名称：具有固体润滑层的牙轮钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油天然气、矿山及地质钻探的牙轮钻头，包括三牙轮钻头、两牙轮钻头、单牙轮及多牙轮钻头，特别涉及一种其轴承部位表面具有固体润滑层的牙轮钻头。
牙轮钻头主要由牙轮和牙掌两部分构成，牙轮牙掌通过它们的轴承部位相接合，并能相对灵活转动。牙轮钻头根据它们的工作性能和轴承部位的结构分为两种类型，其一是滑动轴承牙轮钻头，包括轴承部位安设衬套的滑动轴承牙轮钻头；其二是滚动轴承牙轮钻头。
衡量牙轮钻头优劣的一个重要使用指标是它的转速和钻压，即PV值的大小，而牙轮轴承的工作性能是决定该使用指标的一个重要因素。就滑动轴承牙轮钻头来说，目前国内外钻头公司在牙轮钻头的轴承部位普遍采用刷镀银涂层作为固体润滑层，该涂层具有较强的减摩耐磨、抗咬合和散热效果，使钻头取得良好的现场使用指标。但在高转速、高钻压条件下，刷镀银涂层的耐磨性、持久性下降，从而导致牙轮钻头的使用寿命降低，此外，刷镀银涂层也存在涂层结合强度低，受镀层厚度影响大，工艺较难控制，镀液昂贵，成本高，轴承小部位加工操作性差的问题，且一般为手工操作，劳动强度大、生产率低。衬套结构中的衬套也存在着类似的问题。对于滚动轴承结构的牙轮钻头，其主要失效形式是疲劳磨损，包括牙轮轴承部位的内外回转表面和滚动体表面所产生的疲劳磨损。理论研究和实验表明疲劳磨损的产生与轴承副润滑状况及表面光洁度密切相关。因此，减少和降低疲劳磨损是提高滚动轴承牙轮钻头整体性能的一个关键。
本发明的目的是针对上述存在的不足而提供一种不仅性能优，而且易加工、成本低的具有固体润滑层的牙轮钻头。
实现本发明的技术方案为包括有牙轮、牙掌，牙轮、牙掌通过其轴承部位相接合，其不同之处在于在轴承部位的一个或多个表面存在有一层渗硫层。
按上述方案，所述的轴承部位的结构可以为滑动轴承结构，包括安设衬套的滑动轴承结构，也可以是滚动轴承结构，所述的轴承部位的表面为轴承的孔、轴表面，轴承的端面表面；衬套的各个表面；滚动体的各个表面。本发明的渗硫处理为产品的最后一道加工工序，流硫层可由低温离子渗硫工艺技术加工而成，通常渗硫表面可进行渗碳淬火等表面硬化的预处理，并经精加工，渗硫层的厚度为0.001-0.30mm，为一层形成于产品基体表面、其分布浓度由表及里成梯度状、与基体形成冶金结合的、主要合金层为金属硫化物的固体润滑层。金属硫化物中也可以含有少量金属氧化物。
本发明的优点在于渗硫层具备多空隙、层状组织结构特点，因而具有良好的自润滑性能和抗咬合性能，使它保留了刷镀银涂层所具有的减摩、散热特性，而且较其更耐磨，持久性更好，与基体的结合强度更高，可有效提高现有牙轮钻头轴承部位承受压力和转速的性能；而对于滚动轴承结构，渗硫层可大大减少滚动接触面间的剪应力，因此也就减少了产生疲劳裂纹倾向，提高了其表面抗疲劳性能，同时减少了相互间的粘着磨损，从而提高牙轮钻头的整体性能，使牙轮钻头更为适应现代钻井工艺技术高转速、高钻压的要求；本发明的渗硫工艺操作简便，适应大批量生产，不仅加工成本低，而且可减轻劳动强度，提高生产效率。
图1为本发明一个实施例的剖视结构图。
图2为图1中牙轮轴承部位结构的剖视图。
图3为图1中牙掌轴承部位结构的剖视图。
图4为本发明第二个实施例的剖视结构图。
图5为本发明第三个实施例的剖视结构图。
图6为本发明第四个实施例的剖视结构图。
图7为图6中牙轮轴承部位结构的剖视图。
图8为图6中牙掌轴承部位结构的剖视图。
图9为本发明第五个实施例的剖视结构图。
以下结合附图进一步详细说明本发明的实施例。
第一个实施例如图1、2、3所示，为一种滑动轴承结构牙轮钻头，包括有牙轮1和牙掌8，牙轮和牙掌通过它们的轴承部位相接合，牙轮牙掌由锁紧元件14进行轴向锁定，在它们接合处的下端安有密封圈15，牙轮的轴承部位表面为牙轮内孔的各表面牙轮大轴孔2表面、牙轮小轴孔3表面、牙轮二道止推面5、牙轮一道止推面6、以及牙轮锁紧槽4表面，可在上述任意一个或多个表面渗有渗硫层；牙掌8的轴承部位表面为牙掌轴颈的各表面大轴颈9表面、小轴颈10表面、轴颈一道止推面13、轴颈二道止推面12以及轴颈锁紧槽11表面，可在上述任意一个或多个表面渗有渗硫层，通常在牙掌的轴承部位一些表面根据情况可堆焊耐磨合金23，锁紧元件表面也可渗有渗硫层，此外，在安设密封圈的密封槽表面，包括牙轮内孔的密封槽7表面和牙掌轴颈的密封面16表面渗有渗硫层，如果密封圈为金属组合密封圈，其中的金属元件也可渗有渗硫层；根据情况，为进一步增加牙轮轴承部位的耐磨性能和表面应力强度，可在滑动轴承牙轮钻头的轴承部位的一个或多个表面的渗硫层下先渗有一层渗硼层，通常是在牙掌轴颈表面的渗硫层下先渗一层渗硼层，渗硼层的厚度为0.05-0.1mm，由此而形成一个渗硼渗硫复合层。本实施例的加工处理过程为零件经热处理和精加工后，进行清洗，放进炉中进行低温离子渗硫处理，处理温度180-190℃，渗硫介质H2S和CS2或为纯硫蒸气，处理时间为6-8小时，渗硫层厚度为0.02-0.03mm。若需要渗硼渗硫复合层，则须先进行渗硼处理后再进行渗硫处理。
本发明的第二个实施例如图4所示，为一种衬套滑动轴承结构，它与上一个实施例的主要不同之处在于在牙轮牙掌相接合的轴承部位安设有滑动衬套，滑动衬套包括浮动衬套和固定衬套；浮动衬套与牙轮钻头轴承部位各配合面为间隙配合，浮动衬套包括大轴浮动衬套17、二道止推片18、小轴浮动衬套、一道止推片或者小轴浮动衬套与一道止推片结合成一体的小轴浮动帽19，这些浮动衬套可由高强度钢4Cr5MoSiV1(相当于美国H13钢)制成，在浮动衬套的一个或多个表面渗入一层渗硫层，渗硫处理的浮动衬套可以是上述这些衬套的部分或全部。本发明的浮动衬套轴承结构牙轮钻头较现有的浮动衬套牙轮钻头在耐高温、高压磨损、抗咬合性能、承载能力以及使用寿命方面均有进一步的提高。固定衬套与牙轮钻头轴承部位某一个配合面(孔或轴)为过盈配合，固定衬套包括大轴固定衬套、小轴固定衬套、小轴固定帽，对上述这些固定衬套的部分或全部、对其中一个或多个表面渗入渗硫层。
本发明第三个实施例如图5所示，也为一种衬套滑动轴承，它与上一个实施例的主要不同之处在于对于浮动衬套可将小轴浮动衬套与二道止推片结合为一体构成L形浮动衬套20；对于固定衬套则可有L形固定衬套。
本发明的第四个实施例如图6、7、8所示，为一种滚动轴承牙轮钻头，它与第一个实施例的主要不同之处在于在牙轮大轴孔与牙掌大轴颈之间设置有环行滚道22，环行滚道中安设滚动体21，滚动体可为圆柱形，可在环行滚道、滚动体之中的任意一个或多个表面渗入渗硫层，其它部分结构与上一实施例相同。另外，根据情况，也可在滚动轴承的其它部位设置二道止推片、小轴浮动衬套、或者小轴颈浮动衬套与二道止推片结合成一体的L形浮动衬套，对上述这些浮动衬套的部分或全部、一个或多个表面渗入一层渗硫层。也可在牙掌的小轴表面和二道止推面上堆焊耐磨合金23。本实施例的密封部位设置金属组合密封圈15，由金属密封圈和橡胶或者塑料密封圈组合而成，可在金属密封圈的各个表面渗入渗硫层。
本发明的第五个实施例如图9所示，它与第四个实施例的主要不同之处在于在牙轮小轴孔和牙掌小轴颈之间设置环形滚道，环行滚道中安设有滚动体21，滚动体可为圆柱形，这样构成一个全滚动轴承牙轮钻头，可在环行滚道、滚动体之中的任意一个或多个表面渗入渗硫层。
权利要求
1.一种具有固体润滑层的牙轮钻头，包括有牙轮、牙掌，牙轮、牙掌通过其轴承部位相接合，其特征在于在轴承部位的一个或多个表面存在有一层渗硫层。
2.按权利要求1所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于渗硫层的厚度为0.001-0.30mm。
3.按权利要求1或2所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于所述的轴承部位的结构为滑动轴承结构。
4.按权利要求3所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于牙轮(1)的轴承部位表面为牙轮内孔的各表面牙轮大轴孔(2)表面、牙轮小轴孔(3)表面、牙轮二道止推面(5)、牙轮一道止推面(6)，牙掌(8)的轴承部位表面为牙掌轴颈的各表面大轴颈(9)表面、小轴颈(10)表面、轴颈一道止推面(13)、轴颈二道止推面(12)，在上述任意一个或多个表面渗有渗硫层。
5.按权利要求4所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在滑动轴承部位的一个或多个表面的渗硫层下先渗一层渗硼层，由此形成一个渗硼渗硫复合层。
6.按权利要求4所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在牙轮牙掌相接合的轴承部位安设有浮动衬套，包括大轴浮动衬套(17)、二道止推片(18)、小轴浮动衬套、一道止推片或者小轴浮动衬套与一道止推片结合成一体的小轴浮动帽(19)，或者由小轴浮动衬套与二道止推片结合为一体的L形浮动衬套(20)，对上述浮动衬套的部分或全部、一个或多个表面渗入一层渗硫层。
7.按权利要求4所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在牙轮牙掌相接合的轴承部位安设固定衬套，包括大轴固定衬套、小轴固定衬套或小轴固定帽或L形固定衬套，对上述这些衬套的部分或全部，对其一个或多个表面渗入渗硫层。
8.按权利要求1或2所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于所述的轴承部位结构为滚动轴承结构。
9.按权利要求8所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于牙轮的轴承部位表面为牙轮内孔的各表面，牙掌的轴承部位表面为牙掌轴颈的各表面，在牙轮大轴孔与牙掌大轴孔之间设置有环行滚道(22)，环行滚道中安设滚动体(21)，在环行滚道、滚动体之中的任意一个或多个表面渗入渗硫层。
10.按权利要求9所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在所述滚动轴承的其它部位设置二道止推片、小轴浮动衬套、或者由小轴浮动衬套与二道止推片结合成一体的L形浮动衬套，这些浮动衬套的部分或全部、一个或多个表面渗入一层渗硫层。
11.按权利要求9所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在牙轮小轴孔和牙掌小轴颈之间设置环形滚道，环行滚道中安设滚动体，在环行滚道、滚动体之中的任意一个或多个表面渗入渗硫层。
12.按权利要求1或2所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于牙轮牙掌由锁紧元件(14)进行轴向锁定，在牙轮锁紧槽(4)表面、牙掌轴颈锁紧槽(11)表面渗有渗硫层。
13.按权利要求1或2所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在牙轮牙掌的接合处的下端安有密封圈(15)，在安设密封圈的密封槽表面，包括牙轮内孔的密封槽(7)表面和牙掌轴颈的密封面(16)表面渗有渗硫层。
14.按权利要求13所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于密封圈为金属组合密封圈，由金属密封圈和橡胶或塑料密封圈组合而成，在金属密封圈的各表面渗入渗硫层。
15.按权利要求1或2所述的具有固体润滑层的牙轮钻头，其特征在于在构成渗硫层的金属硫化物中含有少量的金属氧化物。
全文摘要
本发明涉及一种具有固体润滑层的牙轮钻头,它包括有牙轮、牙掌、牙轮、牙掌通过其轴承部位相接合,其不同之处在于在轴承部位的一个或多个表面存在有一层渗硫层。轴承部位的结构为滑动轴承结构、滑动衬套轴承结构、滚动轴承结构。本发明不仅耐磨性强、散热性好,而且渗层与基体的结合强度高,可有效提高牙轮钻头的整体性能,本发明还具有加工简便,成本低、生产率高的特点。
文档编号E21B10/22GK1274041SQ0011455
公开日2000年11月22日 申请日期2000年5月9日 优先权日1999年9月6日
发明者毛红兵 申请人:江汉石油钻头股份有限公司