[发明专利]一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法

说明书

本发明涉及一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法，该牙轮钻头轴承镶套包括镶套本体和镀在镶套本体内壁上的镀银层；镶套本体由硬质合金制成，其硬质相为碳化钨、粘接相为钴，其中，粘接相占硬质合金的20wt％～25wt％。该牙轮钻头轴承镶套具有优异的耐磨性能、优异的减磨润滑及导热性能、良好的耐冲击性能，可以适用于高承载、高冲击使用环境，比如石油钻头及矿用机械。

技术领域

本发明涉及一种石油、矿山钻探技术领域，特别涉及一种牙轮钻头轴承镶套及其制备方法。

背景技术

目前，牙轮钻头是石油、矿山开采的主要工具，牙轮钻头的切削结构由牙轮、牙掌组成，牙轮和牙掌通过一体式的轴承锁紧连接，在钻进地层的过程中，随着钻头的旋转，牙轮围绕牙掌轴颈旋转，从而带动牙轮外部切削齿切削地层。与此同时，牙轮钻头轴承在钻进的过程中承受5～15T的巨大的载荷，而在钻头与地层接触的瞬间牙轮钻头轴承还承受较大的冲击力，因此，钻头轴承需要有良好的耐磨、耐冲击性能。

相关技术中，一般钻头采用一体式轴承，即轴承与钻头为一个整体，且材料相同。受钻头本身材料和工艺的限制，一体式轴承性能有限，通常是采用渗碳和淬火的方式在轴承内壁形成一层硬化层，硬化层的厚度较薄，且轴承的芯部硬度较低，在载荷较高或钻遇较硬地层情况时，硬化层会迅速磨损，导致轴承工作面磨损过度，使钻头提前失效。

在另一种相关技术中，钻头采用镶套轴承，即采用钢制镶套镶嵌于钻头轴孔中，这样可以对钢制镶套采用更优的加工及热处理工艺，能在一定程度上改善钢制镶套的耐磨性能，使其具有良好的整体硬度、强度及表面加工质量，进而提高轴承的整体性能。但钢制镶套本身硬度及耐磨性有限，其中硬度通常为54～56HRC，在大载荷条件下仍然会发生磨损失效。

硬质合金材料具有优异的硬度及耐磨性能，是作为加工刀具、钻头切削齿的理想材料。但对于钻头轴承来说，现有的硬质合金冲击性能明显低于钢，无法适用于钻井条件。钻头轴承通常采用电刷镀银的方式来达到减磨的作用，而硬质合金材料由于金属含量较低，相当于金属材料来说电刷镀难度较大。此外，钻头镶套轴承是通过对轴孔加热、对镶套冷却，再将镶套镶嵌于轴孔中进行装配，但常规的硬质合金膨胀系数也远低于金属材料，会导致镶套紧固力不足。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种高钴硬质合金轴承，并提供一种合适的镀银工艺，在保留硬质合金优异的耐磨性能的同时，达到减磨、耐冲击的目的。

本发明提供的技术方案具体如下：

第一方面，提供一种牙轮钻头轴承镶套，包括镶套本体和设于镶套本体内壁上的镀银层；镶套本体由硬质合金制成，其硬质相为碳化钨、粘接相为钴，其中，粘接相占硬质合金的20wt％～25wt％。

本发明提供的上述牙轮钻头轴承镶套硬度为HRA81～85，冲击韧性为10～13J/cm²，不但能承受较高载荷、具有良好的冲击性能、还具有较高的线膨胀系数8×10^-6～10×10^-6/℃和减摩性能，通过对轴孔加热、对镶套冷却，再将镶套镶嵌于轴孔中进行装配后，镶套紧固力不受影响，因具有镀银层，对牙掌轴颈磨损小。

一些实施例中，镀银层的厚度为25～100μm；镀银层的厚度为50～100μm。

本发明在钴含量特定的情况下，通过调整硬质相的平均粒度来控制轴承硬度，一些实施例中，碳化钨的平均粒度为3～6μm；碳化钨的硬度为1600～1800Hv。优选地，碳化钨的平均粒度为4μm，硬度为1700Hv。

一些实施例中，牙轮钻头轴承镶套从外到内依次由镶套本体、镀镍层、银打底层和镀银层组成，镀镍层的厚度为5～10μm，银打底层的厚度为5～10μm。

第二方面，提供一种制备上述牙轮钻头轴承镶套的方法，包括以下步骤：

通过热等静压技术制备镶套本体；