專利名稱：：鋼-鋁復合材料滑輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鋼-鋁復合材料滑輪及其制造方法，特別適用于石油鉆機或修井機配套用井架天車滑輪和提升系統(tǒng)用起升滑輪。
背景技術(shù)：
：井架是石油鉆機、修井機的重要部件之一，它在鉆井生產(chǎn)過程中，用于安放和懸掛天車、游車、大鉤、吊環(huán)、吊鉗等起升設備與工具，以M下、存放鉆桿及鉆鋌。因井架是整體起放，要求井架在滿足鉆井過程中最大負荷承栽能力的同時，必須有足夠的剛性和穩(wěn)定性，有盡量小的重量和外型尺寸?；喪怯迷诰芴燔嚿虾陀诬囅到y(tǒng)上的重要零件，一套井架上的滑輪可多達16個，要減小整個井架的重量，減小滑輪的重量是其重要途徑之一，尤其是天車滑輪減重最為重要。因為井架在起升時，天車滑輪離液壓起升缸支點最遠，井架最高可達47米，因而滑輪在井架起升時產(chǎn)生的反力矩最大，井架大梁承受應力最大時刻就是在井架起升初期，說明天車滑輪的重量對井架應力影響最大。目前鉆機上天車和游車滑輪采用的是鑄鋼滑輪或鋼質(zhì)焊接滑輪，如果采用鋼質(zhì)滑輪減少截面尺寸來減少重量，減重效果不明顯，必須從天車滑輪的結(jié)構(gòu)和材料上選擇突破口，設計一種特殊結(jié)構(gòu)和材料的滑輪，既能保證最大限度減少滑輪重量，又能保證滑輪繩槽的耐磨性和滑輪的整體強度，從而較大幅度地減少井架天車重量，降低井架起升時井架大梁承受的應力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種比鋼質(zhì)滑輪減重30%左右，既能保證滑輪繩槽的耐磨性和滑輪的整體強度而且結(jié)構(gòu)性能可靠的鋼-鋁復合材料滑輪及其制造方法。本發(fā)明的鋼-鋁復合材料滑輪，由材質(zhì)分別為鋼和鋁合金的外團輪緣和內(nèi)圏輪輻組合而成，外團輪緣的內(nèi)圓面同內(nèi)圏輪輻的外圓面配合，外圏輪緣的繩槽內(nèi)沿圓周均布若干沉頭螺釘沿徑向緊固外圏輪緣與內(nèi)國輪輻。上述外團輪緣的內(nèi)圓上還有個定位凸臺，內(nèi)圈輪輻外圓上還有個與定位凸臺吻合的定位階梯，定位階梯和定位凸臺端面接觸配合。本發(fā)明鋼-鋁復合材料滑輪采用以下工藝步驟制造I:外團輪緣制造工藝步驟為①釆用中碳鋼或低合金鋼鑄造或鍛造成形；n:內(nèi)圏輪輻制造工藝步驟為①鑄造工藝采用鋁合金整體鑄造成形，其化學成份(4):Cu:4.8~5.5Mn:0.5~1.2Ti:0.15~0.40Al:余量雜質(zhì)含量控制Fe:<0.15%Si《0.1%Mg《0.05%Zn<0.1%雜質(zhì)總量<0.4%按上述化學成份熔煉，熔煉時采用六氯乙烷加二氡化鈦作為精煉劑，其加入量為0.5~0.8%，精煉溫度700~740,精煉時間10~12分鐘，靜置10-15分鐘；砂型鑄造。②熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效固溶處理將鑄件加熱到535士5。C，保溫時間5-9小時，繼續(xù)加熱到545土5。C，保溫時間59小時，用60~100匸水快速冷卻；不完全人工時效將固溶處理后的內(nèi)圈輪輻加熱160±5°C，保溫時間6-9小時，然后在空氣中緩'lt冷卻至室溫。(D機械加工。ffl:外團輪緣和內(nèi)圏輪輻的裝配工藝步驟①將外團輪緣加熱到140160'C后，將內(nèi)圏輪輻沿外圏輪緣的內(nèi)圓用壓力才幾壓入，裝配后自然冷卻；②在外圈輪緣繩槽內(nèi)沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圈輪緣和內(nèi)團輪輻沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外圏輪緣焊接，焊接點處用砂輪打磨光滑使與輪槽平滑過渡。IV:裝配后外團輪緣繩槽表面檢驗及處理工藝①繩槽表面磁粉探傷；②繩槽表面中頻淬火加熱溫度900土1(TC，淬火后進行回火，回火溫度200"C，保溫時間120分鐘。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設計上采用耐磨性高的鋼質(zhì)外團輪緣和質(zhì)量輕且強度能滿足要求的鋁合金內(nèi)圈輪輻組合而成，外圈輪緣的定位凸臺和內(nèi)圍輪輻的定位臺階的設計使外圏輪緣和內(nèi)圈輪輻的裝配可沿軸向準確定位，外團輪緣繩槽內(nèi)緊固螺釘使外圏輪緣和內(nèi)圉輪輻的配合連接更加可靠。本發(fā)明在制造方法上外圈輪緣選用中碳鋼或低合金鋼鑄造或鍛造，由于中碳鋼和低合金鋼在滿足強度的前提下，具有良好的綜合機械性能和優(yōu)良的性價比，在大部份制造業(yè)應用廣泛且制造方便，在冶煉、熱處理、機加、鑄造、鍛造各種工藝方法中都有比較成熟的工藝，再者中碳鋼和低合金鋼的含碳量相對較低，使材料具有良好的可焊性，因而選用中碳鋼或中低合金鋼作為滑輪外圈輪緣的材料是比較恰當?shù)?。?nèi)團輪輻選用鑄造鋁合金，其化學成份選定的理由闡述如下Cu是該類合金中主要的合金元素，再加入適量的Mn和Ti進行合金化，Si和Fe是主要雜質(zhì)元素。下面把各組元的影響分述如下Cu:Cu是該類合金中主要的合金元素，Cu能固溶于鋁中，固溶的結(jié)果使鋁的點陣發(fā)生畸變，對ot-固溶體產(chǎn)生顯著的硬化效應。Cu在鋁中的固溶度有隨溫度變化而顯著變化的特點，即在oc-固溶體中的溶解度隨著溫度的下降而減小，根據(jù)此特點，可經(jīng)熱處理進行強化。Cu可以提高合金室溫強度和高溫強度，同時也改4^金的機加工性能，但是鑄造性能較差，特別是當Cu的質(zhì)量分數(shù)為4~5%時合金的熱裂傾向最大，超過這個含量時熱裂傾向降低。由此本發(fā)明選用的Cu含量為4.8~5.5%，可以有效地避開熱裂傾向大的成份區(qū)間，使其獲得良好的機械性能。Mn:Mn在鋁合金中屬于合金化元素，它一部份溶入ot-固溶體，一部分形成T(Al12Mn2CuHB。在凝固過程中，Mn在oc-固溶體中的溶解即處于過飽和狀態(tài)，而在合金進行淬火處理時，發(fā)生固溶體的分解，形成細小的T(AluMn2Cu)相質(zhì)點，使合金的屈服強度和高溫性能得到改善。Ti:Ti的作用是形成Al3Ti，作為外來結(jié)晶核心而細化晶粒，提高力學性能。Fe:Fe對此種鋁合金是一種雜質(zhì)，它與鋁、銅一起形成Al7Cu2Fe相，使可溶入cc-固溶體中的銅量減少，使合金性能降低。因而要求F《0.15%.Si:Si對此種鋁合金也是一種雜質(zhì)，它使組織中形成三元共晶(oc+Si+CuAl2)，其熔點約為520~525X:，使合金按正常規(guī)范進行熱處理時引起鑄件過燒，同時Si使合金的高溫延伸率降低。所以Si含量應嚴格控制，要求Si《0.1%.熱處理工藝采用固溶處理加不完全人工時效，固溶處理可^f吏強化組元最大限度的溶解，并將高溫狀態(tài)下組織被固定保存到室溫，可提高鑄件的強度和塑性，改4^金的耐腐蝕性能。不完全人工時效由于采用較低的時效溫度和較短的保溫時間，由此可獲得優(yōu)良的綜合力學性能，即獲得比較高的強度和良好的塑性和韌性。外團輪緣和內(nèi)團輪輻采用熱壓工藝裝配，在外團輪緣繩槽內(nèi)沿圃周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外團輪緣和內(nèi)團輪輻沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外團輪緣焊接，因此不會產(chǎn)生兩種材料的脫離，具有可靠的結(jié)構(gòu)性能。外圏輪緣的繩槽是滑輪的重要工作面，外圍輪緣和內(nèi)團輪輻裝配后對外圉輪緣繩槽表面進行磁粉探傷，可保證繩槽性能可靠，繩槽表面中頻淬火可獲得良好的耐磨性。本發(fā)明由于采用材質(zhì)分別為鋼和鋁合金的外圏輪緣和內(nèi)團輪輻組合而成，因而相對于整體鋼質(zhì)的滑輪有效減少了重量，繩槽表面磁粉探傷、中頻淬火保證了繩槽這個關(guān)鍵工作部位的耐磨性和可靠性。內(nèi)圈輪輻采用鋁合金整體鑄造，其化學成份的控制、熱處理工藝的實施在獲得質(zhì)量輕的同時保證了滑輪的整體強度要求，外團輪緣和內(nèi)團輪輻采用熱壓裝配、輪槽內(nèi)沿圓周均布若干沉頭螺釘沿徑向緊固外團輪緣與內(nèi)圈輪輻的結(jié)構(gòu)及方法保證了滑輪整體的結(jié)構(gòu)性能可靠。圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意主視2是圖1的側(cè)視3是圖1中I的局部放大圖具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以用于4000米鉆機天車上的H915滑輪為例，滑輪最大外徑d)915鵬，適用鋼絲繩直徑<J)32mm,繩槽半徑為R17mm，滑輪底徑為小825mm,繩槽尺寸設計符合APISPEC8A規(guī)范。如圖1、圖2、圖3所示，鋼-鋁復合材料滑輪采用材質(zhì)分別為鋼和鋁合金的外圏輪緣l和內(nèi)圏輪輻2分體組合結(jié)構(gòu)，外團輪緣l的內(nèi)圓與內(nèi)圏輪輻2的外圓配合，外圏輪緣l的內(nèi)圓上有個定位凸臺101,內(nèi)圉輪輻2外圓上有個與定位凸臺吻合的定位階梯201，定位階梯201和定位凸臺101端面接觸配合，外團輪緣1的繩槽102內(nèi)沿圓周均布若干沉頭螺釘3沿徑向緊固外圈輪緣1與內(nèi)圏輪輻2。上迷鋼-鋁復合材料滑輪采用以下工藝步驟制造(1)外團輪緣制造工藝步驟為采用中碳鋼鑄造成形、機械加工。(2)內(nèi)圈輪輻制造工藝步驟為a:鑄造工藝采用鋁合金整體鑄造成形，其化學成份(wt9/。)Cu:4.8—5.5Mn:0.5~1.2Ti:O.15~0.40Al:余量雜質(zhì)Fe:《0.15%Si《0.1%Mg《0.05%Zn<0.1%雜質(zhì)總量<0.4%鑄造工藝步驟按上述化學成份熔煉、在熔煉時采用六氯乙烷加二氧化鈦作為精煉劑，其加入量為0.4~0.8%，精煉溫度700~74(TC，精煉時間10-13分鐘，靜置10-15分鐘，砂型鑄造。b:鑄造后熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效，熱處理工藝參數(shù)見下表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>c:機械加工(3)外圈輪緣和內(nèi)團輪輻的裝配工藝a:將外團輪緣加熱到150。C后，將內(nèi)團輪輻沿外圏輪緣的內(nèi)圓用壓力機壓入；外圏輪緣內(nèi)圓和內(nèi)圏輪輻外圓采取過盈配合(H7/s6)。壓裝過程中壓力變化應平穩(wěn)，壓到位置時壓力表壓力突然上升，應立即停止壓進.熱裝后零件自然冷卻。b:在輪槽內(nèi)沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圏輪緣和內(nèi)圈輪輻沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外圏輪緣焊接，焊接點處用砂輪打磨光滑使與輪槽平滑過渡。(4)裝配后外圈輪緣繩槽表面檢驗及處理工藝a:繩槽表面進行磁粉探傷使用P-1500磁粉探傷儀進行探傷，磁化方式為周向磁化，磁粉類型為磁骨(紅-水)，磁化電流為600A,靈敏度試片規(guī)格為A30/100。b:繩槽表面中頻淬火中頻淬火采用專用的淬火設備，連續(xù)加熱，加熱溫度900℃，輸出電壓700V，電流160A，功率65KW，頻率7200HZ。淬火后進行回火，回火溫度200°C，保溫時間120分鐘。本發(fā)明在選材上考慮到兩種不同材質(zhì)的線膨脹系數(shù)不一致，材料在收縮和膨脹時產(chǎn)生的量不同，根據(jù)材料線膨脹系數(shù)的計算公式a1＝1/lxd1/dT---(l)得出d1=a1xlxdT(2)根據(jù)公式(2)可計算出在某一溫度區(qū)間，碳鋼或低合金鋼和鑄造鋁合金在接觸面上的膨脹量，在20℃-600℃區(qū)間，對于碳鋼或低合金鋼其線膨脹系數(shù)al1=10.5-15/10-6k-1----(1);而對于鋁合金材料，其線膨脹系數(shù)dl=alxlxdT----(2)。由公式(2)可計算出線膨脹量，假如零件接觸面尺寸直徑小于1000咖，它們的線膨脹量差值在0.2~0.4咖之間，在半徑方向上差值僅為0.1~0.2咖。雖然兩種材料的線膨脹系數(shù)有差異，在材料受熱膨脹時，鑄鋼的外圍輪緣膨脹量小于鋁合金內(nèi)團輪輻，這樣鋁合金內(nèi)圈輪輻產(chǎn)生微量的塑性變形，由于這種材質(zhì)相對來講硬度較低，微量的塑性變形不會對兩種材料產(chǎn)生較大的影響。反過來講，如果兩種材料在0C-40X:時，產(chǎn)生收縮，這時鋁合金內(nèi)團輪輻收縮量大于鑄鋼外圏輪緣，再減去原有的過盈量，會在兩種材料接觸面上產(chǎn)生0.l咖左右的"5咖，通it計算兩種材料在cj)795咖:度上差值僅^0.39咖，而在半徑方向上僅為0.195咖。綜上所述，無論兩種材料在受熱膨脹或遇冷收縮時，產(chǎn)生的膨脹和收縮量都很小，加上兩種材料在圓周方向上又有數(shù)個緊固螺釘并涂上螺紋鎖固密封劑緊固，所以在工作情況下，不會產(chǎn)生兩種材料脫離的可能，具有可靠的結(jié)構(gòu)性能。經(jīng)過試制、試驗驗證，鑄鋼外圏輪緣繩槽工作表面無鑄造缺陷，繩槽工作表面在中頻淬火前進行磁粉探傷達到GB9444-88的I級質(zhì)量，中頻淬火后純槽表面可達到硬度42-50HRC，淬深層5~10咖，保證了繩槽這個關(guān)鍵工作部位的耐磨性和可靠性。鋁合金內(nèi)團輪輻的化學成份達到前述要求，機械性能達到CTb》440~470MPa;cr0.2>255~305Mpa;cr-0.2>275~285Mpa;cr-l>90Mpa;55(%)>8~15;HB>120。在前述基礎上又進行了整體試車，，運行正常。對H915滑輪而言，此種鋼鋁復合材料滑輪重量為71kg，H915鋼質(zhì)滑輪重量為103kg，鋼鋁復合材料滑輪重量比同樣尺寸的鋼質(zhì)滑輪重量減少了30%,減重效果比較明顯，按平均一臺鉆機用滑輪10個計算，每個滑輪減重28~32kg，一臺鉆機僅滑輪重量就可減少280-320kg，在井架起升時就可以較大輻度減少滑輪產(chǎn)生的反力矩，從而減少井架大梁承受的應力，提高井架的安全可靠性。權(quán)利要求1、一種鋼-鋁復合材料滑輪，其特征在于由材質(zhì)分別為鋼和鋁合金的外圈輪緣(1)和內(nèi)圈輪輻(2)組合而成，外圈輪緣(1)的內(nèi)圓面同內(nèi)圈輪輻(2)的外圓面配合，外圈輪緣(1)的繩槽(102)內(nèi)沿圓周均布若干沉頭螺釘(3)沿徑向緊固外圈輪緣(1)與內(nèi)圈輪輻(2)。2、如權(quán)利要求1所述鋼-鋁復合材料滑輪，其特征在于外團輪緣(l)的內(nèi)圓上有個定位凸臺(101)，內(nèi)圈輪輻(2)的外圓上有個與定位凸臺(101)吻合的定位階梯(201)，定位階梯(201)和定位凸臺(IOI)端面接觸配合。3、如權(quán)利要求1所述鋼-鋁復合材料滑輪的制造方法，其特征在于采用以下工藝步驟I:外團輪緣制造工藝步驟為①采用中碳鋼或低合金鋼鑄造或鍛造成形；②機^Mp工；n:內(nèi)圈輪輻制造工藝步驟為①鑄造工藝采用鋁合金整體鑄造成形，其化學成份(wT。)Cu:4.8-5.5Mn:0.5~1.2Ti:0.15-0.40Al:余量雜質(zhì)含量控制Fe:<0.15%Si<0.1%Mg<0.05%Zn<0.1%雜質(zhì)總量<0.4%按上述化學成份熔煉，熔煉時采用六氯乙烷加二氧化鈦作為精煉劑，其加入量為0.5~0.8%，精煉溫度700~740,精煉時間:10~12分鐘,靜置IO~15分鐘;砂型鑄造；②熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效固溶處理將鑄件加熱到535士5。C，保溫時間5~9小時，繼續(xù)加熱到545士5。C，保溫時間59小時，用60-100。C水快速冷卻；不完全人工時效將固溶處理后的內(nèi)圏輪輻加熱160士5T，保溫時間6~9小時，然后在空氣中緩^^冷卻至室溫；③機録口工；ffl:外圈輪緣和內(nèi)團輪輻的裝配工藝步驟①將外團輪緣加熱到1401601C后，將內(nèi)圈輪輻沿外圈輪緣的內(nèi)圓用壓力機壓入，裝配后自然冷卻；②在外團輪緣繩槽內(nèi)沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圈輪緣和內(nèi)圈輪輻沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外團輪緣焊接，焊接點處用砂輪打磨光滑使與輪槽平滑過渡；IV:裝配后外圈輪緣繩槽表面檢驗及處理工藝①繩槽表面磁粉探傷；②繩槽表面中頻淬火加熱溫度900土10X:，淬火后進行回火，回火溫度20(TC，保溫時間120分鐘。全文摘要本發(fā)明涉及鋼-鋁復合材料滑輪及其制造方法，特別適用于石油鉆機配套的井架天車及提升系統(tǒng)用滑輪。由材質(zhì)分別為鋼和鋁合金的外圈輪緣和內(nèi)圈輪輻組合而成；外圈輪緣采用中碳鋼或低合金鋼鑄造或鍛造成形；內(nèi)圈輪輻采用鋁合金整體鑄造成形，其化學成分(w％)Cu4.8～5.5，Mn0.5～1.2，Ti0.15～0.40，Al余量，雜質(zhì)控制Fe≤0.15％，Si≤0.1％，Mg≤0.05％，Zn≤0.1％，雜質(zhì)總量≤0.4％，熔煉、砂型鑄造后進行固溶處理加不完全人工時效的熱處理；外圈輪緣和內(nèi)圈輪輻采用熱壓裝配，繩槽內(nèi)用沉頭螺釘徑向緊固外圈輪緣和內(nèi)圈輪輻，裝配后繩槽表面磁粉探傷并中頻淬火。本發(fā)明在比鋼質(zhì)滑輪減重30％左右的同時，能保證滑輪繩槽的耐磨性和滑輪的整體強度且結(jié)構(gòu)性能可靠。文檔編號C22C1/06GK101126441SQ20061008927公開日2008年2月20日申請日期2006年8月15日優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日發(fā)明者劉洪澤,尹永晶,勇張,王芬蘭,趙旭平申請人:南陽二機石油裝備(集團)有限公司