專利名稱：牙輪鉆頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地質(zhì)鉆井工具，尤其涉及一種牙輪鉆頭。
背景技術：
由于石油資源不斷開發(fā)，常規(guī)可采資源數(shù)量越來越少，已逐漸向更深層的石油開采，開采難度不斷加大，對鉆井機械的使用要求越來越高，以往的常規(guī)鉆井機械密封使用狀況已經(jīng)不能滿足石油鉆井鉆探的使用需求。目前，現(xiàn)有技術中的牙輪鉆頭的密封結構是在牙輪和牙掌形成的密封腔中裝有密封部件，密封部件采用橡膠密封圈和金屬密封環(huán)組合的方式進行密封，金屬密封環(huán)與嵌裝在牙輪腔中的壓入套的密封端面摩擦，使得壓入套的密封端面磨損嚴重而導致密封失效，從而鉆頭失效。其原因在于對具有振動和擺動狀態(tài)下工作的牙輪鉆頭密封時，必須增加0形密封圈的壓縮量，即增大密封壓力。增大后的密封壓力會導致壓入套密封端面的加劇磨損，且產(chǎn)生大量的摩擦熱，使壓入套的密封端面壓力降低和橡膠圈的供能效果減弱，造成密封失效。密封一旦失效，使得有腐蝕性及研磨性等高壓液體從鉆頭外部侵入鉆頭內(nèi)的密封系統(tǒng)，致使鉆頭的軸承系統(tǒng)過早磨損，鉆頭報廢。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述技術的不足，在中國公開專利(申請?zhí)枮?200620027466. 1和912M654. 5)的基礎上進行修改，而提供一種牙輪鉆頭，目的在于解決上述在高轉(zhuǎn)速和高鉆壓的工作條件下牙輪鉆頭壓入套密封端面的不耐磨和產(chǎn)生摩擦熱大的缺點，減輕0形密封圈的負擔，提高密封系統(tǒng)的使用壽命，最終提高牙輪鉆頭的使用壽命。本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術方案一種牙輪鉆頭，包括置于牙輪與牙掌軸形成的密封腔中的密封部件以及嵌裝在牙輪腔中的壓入套，所述壓入套的密封端面與密封部件摩擦連接，其特征在于與密封部件摩擦連接的壓入套密封端面上涂覆有耐磨層。所述耐磨層為類金剛石涂層。所述耐磨層為TiN涂層、TiCN涂層、CrN涂層、AlTiN涂層中的任意一種。所述密封部件由相互疊加配合的橡膠密封圈、橡膠密封墊圈和密封環(huán)構成，所述密封環(huán)與壓入套摩擦連接。所述耐磨層的厚度為0. 5um-8. Oum。有益效果通過在壓入套的密封端面上增設一層類金剛石涂層，具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨性好等的優(yōu)越特性，能有效地減小了壓入套密封端面的磨損和產(chǎn)生的摩擦熱，提高牙輪鉆頭密封系統(tǒng)的的可靠性，使牙輪鉆頭的使用壽命得到提高。

圖1是本實用新型的結構放大示意圖；[0011]圖2是本實用新型在牙輪中的結構示意圖；圖中1、牙輪；2、牙掌軸；3、密封腔中；4、密封部件；5、牙輪腔；6、壓入套；7、耐磨層；8、橡膠密封圈；9、橡膠密封墊圈；10、密封環(huán)。
具體實施方式
以下結合附圖及較佳實施例詳細說明本實用新型的具體實施方式
。如圖所示，一種牙輪鉆頭，包括置于牙輪1與牙掌軸2形成的密封腔中3的密封部件4以及嵌裝在牙輪腔5中的壓入套6，所述壓入套與密封部件摩擦連接，即壓入套與密封部件的接觸方式為面接觸，旋轉(zhuǎn)滑動摩擦。為了解決密封部件和壓入套之間磨損，在與密封部件摩擦連接的壓入套的密封端面上設有耐磨層7。本實用新型中的耐磨層優(yōu)選為類金剛石涂層(DLC)，類金剛石涂層與鋼的摩擦系數(shù)在0. 02 0. 1之間，也可以采用其它的涂層如TiN涂層、TiCN涂層、 CrN涂層、AlTiN涂層，但是它們與鋼的摩擦系數(shù)在0. 3 0. 5之間，DLC的摩擦系數(shù)要遠遠小于其他涂層與鋼的摩擦系數(shù)，如此低的摩擦系數(shù)大大減低了牙輪壓入套與牙掌密封環(huán)之間的扭矩，減少了摩擦熱的產(chǎn)生，改善了鉆頭橡膠圈的使用環(huán)境和提高了密封部件的耐磨性。DLC涂層的厚度對其使用性能也起到了至關重要的作用，如果薄膜太薄 (<0.5 μ m)，牙輪鉆頭在較長的工作條件下，DLC涂層很早被磨光，體現(xiàn)不出DLC薄膜的耐磨性；如果太厚，結合強度差，在高載荷作用下，涂層容易脫落，并且其硬度高和研性高，使得壓入套接觸面的磨損加快，磨損量約為未涂層時2倍。經(jīng)大量試驗證實，DLC薄膜的厚度為 0. 5μπ 8. Ομ ，優(yōu)選為2. Oym 4. Ομ 。而其他涂層的厚度也可以為0. 5μπ 8. Ομ 。本實用新型中的密封部件由相互疊加配合的橡膠密封圈8、橡膠密封墊圈9、密封環(huán)10構成，其中，所述密封環(huán)10與壓入套6摩擦連接。類金剛石涂層(DLC)還具有以下的優(yōu)點1.硬度高類金剛石涂層具有很高的硬度，本新型類金剛石涂層硬度的選擇范圍在1800 3500Hv(載荷0.245Ν)之間。DLC薄膜硬度取決于其中具有金剛石特征的SP3鍵含量和具有石墨特征SP2的含量比率，其值越大，硬度越高。如其涂層硬度過低，類金剛石層不耐磨， 過早的被磨穿，喪失涂層耐磨的作用；硬度過高，雖然薄膜的耐磨性增強，但薄膜與基體之間的內(nèi)應力增長，脆性加大，延伸性下降，導致薄膜在高載荷下，容易脫落。2.薄膜與基體結合力高本使用新型要求DLC薄膜與鋼基體的結合強度在40Ν以上，結合力高，使牙輪壓入套在長時間、高載荷下增加其摩擦穩(wěn)定性。3.表面粗糙度低在測量類金剛石涂層的表面粗糙度時，RaO. 02 μ m，粗糙度低主要與拋光工藝、涂層制備工藝(沉積溫度和沉積速率)等因素有關。相同條件下，其他涂層如TiN、AlTiN、CrN 的表面粗糙度Ra為0. 15 0. 6 μ m，與DLC涂層相差一個數(shù)量級。涂層表面粗糙度如此小， 與涂層前的表面粗糙度對比，不改變壓入套密封接觸面積，不影響鉆頭密封作用。4.涂層制備溫度低類金剛石涂層即可在低溫PVD (物理氣相沉積)設備中完成，PVD設備有多種方法，如磁控濺射及離子束和過濾陰極弧等；也可PACVD (等離子輔助化學氣相沉積)設備完成， 此工藝是把物理氣相沉積方法和化學氣相沉積方法相結的一種工藝技術，此工藝沉積溫度低、結合強度高。因此兩種涂層沉積設備對比，優(yōu)選PACVD (等離子輔助化學氣相沉積)設備。在以上方法和工藝中，如涂層基體由不銹鋼、高速鋼制得，沉積溫度要小于200°C以下， 使得基體的物理特性沒有改變，不影響涂層面粗糙度、平面度；如涂層基體硬質(zhì)合金制得， 沉積溫度可提高一些，但不能太高(<800°C )，否則就會導致基體涂層表面變形，影響其粗糙度和平面度。5.熱穩(wěn)定性類金剛石涂層的熱穩(wěn)定性在300 350°C環(huán)境是可靠的，在這種樣的溫度下，類金剛石涂層不會氧化，物理特性不會改變，類金剛石的熱穩(wěn)定性不如TiN，TiAeN, CrN，它們的熱穩(wěn)定性在450 700°C之間。在牙輪鉆頭工作條件下，影響鉆頭整體溫度因素有井下的熱環(huán)境溫度，鉆頭旋轉(zhuǎn)時機械性能轉(zhuǎn)換熱能，還有鉆井液和泥漿的冷卻作用等因素?？傊@頭井下使用時，整體溫度在250°C以下，因此類金剛石的熱穩(wěn)定性也完全滿足鉆頭使用要求。綜上，以上各項性能全面突破了其他固體潤滑材料的性能極限，大大提高了鉆頭的牙輪壓入套密封端面的耐磨性能和降低了相對滑動產(chǎn)生的摩擦熱，保證了金屬密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強鉆頭的使用壽命。牙輪壓入套(DLC)涂層準備和制備工藝首先壓入套經(jīng)粗車、熱處理后、精車成形后，再對密封面進行研磨和拋光處理，接觸端面要拋光成鏡面狀，在顯微鏡下觀察表面要光潔、粗糙度低(<RaO. 025)，表面不能存在殘余拋光液等雜質(zhì)，否著會影響DLC薄膜的結合強度。拋光處理后利用氣相沉積設備(PACVD設備和PVD設備)在壓入套接觸端面沉積DLC涂層，要求制備的DLC薄膜表面光滑、致密、均勻，粗糙度低(<RaO. 07)。并且膜基結合強度要達到HF-I 3，DLC薄膜硬度為1800 3500Hv, DLC薄膜厚度為0. 5 8. 0 μ m。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種牙輪鉆頭，包括置于牙輪與牙掌軸形成的密封腔中的密封部件以及嵌裝在牙輪腔中的壓入套，所述壓入套的密封端面與密封部件摩擦連接，其特征在于與密封部件摩擦連接的壓入套密封端面上涂覆有耐磨層。
2.根據(jù)權利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于所述耐磨層為類金剛石涂層。
3.根據(jù)權利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于所述耐磨層為TiN涂層、TiCN涂層、 CrN涂層、AlTiN涂層中的任意一種。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的牙輪鉆頭，其特征在于所述密封部件由相互疊加配合的橡膠密封圈、橡膠密封墊圈、密封環(huán)構成，所述密封環(huán)與壓入套摩擦連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的牙輪鉆頭，其特征在于所述耐磨層的厚度為0.5um-8. Oum。
專利摘要本實用新型涉及地質(zhì)鉆井工具，尤其涉及一種牙輪鉆頭，包括置于牙輪與牙掌軸形成的密封腔中的密封部件以及嵌裝在牙輪腔中的壓入套，所述壓入套與密封部件摩擦連接，其特征在于與密封部件摩擦連接的壓入套的密封端面上設有耐磨層。有益效果:通過在壓入套的密封端面上增設一層類金剛石涂層，具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨性好等的優(yōu)越特性，能有效地減小了壓入套密封端面的磨損和產(chǎn)生的摩擦熱，提高牙輪鉆頭密封系統(tǒng)的的可靠性，使牙輪鉆頭的使用壽命得到提高。
文檔編號E21B10/50GK202249774SQ201120314329
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權日2011年8月26日
發(fā)明者張樹盛, 李治國, 汪文齋, 王振文, 董太尚 申請人:天津立林鉆頭有限公司