一个钻探元件和用于在热化学表面处理中遮盖元件的装置及其方法 本发明领域
本发明涉及如各个独立权利要求的前述部分所述的一个钻探元件和用于在热化学表面处理中遮盖元件的装置及其方法。
技术领域
在诸如渗碳、渗碳氮化、渗硼等热化学表面处理中，经常要求特定区域的表面保持有与热处理前相同的化学组成。通常，通过使用一些制备品覆盖在这些区域的表面来实现这个要求，这些制备品能够防止钢表面直接暴露于炉内气氛。对于在炉内气氛中的元件，进行的覆盖形成了或多或少扩散的密封层，该密封层不与钢发生平衡反应。可以使用多种方法进行覆盖，例如通过刷、浸、喷形成液体涂层，通过粘浆或通过电镀铜。在管子进行渗碳的例子中，希望末端和沿着管子大约20mm的长度的外部和内部不进行渗碳，通常的方法是将管子末端浸入到涂料中，然后在升高的温度下进行干燥。覆盖层不能过厚，也不能过薄，因此在浸入形成光滑的覆盖层以后，必须使用刷子或其它工具进行调整。这个方法花费较高，因为它对于涂料(粘度、组分等)和使用二者要求有很高的准确性。图1显示了通过传统的方法将末端2浸入形成覆盖层地钻探元件或管子1的例子。箭头指示了在表面上炉内气氛的运动。图3显示了在渗碳之前已经在末端表面2上涂有覆盖层的已渗碳的管子1的例子。通常大约1mm厚的渗碳层在覆盖表面的起始处具有一个相对较陡的过渡区5。过渡区的长度用字母a表示，通常大约为1mm。通过将过渡区的长度和表面硬化层深度相除，即a/d，能够得到过渡区5的陡峭度。因此，在例如US-A4165243中所公开的传统的热处理方法中，陡峭度大约为1。陡的过渡区具有不良的表面应变状态，例如在承受弯曲或冲击应力时。在US4867015中描述的孔向下的钻头的热化学处理中，其中在热处理开始以前在钻头的插入孔中覆盖有涂料。
本发明的目的
本发明的一个目的是提供一个以简单的节省成本的方式在热化学表面处理中遮盖元件的方法。
本发明的另一个目的是提供一个在热化学表面处理中遮盖元件的方法，以用于改善元件的强度。
本发明的另一个目的是提供带有连续变化的表面硬化层深度的钻探元件。
本发明的另一个目的是提供一个能够控制表面硬化层深度的装置。
附图描述
图1显示了钻探元件的透视图的实例，其通过传统的浸入的方式覆盖有保护层；
图2显示了本发明的一个装置的截面侧视图；
图3显示了在一末端进行传统涂料和渗碳后的钻探元件的实施例的截面图；
图4显示了根据本发明的渗碳后的钻探元件的实施例的截面图；
图5显示了本发明的装置的另一个实施例的截面侧视图；
图6显示了根据本发明的钻探元件的另一个实施例在渗碳后的截面图。
本发明详细描述
图2显示了一个例如为陶瓷或钢制成的装置或一个盖3，用于防止在钢表面14上的热化学作用。该钢表面优选设置在一个管或杆的末端以被用于进行冲击钻探。该装置具有一个旋转的对称的管状的外壁或盖外部部分11和一个旋转的对称的管状的内壁或盖内部部分12。内壁12和外壁11通过在一末端表面的环状壁部分13连接在一起，以致于形成用于接收管1的末端的环形的凹槽。外壁11的内直径和内壁12的外直径应当如此进行尺寸设计以至相对于被保护的不进行热化学处理的管1的缝隙开口不大于0.1mm。在热处理期间将盖安装在管1的末端2。箭头指示了炉内气氛围绕表面的运动。
图4显示了渗碳的管1的实施例，其通过借助于本发明的一个盖的帮助在管的末端(内和外)被保护以防止进行渗碳。该盖遮盖了端部表面14和外表面的相连部分。该渗碳层具有一个在渗碳层和未处理的末端表面2之间的伸长的和连续的过渡区。字母b表示过渡区的长度。热化学处理的表面的过渡区的长度b大于通过其它诸如浸入和涂料等保护方法所得到的过渡区长度，优选大于表面硬化层深度d的两倍。盖外部部分11和盖内部部分12具有相同的长度并借此在管1的各自的内和外表面上给出正好长度的保护区域。这里所表述的“未渗碳”和相似的表述，意味着该表面具有可忽略的碳的增加，其实质上没有受到热处理的结果的影响。
图5显示了根据本发明的装置或盖3′的另一个实施例。装置3′具有在内部和在外部的倒角的引出端7′，其中在管1′的渗碳部分的渗碳层4′和管末端2′的未渗碳的表面之间的过渡区变得较长。在图6中显示的过渡区的长度由字母c表示。可以通过或大或小的盖外部部分的内直径的倒角和同样的装置3′的内壁的外直径的倒角，来调整过渡区的长度。
通过以上描述的三个不同的变化的对比，可以应用以下的渗碳层的过渡区的长度的关系：a＜b＜c。
所开发的保护盖被安装到旋转的对称的管或杆的末端。其目的是盖应当有足够的配合以便炉内气氛不能深入进入到要保护的以防止诸如渗碳的热化学处理的管壁部分。通常，如果在管末端的端部表面和盖的底部之间的同时邻接的间隙小于0.1mm，其配合是足够的。
通过盖的倒角，如图5所示的，带有倒角7′的间隙开口将加大。借此例如对于渗碳层的过渡区6′的长度c能够被制造得更长，大于具有恒定宽度的间隙开口的过渡区的长度。以这样的方式，优选例如当管或杆承受弯曲应力时，将得到在过渡区的拉伸。
可选择的盖外部部分11和盖内部部分12具有不同的长度并且借此给出在管1的内和外表面上的不同的延伸的保护区域。同样，盖内部部分在10处的内直径能够被减少以便在管1的内部的热化学作用小于在管表面上的。
盖必须由不影响管表面内的组分的材料制成。优选的是，使用陶瓷材料或钢，其具有一个与相对于在管中的钢相平衡的组分。
盖或者放置在竖立的管的顶部，以便盖由于它自身的重量下降靠在管的末端表面上，或者管能够放置在盖上。穿过盖的孔使在管的内部不被盖保护的表面上得到热化学处理。通过在盖上制造小孔，在内侧未保护表面上的渗碳深度能够制造得小于在外部未保护的表面上的渗碳深度。
涉及将盖应用到管的未进行热化学处理的部分上的方法。在诸如渗碳或氮化的热化学表面处理中遮盖钻探元件的方法，所述方法包括以下步骤：提供一个钻探元件，例如钻管或钻杆，所述元件具有实质上基本伸长的形状和至少一个自由末端以及用于流出介质的中央通道，提供一个基本与元件的自由末端几何尺寸相配合的盖，将盖和元件的自由端彼此相互紧靠者邻接在一起，将盖和元件放置在具有适合的炉内气氛和用于金属热处理的适合的温度的炉内，允许炉内气氛部分地进入到盖和元件之间的地方，以便热处理沿着朝向自由端表面的方向连续减弱，和以便过渡区变长，和将盖和元件在环境温度下冷却并将盖从元件上拆下。然后钻探元件被适应地部分地焊接到用于冲击钻探的带有螺纹的部件或钻头上。
这个方法还有一些优点，例如快速应用和拆下保护，保护效果的良好的再重现，能够改变在热化学处理表面和未处理表面之间的过渡区，能够改变在管的内部的热化学处理和能够控制过渡区的程度和形状。