一种陶瓷金属复合结构的TC轴承及其制造方法.pdf

本发明公开一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承及其制造方法，属于轴承技术和陶瓷新材料领域，该TC轴承圆筒状的内、外环均为金属基体和陶瓷缸套的复合筒状结构；其中，TC轴承外环的内层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用过盈配合；TC轴承内环的外层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用高温硅胶进行粘结。本发明工艺简单，陶瓷缸套整体成型、烧结而成，金属基体与陶瓷缸套之间采用热装配或硅胶粘接而成，提高了产品的耐磨性、耐蚀性，减小陶瓷开裂倾向。

1.  一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承，其特征在于，该TC轴承圆筒状的内、外环均为金属基体和陶瓷缸套的复合筒状结构；其中，TC轴承外环的内层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用过盈配合；TC轴承内环的外层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用高温硅胶进行粘结。

2.  根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承，其特征在于，所述的陶瓷缸套为氧化锆陶瓷或氧化锆增韧的氧化铝复合陶瓷。

3.  一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下步骤：
(1)TC轴承内、外环金属基体加工：外环金属基体下端加工内台阶型挡环，内表面精车、精磨；内环金属基体下端加工外台阶型挡环，外表面精车、精磨；
(2)TC轴承内、外环陶瓷缸套加工：内、外环陶瓷缸套均采用等静压成型，胚体经粗加工后，进行高温烧结，烧结结束后随炉冷却；对冷却后的陶瓷缸套进行精车、精磨；
(3)TC轴承外环装配：将金属基体和陶瓷缸套加热至250～450℃，进行热装配，冷却至室温；
(4)TC轴承内环装配：在金属基体外表面和陶瓷缸套内表面刷涂高温硅胶，实现金属基体与陶瓷缸套的粘结。

4.  根据权利要求3所述的陶瓷-金属复合结构的TC轴承的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中成型压力为120～200MPa。

5.  根据权利要求3所述的陶瓷-金属复合结构的TC轴承的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中烧结温度为1450～1650℃，保温2～5h。

一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承及其制造方法
技术领域
本发明属于轴承技术和陶瓷新材料领域，尤其涉及一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承及其制造方法。
背景技术
TC轴承是一种用于石油开采的螺杆钻具的径向轴承，由于钻井浆液中所含颗粒状硬质相的研磨、钻井浆液的冲刷以及井内含有酸性气体(如H2S)的侵蚀，造成TC轴承工作面的损伤。因此提高TC轴承工作面的抗磨损性能是提高其使用寿命的根本途径。
传统的TC轴承工作面为硬质合金层，由铸造碳化钨与粘接金属形成的包镶基体硬质合金块组成。铸造碳化钨(80～300目)与粘接金属(铜镍锰)形成的包镶体可一定程度上抵御含沙钻井液流的长时间冲蚀，包镶体与硬质合金块之间具有一定的硬度差(摩擦面主体硬质合金块硬度为HRA85～90，包镶体基体硬度HRA40～45)。
这种采用硬质合金块粘接而成的TC轴承制备工艺复杂，涉及到硬质合金块的烧结以及硬质合金块在轴承金属基体上的粘接；表面光洁度不高，由硬质合金块构成的耐磨面并非光滑的曲面，较低的光洁度产生较大的摩擦；包镶体材料硬度较低，成为耐磨性能的“软肋”；硬质合金块与包镶体之间由于材料的不同，既会由于热胀冷缩的不同步性产生裂纹，也容易在钻井液介质中产生电化学腐蚀，从而降低其耐磨损性能。在以上因素的共同作用下，目前国内普通TC轴承使用寿命仅为150～200h。
专利(201310336098.3)提出一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法，在第一硬面材料中加入金刚石粉体，与碳化钨粉体共同构成硬质合金的增强相，以提高硬质合金层的耐磨性能，属于表面硬化处理，但未从根本上解决上述问题。
TC轴承工作面的磨损是摩擦与冲蚀的共同作用产生，因此提供一种高硬度、高耐磨、良好抗冲蚀性能且具有足够厚度的工作层才能更有效提高TC轴承的耐磨性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术上的不足，提供一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承及其制造方法。本发明的TC陶瓷-金属复合轴承以高温烧结的陶瓷缸套作为工作面耐磨层，相比较传统的硬质合金层具有更高的表面光洁度、耐磨性和化学稳定性，可极大地提高产品的抗冲蚀性能，延长其使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承，该TC轴承圆筒状的内、外环均为金属基体和陶瓷缸套的复合筒状结构；其中，TC轴承外环的内层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用过盈配合；TC轴承内环的外层为陶瓷缸套，金属基体与陶瓷缸套之间采用高温硅胶进行粘结。
优选地，所述的陶瓷缸套为氧化锆陶瓷或氧化锆增韧的氧化铝复合陶瓷。
本发明还提供了一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承制造方法，该制造方法包括如下步骤：
(1)TC轴承内、外环金属基体加工：外环金属基体下端加工内台阶型挡环，内表面精车、精磨；内环金属基体下端加工外台阶型挡环，外表面精车、精磨；
(2)TC轴承内、外环陶瓷缸套加工：内、外环陶瓷缸套均采用等静压成型， 胚体经粗加工后，进行高温烧结，烧结结束后随炉冷却；对冷却后的陶瓷缸套进行精车、精磨；
(3)TC轴承外环装配：将金属基体和陶瓷缸套加热至250～450℃，进行热装配，冷却至室温；
(4)TC轴承内环装配：在金属基体外表面和陶瓷缸套内表面刷涂高温硅胶，实现金属基体与陶瓷缸套的粘结。
优选地，所述步骤(2)中成型压力为120～200MPa。
优选地，所述步骤(2)中烧结温度为1450～1650℃，保温2～5h。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1)工艺简单，陶瓷缸套整体成型、烧结而成，金属基体与陶瓷缸套之间采用热装配或硅胶粘接而成；
2)工作层采用整体的陶瓷缸套，经精磨后可以达到较高的表面光洁度，降低摩擦；陶瓷缸套整体具有较高而且均匀的硬度，有利于提高其耐磨性；
3)整体的陶瓷缸套工作面不会产生电化学腐蚀，具有更好的耐蚀性，也不存在接合面因热胀冷缩产生微裂纹的可能性；
4)外环采用过盈配合，热装配后金属基体对陶瓷缸套产生压应力，利于减小陶瓷开裂倾向；
5)内环采用高温硅胶粘接，利用温差弹性补偿机制，减小使用过程高温(约200℃)条件下因金属基体膨胀在陶瓷缸套中形成的张应力，利于减小陶瓷开裂倾向。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明陶瓷-金属复合结构的TC轴承示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种陶瓷-金属复合结构的TC轴承及其制造方法，如图1所示，TC轴承圆筒状的内、外环均为金属基体和陶瓷缸套的复合筒状结构，工作面陶瓷缸套采用氧化锆增韧氧化铝陶瓷(氧化锆含量23％)。其制造工艺如下：
制造TC轴承外环：金属基体下端加工内台阶型挡环，该挡环宽度与陶瓷缸套厚度相适应，内表面精车、精磨后达到轴承设计尺寸及光洁度要求，陶瓷缸套胚体采用等静压成型，成型压力130MPa，按照设计尺寸对胚体进行粗加工后，在电炉中高温烧结，烧结温度为1600℃，保温2h，烧结结束后随炉冷却，对陶瓷缸套进行精车、精磨，使陶瓷缸套尺寸达到设计要求并满足与金属基体过盈配合的需要，陶瓷缸套内外表面达到设计光洁度要求。轴承外环装配：将金属基体和陶瓷缸套加热至400℃，进行热装配，冷却至室温后实现金属基体与陶瓷缸套之间的紧密配合，陶瓷缸套装配好以后，安装上端档环。
制造TC轴承内环：金属基体下端加工外台阶型挡环，该挡环宽度与陶瓷缸套厚度相适应，外表面精车、精磨后达到轴承设计尺寸及光洁度要求，陶瓷缸套胚体采用等静压成型，成型压力130MPa，按照设计尺寸对胚体进行粗加工后，在电炉中高温烧结，烧结温度为1600℃，保温2h，烧结结束后随炉冷却；对陶瓷缸套进行精车、精磨，使陶瓷缸套尺寸达到设计要求，内外表面达到设计光洁度要求。轴承内环装配：在金属基体外表面和陶瓷缸套内表面刷涂高温硅胶，实现内外套的粘结，陶瓷缸套装配好以后，安装上端档环。
陶瓷缸套体积密度为4.3g/cm³，表面硬度为HRA92，表面粗糙度小于0.3μm，轴承使用寿命达600h，陶瓷缸套与金属基体之间无相对滑动、无脱落。
实施例2
本实施例生产方法同实施例1，不同的是工作面陶瓷缸套陶瓷成分为纯氧化锆陶瓷，相应的成型压力为150MPa，烧结温度为1450℃。
陶瓷缸套体积密度为6.0g/cm³，表面硬度为HRA89，表面粗糙度小于0.3μm，轴承使用寿命达600h，陶瓷缸套与金属基体之间无相对滑动、无脱落。
实施例3
本实施例生产方法同实施例1，不同的是相应的成型压力为200MPa，烧结温度为1650℃。
实施例4
本实施例生产方法同实施例1，不同的是相应的成型压力为120MPa，烧结温度为1650℃。
本发明的TC陶瓷-金属复合轴承以高温烧结的陶瓷体作为耐磨层，相比较传统的硬质合金层具有更高的表面光洁度、硬度和化学稳定性，极大地提高了产品的抗冲蚀性能，使其使用寿命可达600h。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。