无磁滑轮制造方法.pdf

本发明涉及一种无磁滑轮制造方法，特别适用于制造石油测井车电缆测井绞车上的测井滑轮。本发明无磁滑轮由外圈轮缘及轮槽和内圈轮体结合而成，外圈轮缘采用无磁铸钢铸造成形，并进行水韧处理和机械加工；内圈轮体采用高强度铝合金铸造成形，采用砂型铸造及变质处理，并进行固溶处理加不完全人工时效处理和机械加工；采用将内圈轮体沿外圈轮缘的内圆用压力机压入进行外圈轮缘和内圈轮体的装配，在轮槽内沿圆周方向均布若干沉头螺钉将外圈轮缘和内圈轮辐沿径向紧固。本发明制造的无磁滑轮，在工作状态能达到防磁(磁导率≤1.1μ/μ.Hm-1)功能，能满足承载强度、轮槽表面耐磨性要求，并具有重量较轻、综合成本低的优点。

1.  一种无磁滑轮制造方法，无磁滑轮由外圈轮缘及轮槽和内圈轮体结合而成，外圈轮缘的内圆与内圈轮体的外圆配合，外圈轮缘下端设有定位止口，轮槽内沿圆周均布用若干个沉头螺钉沿径向紧固外圈轮缘与内圈轮体，其特征在于：
采用以下工艺步骤：
I.外圈轮缘的制造工艺步骤为：
1)采用无磁铸钢铸造成形，其铸造工艺如下：
无磁铸钢化学成份(W％)：C：0.2～0.3；Si：0.2～0.6；Mn：18.5～20.5；P≤0.04；S≤0.035；
冶炼工艺：采用碱性电弧炉冶炼，在冶炼过程中控制造白渣；
造型工艺：采用弱碱性造型用砂做面砂，其面砂厚度为30～40mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前将砂型预烘烤，烘烤温度为60～120℃；涂料采用抗氧化涂料，涂刷厚度为0.8～1.5mm；
浇注工艺：采用完全开放式浇注系统，采用漏包浇注，出钢温度1600±20℃，镇静5～7分钟浇注，浇注温度1530±10℃；
2)热处理工艺：水韧处理，加热温度为1050～1100℃，水淬温度为高于950℃；
3)机械加工：采用硬质合金刀具进行车削加工；
II.内圈轮体的制造工艺步骤为：
1)采用高强度铝合金整体铸造成形，其铸造工艺如下：
铝合金化学成份(W％)Cu：4.8～5.5；Mn：0.5～1.2；Ti：0.15～0.40；Al：余量；
采用砂型铸造并进行变质处理；
2)热处理工艺：固溶处理加不完全人工时效；
固溶处理：将铸件加热到535±5℃，保温时间5～9小时，用60～100℃水快速冷却；
不完全人工时效：将固溶处理后的工件加热160±5℃，保温时间6～9小时，然后在空气中冷却至室温；
3)机械加工；
III.外圈轮缘和内圈轮体的装配工艺步骤：
1)将外圈轮缘加热到140～160℃后，将内圈轮体沿外圈轮缘的内圆用压力机压入；
2)在轮槽内沿圆周方向均布若干涂有螺纹锁固密封剂的沉头螺钉将外圈轮缘和内圈轮体沿径向紧固，螺钉沉头处与外圈轮缘焊接，焊条采用不锈钢焊条，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡。

无磁滑轮制造方法
技术领域
本发明涉及一种无磁滑轮制造方法，特别适用于石油测井车电缆测井绞车上的测井滑轮。
背景技术
石油测井车是用于测井的专门设备，车上安装有电缆测井绞车用于测井作业，电缆缠绕在绞车滚筒上。测井时，井下仪器由电缆送到井下，绞车滚筒牵引电缆提升井下仪器，被测地层物理参数由仪器获取后，经缆芯传送到地面的记录仪器进行记录。为避免转动的滚筒与电缆之间电磁感应，造成对电缆的磁干扰，从而影响测井参数的准确度，目前，绞车滚筒已经改进采用了防磁材料。同理，配套于电缆测井绞车用于支撑引导电缆的普通碳素钢材质的测井滑轮在转动过程中也会对电缆产生一定的磁干扰，因此研制具有防磁功能并具有一定的承载强度，轮槽表面耐磨，以及重量较轻的防磁滑轮十分必要。
目前，常用的无磁铸钢有ZG25Mn18Cr4、ZG40Mn18Cr3，见机械工业出版社2002年9月出版的《铸造手册》第2版铸钢分册第294～295页。如果单一使用无磁铸钢铸造无磁滑轮，其防磁及机械性能虽然能达到要求，但无磁铸钢的加工性能不好，需要专门的硬质合金刀具，成本高，另外，单一的无磁铸钢其重量又较重。
若滑轮全部采用铝合金制造，可以达到无磁的要求，但耐磨性较差。
新疆大学学报(自然科学版)第19卷第4期在2002年11月发表的“我国镶铸技术的研究现状与展望”中介绍，在矿山、水泥等工业领域中，有许多抵抗磨粒磨损的工件都采用高硬度的铬系合金白口铸铁，然而其中部分易损件要求与设备的某些部位装配在一起，需要对其非工作面进行机械加工，在这些情况下整体采用高硬度的耐磨材料就显得极不经济，所以如果采用工作表面硬度高而非工作表面具有一定韧性或加工性能的双金属耐磨材料制造这类易损件，则是既经济又安全合理的设计。目前双金属复合铸造作为一种提高材料性能及实现材料各方面性能良好配合的主要途径，获得双金属耐磨材料的常用铸造方法有双液双金属法、铸渗法和镶铸法。
如果采用铸钢与铝合金双液双金属法和铸渗法，难度更大，由于铸钢与铝合金的熔点、膨胀系数、导热系数及弹性模量相差较大，因而铝钢双金属复合铸造难度很大，尤其是铝合金的线收缩系数比铸钢的线收缩系数大得多，复合界面在铸造后的冷却过程中产生较大的应力，当该应力超过界面结合强度时容易在界面产生裂纹，此外这种方法的工装投入大，造成成本太高。
目前，国内有厂家测井滑轮制造方法是：轮体采用铝合金铸造，滑轮槽底部采用铝合金镶铸1Cr18Ni9Ti不锈钢圈。这种工艺虽然可以解决滑轮防磁问题，但是不锈钢成本高，而且普通的冶炼设备还无法冶炼这种低碳不锈钢，同时镶铸的工艺繁杂，不易操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种保证在工作状态防磁(磁导率≤1.1μ/μ.Hm^-1)、能满足承载强度、轮槽表面耐磨性要求、重量较轻、综合成本低的无磁滑轮的制造方法。
一种无磁滑轮制造方法，无磁滑轮由外圈轮缘及轮槽和内圈轮体结合而成，外圈轮缘的内圆与内圈轮体的外圆配合，外圈轮缘下端设有定位止口，轮槽内沿圆周均布用若干个沉头螺钉沿径向紧固外圈轮缘与内圈轮体，其特征在于：
采用以下工艺步骤：
I.外圈轮缘的制造工艺步骤为：
1)采用无磁铸钢铸造成形，其铸造工艺如下：
无磁铸钢化学成份(W％)：C：0.2～0.3；Si：0.2～0.6；Mn：18.5～20.5；P≤0.04；S≤0.035；
冶炼工艺：采用碱性电弧炉冶炼，在冶炼过程中控制造白渣；
造型工艺：采用弱碱性造型用砂做面砂，其面砂厚度为30～40mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前将砂型预烘烤，烘烤温度为60～120℃；涂料采用抗氧化涂料，涂刷厚度为0.8～1.5mm；
浇注工艺：采用完全开放式浇注系统，采用漏包浇注，出钢温度1600±20℃，镇静5～7分钟浇注，浇注温度1530±10℃；
2)热处理工艺：水韧处理，加热温度为1050～1100℃，水淬温度为高于950℃；
3)机械加工：采用硬质合金刀具进行车削加工；
II.内圈轮体的制造工艺步骤为：
1)采用高强度铝合金整体铸造成形，其铸造工艺如下：
铝合金化学成份(W％)Cu：4.8～5.5；Mn：0.5～1.2；Ti：0.15～0.40；Al：余量；
采用砂型铸造并进行变质处理；
2)热处理工艺：固溶处理加不完全人工时效；
固溶处理：将铸件加热到535±5℃，保温时间5～9小时，用60～100℃水快速冷却；
不完全人工时效：将固溶处理后的工件加热160±5℃，保温时间6～9小时，然后在空气中冷却至室温；
3)机械加工；
III.外圈轮缘和内圈轮体的装配工艺步骤：
1)将外圈轮缘加热到140～160℃后，将内圈轮体沿外圈轮缘的内圆用压力机压入；
2)在轮槽内沿圆周方向均布若干涂有螺纹锁固密封剂的沉头螺钉将外圈轮缘和内圈轮体沿径向紧固，螺钉沉头处与外圈轮缘焊接，焊条采用不锈钢焊条，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡。
本发明采用防磁性能好又有良好的可焊性且耐磨的无磁材料做滑轮外圈轮缘及轮槽，内圈轮体部分采用高强度铝合金，然后用热压成型的方式把两者结合成一体，由于铝合金塑性好，在热压成型的过程中更容易使两种不同质的材料结合牢固，再加上辅助的螺钉固定措施，轮缘与轮体的结合是牢固可靠的。
本发明外圈轮缘选用低碳高锰无磁铸钢铸造成形，由于低碳无磁铸钢在满足滑轮强度的前提下，具有良好的综合机械性能和较好的可焊性，尤其是磁导率低，能满足在工作状态基本上不导磁，价格比不锈钢便宜，而且比不锈钢冶炼难度小，且综合机械性能比不锈钢好，因而具有良好的性价比和良好的可操作性。
本发明内圈轮体采用铸造铝合金，主要是基于滑轮需要不导磁，铝合金是非磁性材料，此外滑轮在保证强度的情况下需要重量轻，铝合金的比重较小(2.65克/立方厘米)，而铸钢的比重通常为7.8克/立方厘米，内圈轮体采用铝合金，滑轮的重量可减少30％。
本发明外圈轮缘无磁铸钢热处理工艺为水韧处理，即将工件加热到1050～1100℃水淬(或称水韧处理)，其目的在于消除铸态组织中的碳化物，得到单一奥氏体组织。
本发明内圈轮体铝合金的热处理工艺为固溶处理加不完全人工时效，固溶处理：是把铸件加热到尽可能高的温度，接近于共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度的溶解，这种高温状态被固定保存到室温，此过程称为固溶处理。固溶处理可以提高铸件的强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能。不完全人工时效：是采用比较低的时效温度或较短的保温时间，获得优良的综合力学性能，即获得比较高的强度，良好的塑性和韧性。
有益效果：本发明由于采用材质分别为低碳无磁铸钢的外圈轮缘和铝合金的内圈轮体组合而成，首先在选材上保证了滑轮在工作状态上防磁，磁导率≤1.1μ/μH.m^-1，保证测井精度，并兼顾材料的可焊性，同时滑轮也具有良好的耐磨性，由于轮缘与轮槽是无磁低碳高锰钢，这种钢的铸态组织为奥氏体及碳化物，水韧处理后为单一的奥氏体，这种组织具有加工硬化的特点，在使用过程中，铸件表面受外力冲击或挤压，使奥氏体晶面滑移，晶格歪扭，并有马氏体形成，从而使表面硬度增高，增强了材料的耐磨性。相对于整体钢质的滑轮可以有效减轻重量30％。内圈轮体采用铝合金整体铸造，其化学成份的控制、热处理工艺的实施在获得重量轻的同时保证了滑轮的整体强度要求，外圈轮缘的内圆与内圈轮体的外圆配合采用热压成形、外圈轮缘下端设置的止口、轮槽内沿圆周均布若干沉头螺钉沿径向紧固外圈轮缘与内圈轮体的结构及方法保证了滑轮整体的结构性能可靠，防止两种材料结合不牢，此外螺钉与轮槽接触部位采用不锈钢焊条焊牢，也是为了防止滑轮局部导磁。
附图说明
图1是本发明无磁滑轮的结构示意图。
具体实施方式
下面以6000米石油测井车用的测井滑轮为例对本发明作进一步说明：
如图1所示，无磁滑轮整体结构为外圈轮缘1和内圈轮体2结合而成，外圈轮缘1上有轮槽1a，外圈轮缘1的内圆与内圈轮体2的外圆配合，外圈轮缘1下端设有定位止口1b，轮槽1a内沿圆周均布用10个沉头螺钉3沿径向将外圈外缘1、内圈轮体2紧固在一起，然后用镍基不锈钢焊条A302将沉头螺钉3与轮槽1a焊牢并打磨光滑。
无磁滑轮的制造工艺步骤如下：
I.外圈轮缘的制造工艺步骤为：
1)采用低碳无磁铸钢(ZG25Mn18Cr4)铸造成形，其铸造工艺：
无磁铸钢化学成份(W％)：C：0.2～0.3；Si：0.2～0.6；Mn：18.5～20.5；P≤0.04；S≤0.035；
冶炼工艺：采用碱性电弧炉冶炼，在冶炼过程中控制造白渣；
造型工艺：采用镁橄榄石砂做面砂，其面砂厚度为35mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前将砂型预烘烤，烘烤温度为80℃；涂料采用锆英粉醇基涂料，涂刷厚度为1.2mm；
浇注工艺：采用完全开放式浇注系统，采用漏包浇注，出钢温度1600±20℃，镇静6分钟浇注，浇注温度1530±10℃。
根据相关标准，滑轮外径设计为φ720mm，滑轮槽底径设计为φ636mm，钢丝绳直径为φ22mm，轮槽半径为R12mm。ZG25Mn18Cr4这种钢属于低碳高锰钢，是非常容易造成铸件表面粘砂的钢种，采用普通的石英砂是不可行的，因为石英砂属酸性的(无磁铸钢是属碱性的)，易与碱性的金属氧化物作用，形成低熔点化合物，导致化学粘砂。为了避免造成严重的粘砂，采用了用镁橄榄石砂做造型面砂，面砂厚度为35mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前将砂型预烘烤，烘烤温度为80℃；涂料采用锆英粉醇基涂料，涂刷厚度为1.2mm。设计完全开放的浇注系统，可保证快速充型。保证了铸件质量，表面光滑，无明显粘砂。
2)热处理工艺：水韧处理，加热温度为1050～1100℃，水淬温度为高于950℃；
3)机械加工：因为防磁钢这种材料加工性能不好，发粘、而且不容易断屑，针对材料特性，因此采用CNMM-DR型TiC涂层车刀对其进行车削加工；
通过上述工艺方法制造的外圈轮缘，其机械性能可达：σ _b≤360MPa；σ _S≤160MPa；δ(％)≤15；ψ(％)≤20；HBS：170～230；磁导率≤1.1μ/μH.m^-1；
II.轮体的制造工艺步骤为：
1)采用高强度铝合金整体铸造成形，其铸造工艺如下：
铝合金化学成份(W％)Cu：4.8～5.5；Mn：0.5～1.2；Ti：0.15～0.40；Al：余量；
采用砂型铸造并进行变质处理，变质处理采用在熔炼时采用六氯乙烷加二氧化钛作为精炼剂，其加入量为0.6％，精炼温度：700～740℃，精炼时间：10～12分钟，静置10～15分钟。
2)热处理工艺：固溶处理加不完全人工时效
固溶处理：将铸件加热到535±5℃，保温时间5～9小时，用60～100℃水快速冷却；
不完全人工时效：将固溶处理后的工件加热160±5℃，保温时间6～9小时，然后在空气中冷却至室温；
3)机械加工；
通过上述工艺方法制造的内圈轮体，其机械性能可达：σ_b≥440～470MPa；σ_0.2≥255～305 Mpa；σ-_0.2≥275～285Mpa；σ_-1≥90Mpa；δ₅(％)≥8～15；HB≥120(σ_b枛抗拉强度；σ_0.2枛屈服强度；σ_-0 2枛抗压屈服强度；σ_-1枛旋转弯曲疲劳强度；δ₅枛断后伸长率)。
III.外圈轮缘和内圈轮体的装配工艺步骤：
1)将外圈轮缘加热到140～160℃后，将内圈轮辐沿外圈轮缘的内圆用压力机压入。压装过程中压力变化应平稳，压到位置时压力表压力突然上升，应立即停止压进。热装后零件应自然冷却，不准急冷。
2)在轮槽内沿圆周方向均布若干涂有螺纹锁固密封剂的沉头螺钉将外圈轮缘和内圈轮辐沿径向紧固，螺钉沉头处与外圈轮缘焊接，焊条采用不锈钢焊条，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡。
装配后对滑轮轮槽表面进行了磁粉探伤，达到GB9444-88的I级质量。轮槽因为采用了无磁高锰铸钢，在钢丝绳运动过程中，会对轮槽产生挤压，在挤压过程中，这种材料还可以产生加工硬化效应，从而会进一步提高轮槽的抗磨能力，使轮槽的强度和耐磨性能得到了保证。
经过试制，已生产了6件无磁滑轮，加工防磁钢采用CNMM-DR型TiC涂层车刀对其进行车削加工，克服了此种材料发粘不易断屑的缺点，经过试验验证，用上述刀具进行加工，出屑顺畅，容易断屑，使生产率和加工质量同时得到保证。
采用弱磁测量仪对防磁钢外轮缘进行磁导率的测试检验，磁导率≤1.1μ/μH.m^-1，完全符合相关标准的要求。同时重量比其它钢质滑轮减轻30％，加工费用减少30％，这6件滑轮已成功用于6000米电缆测井车上，各项测井数据正常，得到了油田用户的好评。