專利名稱：軸承組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承組件。
金剛石軸承組件是眾所周知的，而且其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。金剛石軸承組件的應(yīng)用領(lǐng)域之一是在鉆井行業(yè)中用于井下電動(dòng)機(jī)。
在金剛石軸承組件中，組件的相對設(shè)置的軸承表面是由金剛石材料制造的一對元件。所謂金剛石材料是多晶體金剛石，或簡稱PCD。工藝上作為一種金剛石坯塊的金剛石材料是公知的，采用這種材料是因?yàn)槠淠湍p壽命很長，而且其能夠承受相當(dāng)大的載荷。在現(xiàn)有技術(shù)中已知，用于金剛石軸承組件的多晶體金剛石是商標(biāo)名為Syndite，Syndrill或Stratapax的產(chǎn)品。在這種多晶體金剛石材料中包含大量的第八類金屬(元素周期表)，例如鈷、鐵或鎳。在這一方面可以參照美國專利US-4620601，第12欄，第30～37行，以及美國專利US-4560014第9欄，第29～44行。
美國專利US-5092687中描述的金剛石軸承組件具有相對設(shè)置的金剛石軸承表面。通過粘接碳化鎢設(shè)置金剛石軸承表面，在碳化鎢材料中結(jié)合著合成金剛石，見該文件第3欄，第49～51行。在粘接的碳化鎢中具有第八類金屬、例如鈷、鎳或鐵、用其作為碳化鎢的粘結(jié)劑。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在金剛石軸承組件中采用包含第八類金屬的金剛石材料，如上述相關(guān)文獻(xiàn)所述，軸承接觸表面的摩擦工況在高接觸壓力條件下，傾向于產(chǎn)生相當(dāng)大程度的不可預(yù)見性。在某些情況下，軸承組件在沒有足夠的預(yù)警情況下迅速擦傷。顯然這種現(xiàn)象是由于含有豐富的第八類金屬元素構(gòu)成的摩擦膜引起的。這種摩擦膜，在軸承組件的使用過程中，在金剛石軸承表面形成。
按照本發(fā)明，軸承組件包括相對設(shè)置的金剛石軸承表面，至少有一個(gè)軸承表面的材料不屬于任何第八類金屬。
至少相對設(shè)置的金剛石軸承表面之一絕不屬于任何第八類金屬，最好兩個(gè)表面的材料都不屬于任何第八類金屬。術(shù)語“不屬于任何第八類金屬”意味著基本上在軸承表面無第八類金屬，盡管可能存在微量的第八類金屬，其并不產(chǎn)生有害效果。在第八類金屬中包括鈷，鐵和鎳。


圖1和圖2是表示本發(fā)明中兩個(gè)軸承組件的相對設(shè)置的金剛石軸承表面的局部示意圖。
本發(fā)明提供一種軸承組件，其包括相對設(shè)置的金剛石軸承表面元件。軸承組件可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何一種。本發(fā)明具有特殊用途，如在鉆井行業(yè)中用于井下電動(dòng)機(jī)的金剛石推力軸承組件。例如，在美國專利US-4560014和歐洲專利申請EP-933085912中描述的這種軸承組件的實(shí)例。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，至少在相對設(shè)置的一個(gè)金剛石軸承表面元件中缺少，或基本上沒有第八類金屬時(shí)，可以獲得很低的摩擦系數(shù)，其值不大于0.1，而且其承載能力相當(dāng)于接觸壓力68MPa或更高。
最好兩個(gè)金剛石軸承表面元件都沒有第八類金屬。
沒有第八類金屬的金剛石軸承表面可以由任何一種金剛石基材的表面提供。這種金剛石基材之一，以及優(yōu)選的金剛石基材是其實(shí)質(zhì)上由金剛石與金剛石相粘結(jié)，而且基本上由硅構(gòu)成第二相，所述硅以硅和/或碳化硅的形式存在。金剛石含量在體積上通常占80～90%，而金剛石與金剛石的粘結(jié)劑通常形成起結(jié)合作用的骨架。含硅的第二相的體積含量通常為10～20%。美國專利US-4151686和US-4793828中描述了這種金剛石體的實(shí)施例。還有，這種金剛石體的一個(gè)例子是以商標(biāo)名Synclax銷售的產(chǎn)品。
另一種能夠提供缺少或基本沒有第八類金屬的表面元件的金剛石體包括體積含量為70～95%的自粘結(jié)金剛石體內(nèi)遍布著空的微孔。在金剛石體中可以包括微量的金屬相，這種金屬相基本上均勻普遍地滲透在金剛石體內(nèi)。這種金剛石體稱為可濾取的金剛石坯，在美國專利US-4224380中敘述了有關(guān)實(shí)例。
沒有第八類金屬的金剛石表面元件也可以由金剛石薄膜表面提供，這種金剛石薄膜表面由化學(xué)蒸汽沉積(簡稱CVD)構(gòu)成。CVD金剛石薄膜可以在碳化硅、碳化鎢和同類材料上形成。在現(xiàn)有技術(shù)中制成CVD金剛石薄膜是眾所周知的，即分解氣化的碳化合物，產(chǎn)生碳原子、離子或官能團(tuán)，使它們沉積在材料表面，形成金剛石薄膜。
無第八類金屬的金剛石表面元件也可以由金剛石坯的表面元件提供，這種金剛石坯在金剛石合成狀態(tài)下產(chǎn)生，其體積含量至少為70%，最好為80～90%。金剛石，實(shí)質(zhì)上金剛石與金剛石的粘結(jié)劑和第二相由碳化的堿土金屬，最好是碳化鈣構(gòu)成。
下面參照附圖描述本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例。第一實(shí)施例參照圖1，其表示的軸承組件包括相對設(shè)置的軸承表面元件10和12。表面元件10和12分別由金剛石坯14和16的一個(gè)表面形成。這兩個(gè)金剛石坯都可以沒有任何第八類金屬。另外，至少這些金剛石坯中的一個(gè)絕沒有任何第八類金屬，以致至少軸承表面元件10、12之一沒有這種金屬。
參照圖2，由表面20和22限定軸承組件中相對設(shè)置的軸承表面元件。軸承表面20在金剛石坯24的一個(gè)表面上形成。軸承表面22形成金剛石體28中金剛石端部區(qū)域26的一個(gè)表面。金剛石端部區(qū)域26可以由商標(biāo)為SyncLax，經(jīng)過濾取的金剛石坯，或CVD金剛石層構(gòu)成。區(qū)域26與材料30相粘結(jié)，材料30可以是包含金剛石的基體28，例如金剛石坯，或者這種基材右可以由不同的材料，如粘結(jié)的碳化物制成。
在另一個(gè)未圖示的實(shí)施例中，金剛石坯24可以由相同于金剛石體28，含有金剛石的合成金剛石體代替。
使用各種金剛石軸承表面元件進(jìn)行一系列試驗(yàn)。利用針盤式摩擦計(jì)可以產(chǎn)生不可預(yù)見的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，滑動(dòng)付(針)的一個(gè)元件固定在懸臂的載荷支撐臂上的樣品夾具上。在常速或變速電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，所述的針可以在水平盤上滑動(dòng)或回轉(zhuǎn)。作用在針上的載荷可以變化，而且這個(gè)載荷由作用在載荷支撐臂上的固定垂物裝置施加。
使用的產(chǎn)品是Syndriu產(chǎn)品，金剛石坯或PCD產(chǎn)品包含大約10%(重量比)的鈷，這些鈷均勻地分散或分布在整個(gè)被粘結(jié)的金剛石坯中。而在Syndax產(chǎn)品中，金剛石體中實(shí)質(zhì)上包括金剛石與金剛石的粘結(jié)劑和基本上由硅構(gòu)成的第二相。這種硅以硅和/或碳化硅的形式存在。在進(jìn)行的各種試驗(yàn)中，用Syndriu產(chǎn)品制造針和盤，用Syndxx產(chǎn)品制造針和盤，以及用Syndriu產(chǎn)品制造針和盤之一，而用Syndax產(chǎn)品制造另一元件。
當(dāng)采用Syndax產(chǎn)品制造針和盤時(shí)，在干的無潤滑滑動(dòng)試驗(yàn)中，可以獲得最低摩擦系數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用這種方案得到的低摩擦系數(shù)不大于0.1，而且具有至少4300N的高承載能力，其相當(dāng)于至少可以承受68MPa的接觸壓力。這一結(jié)果與針和盤都由Syn-drill產(chǎn)品制造時(shí)的方案形成顯著對比，后者具有較高的摩擦系數(shù)0.13～0.26，而承載能力較低，大約為2800N，相當(dāng)于接觸壓力44MPa。在后一種情況中，發(fā)現(xiàn)在滑動(dòng)表面形成了含鈷量豐富的摩擦膜?？梢韵嘈?，這是導(dǎo)致高摩擦系數(shù)的癥結(jié)。去除這種摩擦膜，例如用Hcl，可以暫時(shí)減小摩擦系數(shù)，直到摩擦膜被改變?yōu)橹埂?br> 在另一些試驗(yàn)中，用Syndax產(chǎn)品制造針，而用Syndriu產(chǎn)品制造盤，或者與此相反。而且在干的，無潤滑滑動(dòng)狀態(tài)下使用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)合形式具有的摩擦系數(shù)低于Syndriu產(chǎn)品與Syn-driu產(chǎn)品相結(jié)合時(shí)具有的摩擦系數(shù)。另外，雖然在軸承表面可以觀察到摩擦膜，這種摩擦膜主要包含了硅和僅僅少量鈷。因此，事實(shí)上受壓的硅形成有害的具有富鈷的摩擦膜，其導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。
用水作為潤滑劑進(jìn)行一系列同樣的試驗(yàn)。一對Syndriu/Syn-driu產(chǎn)品的承載能力很小，僅為2800N，盡管其可以獲得很小的摩擦系數(shù)，為0.1。然而，一對Syndax/Ayndax產(chǎn)品在同樣工況條件下，如在無潤滑滑動(dòng)試驗(yàn)中，其摩擦系數(shù)不大于0.1，而且承載能力高于4300N，其相當(dāng)于高于接觸壓68MPa。
權(quán)利要求
1.軸承組件，其包括相對設(shè)置的金剛石軸承表面元件，至少其中一個(gè)元件中不存在任何第八類金屬。
2.按照權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征是由金剛石體的表面元件提供沒有第八類金屬的金剛石軸承表面，所述金剛石體實(shí)質(zhì)上包含金剛石與金剛石的粘結(jié)劑和第二相，所述第二相基本上由硅構(gòu)成，所述硅以硅和/或碳化硅的形式存在。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的軸承組件，其特征是由金剛石體的表面元件提供各個(gè)相對設(shè)置的金剛石軸承表面，所述金剛石體實(shí)質(zhì)上包含金剛石與金剛石的粘結(jié)劑和第二相，第二相基本上由硅構(gòu)成，所述硅以硅和/或碳化硅的形式存在。
4.按照權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征是由金剛石體的表面元件提供沒有任何第八類金屬的金剛石軸承表面，所述金剛石體包括自粘結(jié)金剛石顆粒，其體積含量在金剛石體中占70～90%，并具有相互連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，空的微孔遍布整個(gè)金剛石體。
5.按照權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征是用化學(xué)蒸汽沉積得到的金剛石表面膜提供沒有第八類金屬的金剛石軸承表面。
全文摘要
金剛石軸承組件，其包括相對設(shè)置的金剛石軸承表面元件，至少有一個(gè)表面元件中沒有第八類金屬，如鈷。最好，由金剛石坯的表面元件提供各軸承表面。這種金剛石坯實(shí)質(zhì)上包含金剛石與金剛石的粘結(jié)劑和第二相，所述第二相包括硅，硅以硅和/或碳化硅的形式存在。
文檔編號(hào)E21B4/00GK1094488SQ94105260
公開日1994年11月2日 申請日期1994年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月26日
發(fā)明者K·坦克, P·N·湯林森, O·F·R·A·丹姆 申請人:德比爾斯工業(yè)鉆石部門有限公司