带有渗透合金轴承的牙轮钻头.doc

带有渗透合金轴承的牙轮钻头（部分内容翻译）摘要：一个牙轮钻头由以下几部分组成：牙轮钻头体、由牙轮钻头体支撑的轴颈轴承、装于轴颈轴承上可旋转的牙轮以及旋转牙轮与轴颈轴承之间可提供旋转的轴承。每个轴承都包含有一个轴承元件，该轴承元件带有一个钢质基体，基体中带有分布其中的无钢孔隙；而该基体是一个亚共析钢，该钢具有重量百分比为0.40以上的碳。钢质基体的无钢孔隙中存有抗磨合金。这个抗磨合金是银铜合金，而银铜合金的成分有大约重量百分比为60到95的银，铜平衡。定位于牙轮14壳体19内表面里的是滑动轴承33和导向轴承34，而这两个轴承都是套管形状。导向轴承34是一个典型的连续式或开口式套管形状，有时带有止推垫；滑动轴承33既可为连续式套管形状，又可为开口式套管形状。有时，止推轴颈35位于壳体19的前端。通过适当的力，或者其他技术（如可能会使用合适的裂区排列或浮动排列技术）将套管33、34以及止推轴颈35锁定在牙轮壳体19中。套管33和34的轴承表面区域是由硬的、耐磨基体区域以及抗磨材料区域交替形成的，随后对其有更多更详细的论述。通过这种方法，延长了轴承的使用寿命，因此，也延长了牙轮钻头的使用寿命。10图5说明了制造钻头10的一种优先方法，图34描述了中间制造步骤的结构。以这种方法，首先要制造一种多孔轴承基体，然后再对其渗以一种防抱死合金。而后再把该已渗入了防抱死合金结构进行热处理，再将其加工到需要的轴承形状和尺寸。这种方法可被用于制造轴承33和34两种结构中的一种或是二者。然后再将轴承与其它零部件组装到一起以形成旋转牙轮钻头10。参见图5，用于（轴承）基体的一种合金是以钢粉形式提供的（编号50）。所制成的轴承基体是一种亚共析钢，含有多于约占重量百分比0.40的碳含量。术语“亚共析”的意思是钢材带有少于相应的钢类低共熔体成份的碳含量，取决于钢中其它合金成份的数量和类型，该现象通常在碳重量百分比为约0.77-0.80时发生。所以，钢质基体一般带有自大约0.40到大约0.77重量百分比的碳成份、其它合金成份比如镍或钼，以及平衡铁再加上附带的杂质。就像随后所要讨论的那样，在该碳含量的广阔范围内，含有较窄的理想的碳范围和含量，常常很难购买到具有特定含碳量的钢粉，所以，在开始时最好应用一种含碳量很低或是含碳量基本为零的钢粉，有控制性的将碳增加到所希望的含碳量水平，以这种方法，在开始时为基体所选的合金粉为一种低碳镍钢合金粉，其含有大约为-270目的AISI 4600粉末颗粒度，其含碳量被有控制的增加到所希望的含碳量水平。AISI 4600合金的成份含有大约占重量百分比1.8的镍、大约占重量百分比0.5的钼、平衡铁以及附带杂质。在首选的处理方法中，在将其进行压制以获得所希望的净成份含碳量之前，要先将石墨或碳颗粒与低碳合金粉进行混合。在此处使用的术语“净成份”指的是在一种不同成份颗粒的混合物（比如一种AISI 4600粉和碳颗粒的混合物）中各元素重量的总的百分比。如果能够得到的话，也可以使用具有所希望的含碳量的预先合金化的钢粉。在开始压制之前，最好在金属合金粉中加入一种模具润滑油以便能够对模具进行润滑并提高所压制的基体的烧结前硬度。首选的模具润滑油为锌硬功夫脂酸盐，用量可为混合粉末重量的大约1%。模具润滑油能够在后续的烧结过程中被燃烧掉。合金粉、碳以及润滑油（剂）的混合物被进行压制， 见编号51，压制压力为大约为每平方英寸截面积3540吨，以形成一种粉末压制件。压制该混合物的模具基本上为所选的轴承的最终形状，但尺寸要稍微大一点（一般要大520%），以便允许其在烧结过程中的收缩和将其最终加工到最终尺寸。压制压力越大，烧结后工件的表观密度就越高，最大的压制压力能够产生接近理论最大密度的表观密度。首选的压制压力可产生（烧结后）大约为6.8克/cm3（约8587%的理论密度）的表观密度。本发明也可使用其它密度，尤其是处在大约理论密度5090%范围内的密度。粉末压制件被烧结，编号52，最好是在大约2050度的温度下烧结约40分钟，且最好是在氢气气氛中，但在真空环境中也可以。只要烧结温度能够使碳均匀的分布到钢粉中，也可以采用较低的烧结温度和较长的烧结时间。在该烧结过程中，碳可与钢合金粉混合，扩散到钢合金粉内，以便产生与所希望的含碳量相同的结构。碳在结构内的扩散以及颗粒的扩散连接都要求烧结温度达到1800华氏度以上。扩散过程需要在1800华氏度的温度保持几小时，需要温度在2000华氏度以上的时间不到一小时。参见图3和4所示的一种多孔基体36，这是由刚才所述的方法制造的，用于滑动轴承33。（早期的滑动轴承33示于图3，作为本发明的轴承和结构的一个例子，但该发明也适用于轴承34和35。）图4示出了多孔基体36烧结后一个截面的放大图，此多孔基体36含有多个相与联接的孔37，在优选实例中，大约有占体积1416%的烧结结构为孔隙，大约有占体积8684%的结构为烧结钢基体材料。（孔隙中没有钢材，在后续的渗透过程中变成为填充有渗透剂的“无钢体积”）。在基体36中大约有95%的孔隙37是相互连接的，这种孔隙被称之为“开孔孔隙”。这些相互连通的孔隙可以被以渗入法充以一种防卡死材料。提供了渗透合金，编号53。多孔基体被渗以一种熔化形式的渗透合金，这种合金含有大约占重量百分比6095的银、平衡铜、少量的附带杂质、以及为在渗透期间增加合金的流动性而加入的一些元素。优选的成分范围是含有大约占重量百分比8595的银。以前，发明人认为最小的含银量是占重量85%，通过发明人的进一步研究，发现含银量的最低范围可以扩展到低达60%的重量百分比。如果渗透合金含有少于重量百分比85的银，在大多数情况下渗透工艺都可以完成，尽管渗透剂的最终性质会不同于含银量较高的渗透剂。在占重量约6085的范围内减少银的合金的成本在许多情况下都会得到证明其应用是正确的。银含量一般不能低于60%的重量百分比，原因是随着铜含量的增加，渗透合金会与有些牙轮钻头上所用的常见的皂基、含钙、以及带有一定量二硫化钼的含矿物油润滑脂不相兼容。另外，逐渐降低含银量到60%重量百分比以下会导致需要逐渐升高银铜合金的液相温度，这就进而需要采用更高的渗透温度，从而使使用温度更高的炉子成为必须，在某些情况下，需要用很贵的高温真空炉。如果渗透合金含有高于95%重量百分比的银的话，则在后续的热处理过程中就不能硬化到足够的强度水平。在大约6095%重量百分比银的范围内，目前有三种优选实施例。在第一种中，渗透剂的成分包含重量百分比约为8991%的银、平衡铜以及附带杂质；在第二种实施例中，渗透剂的成分包含重量百分比约为9193%的银、平衡铜以及附带杂质，在此第二种中，最为希望的是渗透剂的成分包含重量百分比约为92.5%的银、平衡铜以及附带杂质；在第三种实施例中，渗透剂的成分包含重量百分比约为72%的银、重量百分比约为28%的平衡铜，接近银铜体系的共晶成分。渗透剂还可以含有能够在液相渗透期间促进液态合金流动性的合金成分。在此处所用的术语“基本上含有”可理解为允许存在少量的此类能够促进流动性的可选成分。例如，曾加入了0.2-0.5%的锂并取得了成功效果。渗透合金的成分是与钢质基体合金的成分综合考虑一起选择的，以便能够获得最终轴承材料和产品的特定目标。必须对这些成分综合考虑进行选择，以便能够在合金渗透以后、基体与渗透剂同时都要经过的热处理过程中获得优化了的基体和渗透剂结构。如果所选择的渗透剂合金含有少于重量百分比91%的银，最好是在约8991%的范围内，则其成分就低于在约1435华氏度的铜银共晶温度下银中铜的固溶性的极限（通常在平衡相图表上指示的约为占重量百分比91.2的银，或是约重量百分比8.8的铜）。因此，后续的钢材奥氏体化的热处理温度被限制为最大约1435华氏度，最小为约1375华氏度，如铁碳相图所表示的那样。由于工业热处理炉的控制极限，实际上所规定的奥氏体化温度通常被选择为约1425华氏度，以保证不超过1435华氏度的最大值。如果采用更高的奥氏体化温度，比如渗透温度超过了铜银共晶温度，则渗透剂就会易于产生