专利名称：：钢-铝复合材料滑轮及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种钢-铝复合材料滑轮及其制造方法，特别适用于石油钻机或修井机配套用井架天车滑轮和提升系统用起升滑轮。
背景技术：
：井架是石油钻机、修井机的重要部件之一，它在钻井生产过程中，用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、吊钳等起升设备与工具，以M下、存放钻杆及钻铤。因井架是整体起放，要求井架在满足钻井过程中最大负荷承栽能力的同时，必须有足够的刚性和稳定性，有尽量小的重量和外型尺寸。滑轮是用在井架天车上和游车系统上的重要零件，一套井架上的滑轮可多达16个，要减小整个井架的重量，减小滑轮的重量是其重要途径之一，尤其是天车滑轮减重最为重要。因为井架在起升时，天车滑轮离液压起升缸支点最远，井架最高可达47米，因而滑轮在井架起升时产生的反力矩最大，井架大梁承受应力最大时刻就是在井架起升初期，说明天车滑轮的重量对井架应力影响最大。目前钻机上天车和游车滑轮采用的是铸钢滑轮或钢质焊接滑轮，如果采用钢质滑轮减少截面尺寸来减少重量，减重效果不明显，必须从天车滑轮的结构和材料上选择突破口，设计一种特殊结构和材料的滑轮，既能保证最大限度减少滑轮重量，又能保证滑轮绳槽的耐磨性和滑轮的整体强度，从而较大幅度地减少井架天车重量，降低井架起升时井架大梁承受的应力。
发明内容本发明的目的是提供一种比钢质滑轮减重30%左右，既能保证滑轮绳槽的耐磨性和滑轮的整体强度而且结构性能可靠的钢-铝复合材料滑轮及其制造方法。本发明的钢-铝复合材料滑轮，由材质分别为钢和铝合金的外團轮缘和内圏轮辐组合而成，外團轮缘的内圆面同内圏轮辐的外圆面配合，外圏轮缘的绳槽内沿圆周均布若干沉头螺钉沿径向紧固外圏轮缘与内國轮辐。上述外團轮缘的内圓上还有个定位凸台，内圈轮辐外圓上还有个与定位凸台吻合的定位阶梯，定位阶梯和定位凸台端面接触配合。本发明钢-铝复合材料滑轮采用以下工艺步骤制造I:外團轮缘制造工艺步骤为①釆用中碳钢或低合金钢铸造或锻造成形；n:内圏轮辐制造工艺步骤为①铸造工艺采用铝合金整体铸造成形，其化学成份(4):Cu:4.8~5.5Mn:0.5~1.2Ti:0.15~0.40Al:余量杂质含量控制Fe:<0.15%Si《0.1%Mg《0.05%Zn<0.1%杂质总量<0.4%按上述化学成份熔炼，熔炼时采用六氯乙烷加二氡化钛作为精炼剂，其加入量为0.5~0.8%，精炼温度700~740,精炼时间10~12分钟，静置10-15分钟；砂型铸造。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士5。C，保温时间5-9小时，继续加热到545土5。C，保温时间59小时，用60~100匸水快速冷却；不完全人工时效将固溶处理后的内圈轮辐加热160±5°C，保温时间6-9小时，然后在空气中緩'lt冷却至室温。(D机械加工。ffl:外團轮缘和内圏轮辐的装配工艺步骤①将外團轮缘加热到140160'C后，将内圏轮辐沿外圏轮缘的内圓用压力才几压入，装配后自然冷却；②在外圈轮缘绳槽内沿圓周方向均布若干涂有螺紋锁固密封剂的沉头螺钉将外圈轮缘和内團轮辐沿径向紧固，螺钉沉头处与外圏轮缘焊接，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡。IV:装配后外團轮缘绳槽表面检验及处理工艺①绳槽表面磁粉探伤；②绳槽表面中频淬火加热温度900土1(TC，淬火后进行回火，回火温度200"C，保温时间120分钟。本发明在结构设计上采用耐磨性高的钢质外團轮缘和质量轻且强度能满足要求的铝合金内圈轮辐组合而成，外圈轮缘的定位凸台和内围轮辐的定位台阶的设计使外圏轮缘和内圈轮辐的装配可沿轴向准确定位，外團轮缘绳槽内紧固螺钉使外圏轮缘和内圉轮辐的配合连接更加可靠。本发明在制造方法上外圈轮缘选用中碳钢或低合金钢铸造或锻造，由于中碳钢和低合金钢在满足强度的前提下，具有良好的综合机械性能和优良的性价比，在大部份制造业应用广泛且制造方便，在冶炼、热处理、机加、铸造、锻造各种工艺方法中都有比较成熟的工艺，再者中碳钢和低合金钢的含碳量相对较低，使材料具有良好的可焊性，因而选用中碳钢或中低合金钢作为滑轮外圈轮缘的材料是比较恰当的。内團轮辐选用铸造铝合金，其化学成份选定的理由阐述如下Cu是该类合金中主要的合金元素，再加入适量的Mn和Ti进行合金化，Si和Fe是主要杂质元素。下面把各组元的影响分述如下Cu:Cu是该类合金中主要的合金元素，Cu能固溶于铝中，固溶的结果使铝的点阵发生畸变，对ot-固溶体产生显著的硬化效应。Cu在铝中的固溶度有随温度变化而显著变化的特点，即在oc-固溶体中的溶解度随着温度的下降而减小，根据此特点，可经热处理进行强化。Cu可以提高合金室温强度和高温强度，同时也改4^金的机加工性能，但是铸造性能较差，特别是当Cu的质量分数为4~5%时合金的热裂倾向最大，超过这个含量时热裂倾向降低。由此本发明选用的Cu含量为4.8~5.5%，可以有效地避开热裂倾向大的成份区间，使其获得良好的机械性能。Mn:Mn在铝合金中属于合金化元素，它一部份溶入ot-固溶体，一部分形成T(Al12Mn2CuHB。在凝固过程中，Mn在oc-固溶体中的溶解即处于过饱和状态，而在合金进行淬火处理时，发生固溶体的分解，形成细小的T(AluMn2Cu)相质点，使合金的屈服强度和高温性能得到改善。Ti:Ti的作用是形成Al3Ti，作为外来结晶核心而细化晶粒，提高力学性能。Fe:Fe对此种铝合金是一种杂质，它与铝、铜一起形成Al7Cu2Fe相，使可溶入cc-固溶体中的铜量减少，使合金性能降低。因而要求F《0.15%.Si:Si对此种铝合金也是一种杂质，它使组织中形成三元共晶(oc+Si+CuAl2)，其熔点约为520~525X:，使合金按正常规范进行热处理时引起铸件过烧，同时Si使合金的高温延伸率降低。所以Si含量应严格控制，要求Si《0.1%.热处理工艺采用固溶处理加不完全人工时效，固溶处理可^f吏强化组元最大限度的溶解，并将高温状态下组织被固定保存到室温，可提高铸件的强度和塑性，改4^金的耐腐蚀性能。不完全人工时效由于采用较低的时效温度和较短的保温时间，由此可获得优良的综合力学性能，即获得比较高的强度和良好的塑性和韧性。外團轮缘和内團轮辐采用热压工艺装配，在外團轮缘绳槽内沿圃周方向均布若干涂有螺紋锁固密封剂的沉头螺钉将外團轮缘和内團轮辐沿径向紧固，螺钉沉头处与外團轮缘焊接，因此不会产生两种材料的脱离，具有可靠的结构性能。外圏轮缘的绳槽是滑轮的重要工作面，外围轮缘和内團轮辐装配后对外圉轮缘绳槽表面进行磁粉探伤，可保证绳槽性能可靠，绳槽表面中频淬火可获得良好的耐磨性。本发明由于采用材质分别为钢和铝合金的外圏轮缘和内團轮辐组合而成，因而相对于整体钢质的滑轮有效减少了重量，绳槽表面磁粉探伤、中频淬火保证了绳槽这个关键工作部位的耐磨性和可靠性。内圈轮辐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质量轻的同时保证了滑轮的整体强度要求，外團轮缘和内團轮辐采用热压装配、轮槽内沿圓周均布若干沉头螺钉沿径向紧固外團轮缘与内圈轮辐的结构及方法保证了滑轮整体的结构性能可靠。图1是本发明结构示意主视2是图1的侧视3是图1中I的局部放大图具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以用于4000米钻机天车上的H915滑轮为例，滑轮最大外径d)915鹏，适用钢丝绳直径<J)32mm,绳槽半径为R17mm，滑轮底径为小825mm,绳槽尺寸设计符合APISPEC8A规范。如图1、图2、图3所示，钢-铝复合材料滑轮采用材质分别为钢和铝合金的外圏轮缘l和内圏轮辐2分体组合结构，外團轮缘l的内圓与内圏轮辐2的外圓配合，外圏轮缘l的内圆上有个定位凸台101,内圉轮辐2外圓上有个与定位凸台吻合的定位阶梯201，定位阶梯201和定位凸台101端面接触配合，外團轮缘1的绳槽102内沿圓周均布若干沉头螺钉3沿径向紧固外圈轮缘1与内圏轮辐2。上迷钢-铝复合材料滑轮采用以下工艺步骤制造(1)外團轮缘制造工艺步骤为采用中碳钢铸造成形、机械加工。(2)内圈轮辐制造工艺步骤为a:铸造工艺采用铝合金整体铸造成形，其化学成份(wt9/。)Cu:4.8—5.5Mn:0.5~1.2Ti:O.15~0.40Al:余量杂质Fe:《0.15%Si《0.1%Mg《0.05%Zn<0.1%杂质总量<0.4%铸造工艺步骤按上述化学成份熔炼、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0.4~0.8%，精炼温度700~74(TC，精炼时间10-13分钟，静置10-15分钟，砂型铸造。b:铸造后热处理工艺固溶处理加不完全人工时效，热处理工艺参数见下表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>c:机械加工(3)外圈轮缘和内團轮辐的装配工艺a:将外團轮缘加热到150。C后，将内團轮辐沿外圏轮缘的内圆用压力机压入；外圏轮缘内圓和内圏轮辐外圓采取过盈配合(H7/s6)。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.热装后零件自然冷却。b:在轮槽内沿圓周方向均布若干涂有螺紋锁固密封剂的沉头螺钉将外圏轮缘和内圈轮辐沿径向紧固，螺钉沉头处与外圏轮缘焊接，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡。(4)装配后外圈轮缘绳槽表面检验及处理工艺a:绳槽表面进行磁粉探伤使用P-1500磁粉探伤仪进行探伤，磁化方式为周向磁化，磁粉类型为磁骨(红-水)，磁化电流为600A,灵敏度试片规格为A30/100。b:绳槽表面中频淬火中频淬火采用专用的淬火设备，连续加热，加热温度900℃，输出电压700V，电流160A，功率65KW，频率7200HZ。淬火后进行回火，回火温度200°C，保温时间120分钟。本发明在选材上考虑到两种不同材质的线膨胀系数不一致，材料在收缩和膨胀时产生的量不同，根据材料线膨胀系数的计算公式a1＝1/lxd1/dT---(l)得出d1=a1xlxdT(2)根据公式(2)可计算出在某一温度区间，碳钢或低合金钢和铸造铝合金在接触面上的膨胀量，在20℃-600℃区间，对于碳钢或低合金钢其线膨胀系数al1=10.5-15/10-6k-1----(1);而对于铝合金材料，其线膨胀系数dl=alxlxdT----(2)。由公式(2)可计算出线膨胀量，假如零件接触面尺寸直径小于1000咖，它们的线膨胀量差值在0.2~0.4咖之间，在半径方向上差值仅为0.1~0.2咖。虽然两种材料的线膨胀系数有差异，在材料受热膨胀时，铸钢的外围轮缘膨胀量小于铝合金内團轮辐，这样铝合金内圈轮辐产生微量的塑性变形，由于这种材质相对来讲硬度较低，微量的塑性变形不会对两种材料产生较大的影响。反过来讲，如果两种材料在0C-40X:时，产生收缩，这时铝合金内團轮辐收缩量大于铸钢外圏轮缘，再减去原有的过盈量，会在两种材料接触面上产生0.l咖左右的"5咖，通it计算两种材料在cj)795咖:度上差值仅^0.39咖，而在半径方向上仅为0.195咖。综上所述，无论两种材料在受热膨胀或遇冷收缩时，产生的膨胀和收缩量都很小，加上两种材料在圓周方向上又有数个紧固螺钉并涂上螺紋锁固密封剂紧固，所以在工作情况下，不会产生两种材料脱离的可能，具有可靠的结构性能。经过试制、试验验证，铸钢外圏轮缘绳槽工作表面无铸造缺陷，绳槽工作表面在中频淬火前进行磁粉探伤达到GB9444-88的I级质量，中频淬火后純槽表面可达到硬度42-50HRC，淬深层5~10咖，保证了绳槽这个关鍵工作部位的耐磨性和可靠性。铝合金内團轮辐的化学成份达到前述要求，机械性能达到CTb》440~470MPa;cr0.2>255~305Mpa;cr-0.2>275~285Mpa;cr-l>90Mpa;55(%)>8~15;HB>120。在前述基础上又进行了整体试车，，运行正常。对H915滑轮而言，此种钢铝复合材料滑轮重量为71kg，H915钢质滑轮重量为103kg，钢铝复合材料滑轮重量比同样尺寸的钢质滑轮重量减少了30%,减重效果比较明显，按平均一台钻机用滑轮10个计算，每个滑轮减重28~32kg，一台钻机仅滑轮重量就可减少280-320kg，在井架起升时就可以较大辐度减少滑轮产生的反力矩，从而减少井架大梁承受的应力，提高井架的安全可靠性。权利要求1、一种钢-铝复合材料滑轮，其特征在于由材质分别为钢和铝合金的外圈轮缘(1)和内圈轮辐(2)组合而成，外圈轮缘(1)的内圆面同内圈轮辐(2)的外圆面配合，外圈轮缘(1)的绳槽(102)内沿圆周均布若干沉头螺钉(3)沿径向紧固外圈轮缘(1)与内圈轮辐(2)。2、如权利要求1所述钢-铝复合材料滑轮，其特征在于外團轮缘(l)的内圓上有个定位凸台(101)，内圈轮辐(2)的外圓上有个与定位凸台(101)吻合的定位阶梯(201)，定位阶梯(201)和定位凸台(IOI)端面接触配合。3、如权利要求1所述钢-铝复合材料滑轮的制造方法，其特征在于采用以下工艺步骤I:外團轮缘制造工艺步骤为①采用中碳钢或低合金钢铸造或锻造成形；②机^Mp工；n:内圈轮辐制造工艺步骤为①铸造工艺采用铝合金整体铸造成形，其化学成份(wT。)Cu:4.8-5.5Mn:0.5~1.2Ti:0.15-0.40Al:余量杂质含量控制Fe:<0.15%Si<0.1%Mg<0.05%Zn<0.1%杂质总量<0.4%按上述化学成份熔炼，熔炼时采用六氯乙烷加二氧化钛作为精炼剂，其加入量为0.5~0.8%，精炼温度700~740,精炼时间:10~12分钟,静置IO~15分钟;砂型铸造；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士5。C，保温时间5~9小时，继续加热到545士5。C，保温时间59小时，用60-100。C水快速冷却；不完全人工时效将固溶处理后的内圏轮辐加热160士5T，保温时间6~9小时，然后在空气中緩^^冷却至室温；③机録口工；ffl:外圈轮缘和内團轮辐的装配工艺步骤①将外團轮缘加热到1401601C后，将内圈轮辐沿外圈轮缘的内圓用压力机压入，装配后自然冷却；②在外團轮缘绳槽内沿圓周方向均布若干涂有螺紋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，螺钉沉头处与外團轮缘焊接，焊接点处用砂轮打磨光滑使与轮槽平滑过渡；IV:装配后外圈轮缘绳槽表面检验及处理工艺①绳槽表面磁粉探伤；②绳槽表面中频淬火加热温度900土10X:，淬火后进行回火，回火温度20(TC，保温时间120分钟。全文摘要本发明涉及钢-铝复合材料滑轮及其制造方法，特别适用于石油钻机配套的井架天车及提升系统用滑轮。由材质分别为钢和铝合金的外圈轮缘和内圈轮辐组合而成；外圈轮缘采用中碳钢或低合金钢铸造或锻造成形；内圈轮辐采用铝合金整体铸造成形，其化学成分(w％)Cu4.8～5.5，Mn0.5～1.2，Ti0.15～0.40，Al余量，杂质控制Fe≤0.15％，Si≤0.1％，Mg≤0.05％，Zn≤0.1％，杂质总量≤0.4％，熔炼、砂型铸造后进行固溶处理加不完全人工时效的热处理；外圈轮缘和内圈轮辐采用热压装配，绳槽内用沉头螺钉径向紧固外圈轮缘和内圈轮辐，装配后绳槽表面磁粉探伤并中频淬火。本发明在比钢质滑轮减重30％左右的同时，能保证滑轮绳槽的耐磨性和滑轮的整体强度且结构性能可靠。文档编号C22C1/06GK101126441SQ20061008927公开日2008年2月20日申请日期2006年8月15日优先权日2006年8月15日发明者刘洪泽,尹永晶,勇张,王芬兰,赵旭平申请人:南阳二机石油装备(集团)有限公司