專利名稱：無磁滑輪制造方法
技術領域：
本發明涉及一種無磁滑輪制造方法，特別適用于石油測井車電纜測井絞車上的測
井滑輪。
背景技術：
石油測井車是用于測井的專門設備，車上安裝有電纜測井絞車用于測井作業，電 纜纏繞在絞車滾筒上。測井時，井下儀器由電纜送到井下，絞車滾筒牽引電纜提升井下儀 器，被測地層物理參數由儀器獲取后，經纜芯傳送到地面的記錄儀器進行記錄。為避免轉動 的滾筒與電纜之間電磁感應，造成對電纜的磁干擾，從而影響測井參數的準確度，目前，絞 車滾筒已經改進采用了防磁材料。同理，配套于電纜測井絞車用于支撐引導電纜的普通碳 素鋼材質的測井滑輪在轉動過程中也會對電纜產生一定的磁干擾，因此研制具有防磁功能 并具有一定的承載強度，輪槽表面耐磨，以及重量較輕的防磁滑輪十分必要。
目前，常用的無磁鑄鋼有ZG25Mnl8Cr4、ZG40Mnl8Cr3，見機械工業出版社2002年9 月出版的《鑄造手冊》第2版鑄鋼分冊第294 295頁。如果單一使用無磁鑄鋼鑄造無磁
滑輪，其防磁及機械性能雖然能達到要求，但無磁鑄鋼的加工性能不好，需要專門的硬質合 金刀具，成本高，另外，單一的無磁鑄鋼其重量又較重。 若滑輪全部采用鋁合金制造，可以達到無磁的要求，但耐磨性較差。 新疆大學學報(自然科學版)第19巻第4期在2002年11月發表的"我國鑲鑄
技術的研究現狀與展望"中介紹，在礦山、水泥等工業領域中，有許多抵抗磨粒磨損的工件
都采用高硬度的鉻系合金白口鑄鐵，然而其中部分易損件要求與設備的某些部位裝配在一
起，需要對其非工作面進行機械加工，在這些情況下整體采用高硬度的耐磨材料就顯得極
不經濟，所以如果采用工作表面硬度高而非工作表面具有一定韌性或加工性能的雙金屬耐
磨材料制造這類易損件，則是既經濟又安全合理的設計。目前雙金屬復合鑄造作為一種提
高材料性能及實現材料各方面性能良好配合的主要途徑，獲得雙金屬耐磨材料的常用鑄造
方法有雙液雙金屬法、鑄滲法和鑲鑄法。 如果采用鑄鋼與鋁合金雙液雙金屬法和鑄滲法，難度更大，由于鑄鋼與鋁合金的 熔點、膨脹系數、導熱系數及彈性模量相差較大，因而鋁鋼雙金屬復合鑄造難度很大，尤其 是鋁合金的線收縮系數比鑄鋼的線收縮系數大得多，復合界面在鑄造后的冷卻過程中產生 較大的應力，當該應力超過界面結合強度時容易在界面產生裂紋，此外這種方法的工裝投 入大，造成成本太高。 目前，國內有廠家測井滑輪制造方法是輪體采用鋁合金鑄造，滑輪槽底部采用鋁 合金鑲鑄1Crl8Ni9Ti不銹鋼圈。這種工藝雖然可以解決滑輪防磁問題，但是不銹鋼成本 高，而且普通的冶煉設備還無法冶煉這種低碳不銹鋼，同時鑲鑄的工藝繁雜，不易操作。

發明內容
本發明的目的是提供一種保證在工作狀態防磁(磁導率《1. ly/y .Hm—0、能滿足承載強度、輪槽表面耐磨性要求、重量較輕、綜合成本低的無磁滑輪的制造方法。 —種無磁滑輪制造方法，無磁滑輪由外圈輪緣及輪槽和內圈輪體結合而成，外圈
輪緣的內圓與內圈輪體的外圓配合，外圈輪緣下端設有定位止口，輪槽內沿圓周均布用若
干個沉頭螺釘沿徑向緊固外圈輪緣與內圈輪體，其特征在于 采用以下工藝步驟 I.外圈輪緣的制造工藝步驟為 1)采用無磁鑄鋼鑄造成形，其鑄造工藝如下 無磁鑄鋼化學成份(W % ) :C :0. 2 0. 3 ;Si :0. 2 0. 6 ;Mn :18. 5 20. 5 ; P《0. 04 ;S《0. 035 ; 冶煉工藝采用堿性電弧爐冶煉，在冶煉過程中控制造白渣；
造型工藝采用弱堿性造型用砂做面砂，其面砂厚度為30 40mrn，用水玻璃砂做 背砂，扣箱前將砂型預烘烤，烘烤溫度為60 120°C ;涂料采用抗氧化涂料，涂刷厚度為 0. 8 1. 5mm j 澆注工藝采用完全開放式澆注系統，采用漏包澆注，出鋼溫度1600士2(TC，鎮靜 5 7分鐘澆注，澆注溫度1530±10°C ; 2)熱處理工藝水韌處理，加熱溫度為1050 IIO(TC，水淬溫度為高于950°C ;
3)機械加工采用硬質合金刀具進行車削加工；
II.內圈輪體的制造工藝步驟為 1)采用高強度鋁合金整體鑄造成形，其鑄造工藝如下 鋁合金化學成份(W% )Cu :4. 8 5. 5 ;Mn :0. 5 1. 2 ;Ti :0. 15 0. 40 ;A1 :余量; 采用砂型鑄造并進行變質處理； 2)熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效； 固溶處理將鑄件加熱到535士5t:，保溫時間5 9小時，用60 IO(TC水快速冷 卻； 不完全人工時效將固溶處理后的工件加熱160士5t:，保溫時間6 9小時，然后 在空氣中冷卻至室溫； 3)機械加工； III.外圈輪緣和內圈輪體的裝配工藝步驟 1)將外圈輪緣加熱到140 16(TC后，將內圈輪體沿外圈輪緣的內圓用壓力機壓 入； 2)在輪槽內沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圈輪緣和 內圈輪體沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外圈輪緣焊接，焊條采用不銹鋼焊條，焊接點處用砂輪 打磨光滑使與輪槽平滑過渡。 本發明采用防磁性能好又有良好的可焊性且耐磨的無磁材料做滑輪外圈輪緣及 輪槽，內圈輪體部分采用高強度鋁合金，然后用熱壓成型的方式把兩者結合成一體，由于鋁 合金塑性好，在熱壓成型的過程中更容易使兩種不同質的材料結合牢固，再加上輔助的螺 釘固定措施，輪緣與輪體的結合是牢固可靠的。 本發明外圈輪緣選用低碳高錳無磁鑄鋼鑄造成形，由于低碳無磁鑄鋼在滿足滑輪 強度的前提下，具有良好的綜合機械性能和較好的可焊性，尤其是磁導率低，能滿足在工作狀態基本上不導磁，價格比不銹鋼便宜，而且比不銹鋼冶煉難度小，且綜合機械性能比不銹 鋼好，因而具有良好的性價比和良好的可操作性。 本發明內圈輪體采用鑄造鋁合金，主要是基于滑輪需要不導磁，鋁合金是非磁性 材料，此外滑輪在保證強度的情況下需要重量輕，鋁合金的比重較小(2. 65克/立方厘米)， 而鑄鋼的比重通常為7. 8克/立方厘米，內圈輪體采用鋁合金，滑輪的重量可減少30%。
本發明外圈輪緣無磁鑄鋼熱處理工藝為水韌處理，即將工件加熱到1050 IIO(TC水淬(或稱水韌處理)，其目的在于消除鑄態組織中的碳化物，得到單一奧氏體組 織。 本發明內圈輪體鋁合金的熱處理工藝為固溶處理加不完全人工時效，固溶處理 是把鑄件加熱到盡可能高的溫度，接近于共晶體的熔點，在該溫度下保持足夠長的時間，并 隨后快速冷卻，使強化組元最大限度的溶解，這種高溫狀態被固定保存到室溫，此過程稱為 固溶處理。固溶處理可以提高鑄件的強度和塑性，改善合金的耐腐蝕性能。不完全人工時 效是采用比較低的時效溫度或較短的保溫時間，獲得優良的綜合力學性能，即獲得比較高 的強度，良好的塑性和韌性。 有益效果本發明由于采用材質分別為低碳無磁鑄鋼的外圈輪緣和鋁合金的內圈 輪體組合而成，首先在選材上保證了滑輪在工作狀態上防磁，磁導率《1. 1 P / P H. m—、保證 測井精度，并兼顧材料的可焊性，同時滑輪也具有良好的耐磨性，由于輪緣與輪槽是無磁低 碳高錳鋼，這種鋼的鑄態組織為奧氏體及碳化物，水韌處理后為單一的奧氏體，這種組織具 有加工硬化的特點，在使用過程中，鑄件表面受外力沖擊或擠壓，使奧氏體晶面滑移，晶格 歪扭，并有馬氏體形成，從而使表面硬度增高，增強了材料的耐磨性。相對于整體鋼質的滑 輪可以有效減輕重量30% 。內圈輪體采用鋁合金整體鑄造，其化學成份的控制、熱處理工藝 的實施在獲得重量輕的同時保證了滑輪的整體強度要求，外圈輪緣的內圓與內圈輪體的外 圓配合采用熱壓成形、外圈輪緣下端設置的止口、輪槽內沿圓周均布若干沉頭螺釘沿徑向 緊固外圈輪緣與內圈輪體的結構及方法保證了滑輪整體的結構性能可靠，防止兩種材料結 合不牢，此外螺釘與輪槽接觸部位采用不銹鋼焊條焊牢，也是為了防止滑輪局部導磁。


圖1是本發明無磁滑輪的結構示意圖。
具體實施例方式
下面以6000米石油測井車用的測井滑輪為例對本發明作進一步說明 如圖1所示，無磁滑輪整體結構為外圈輪緣1和內圈輪體2結合而成，外圈輪緣1
上有輪槽la，外圈輪緣1的內圓與內圈輪體2的外圓配合，外圈輪緣1下端設有定位止口
lb，輪槽la內沿圓周均布用10個沉頭螺釘3沿徑向將外圈外緣1、內圈輪體2緊固在一起，
然后用鎳基不銹鋼焊條A302將沉頭螺釘3與輪槽la焊牢并打磨光滑。 無磁滑輪的制造工藝步驟如下 I.外圈輪緣的制造工藝步驟為 1)采用低碳無磁鑄鋼(ZG25Mnl8Cr4)鑄造成形，其鑄造工藝 無磁鑄鋼化學成份(W % ) :C :0. 2 0. 3 ;Si :0. 2 0. 6 ;Mn :18. 5 20. 5 ;P《0. 04 ;S《0. 035 ; 冶煉工藝采用堿性電弧爐冶煉，在冶煉過程中控制造白渣； 造型工藝采用鎂橄欖石砂做面砂，其面砂厚度為35mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱 前將砂型預烘烤，烘烤溫度為80°C ;涂料采用鋯英粉醇基涂料，涂刷厚度為1. 2mm ;
澆注工藝采用完全開放式澆注系統，采用漏包澆注，出鋼溫度1600士2(TC，鎮靜 6分鐘澆注，澆注溫度1530士10。C。 根據相關標準，滑輪外徑設計為小720mm，滑輪槽底徑設計為小636mm，鋼絲繩直 徑為小22mm，輪槽半徑為R12mm。 ZG25Mnl8Cr4這種鋼屬于低碳高錳鋼，是非常容易造成鑄 件表面粘砂的鋼種，采用普通的石英砂是不可行的，因為石英砂屬酸性的(無磁鑄鋼是屬 堿性的)，易與堿性的金屬氧化物作用，形成低熔點化合物，導致化學粘砂。為了避免造成嚴 重的粘砂，采用了用鎂橄欖石砂做造型面砂，面砂厚度為35mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前 將砂型預烘烤，烘烤溫度為80°C ;涂料采用鋯英粉醇基涂料，涂刷厚度為1. 2mm。設計完全 開放的澆注系統，可保證快速充型。保證了鑄件質量，表面光滑，無明顯粘砂。
2)熱處理工藝水韌處理，加熱溫度為1050 IIO(TC，水淬溫度為高于950°C ;
3)機械加工因為防磁鋼這種材料加工性能不好，發粘、而且不容易斷屑，針對材 料特性，因此采用CNMM-DR型TiC涂層車刀對其進行車削加工； 通過上述工藝方法制造的外圈輪緣，其機械性能可達o b《360MPa;O s《160MPa ; S (% )《15 ; v (% )《20 ;HBS :170 230 ;磁導率《1. 1 ii /ii H.m—1 ;
II.輪體的制造工藝步驟為 1)采用高強度鋁合金整體鑄造成形，其鑄造工藝如下 鋁合金化學成份(W% ) Cu :4. 8 5. 5 ;Mn :0. 5 1. 2 ;Ti :0. 15 0. 40 ;A1 :余量;
采用砂型鑄造并進行變質處理，變質處理采用在熔煉時采用六氯乙烷加二氧化 鈦作為精煉劑，其加入量為0. 6%，精煉溫度700 74(TC，精煉時間10 12分鐘，靜置 10 15分鐘。
2)熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效 固溶處理將鑄件加熱到535士5t:，保溫時間5 9小時，用60 IO(TC水快速冷 卻； 不完全人工時效將固溶處理后的工件加熱160士5t:，保溫時間6 9小時，然后 在空氣中冷卻至室溫； 3)機械加工； 通過上述工藝方法制造的內圈輪體，其機械性能可達ob > 440 470MPa ; o 0.2 > 255 305 Mpa ; o -02 > 275 285Mpa ; o —丄 > 畫pa ; S 5( % ) > 8 15 ;
HB > 120 ( O b抓抗拉強度；O 。.2抓屈服強度；O — 。 2抓抗壓屈服強度；O ^抓旋轉彎曲疲勞 強度；55抓斷后伸長率)。 III.外圈輪緣和內圈輪體的裝配工藝步驟 1)將外圈輪緣加熱到140 16(TC后，將內圈輪輻沿外圈輪緣的內圓用壓力機壓 入。壓裝過程中壓力變化應平穩，壓到位置時壓力表壓力突然上升，應立即停止壓進。熱裝 后零件應自然冷卻，不準急冷。 2)在輪槽內沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圈輪緣和內圈輪輻沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外圈輪緣焊接，焊條采用不銹鋼焊條，焊接點處用砂輪 打磨光滑使與輪槽平滑過渡。 裝配后對滑輪輪槽表面進行了磁粉探傷，達到GB9444-88的I級質量。輪槽因為 采用了無磁高錳鑄鋼，在鋼絲繩運動過程中，會對輪槽產生擠壓，在擠壓過程中，這種材料 還可以產生加工硬化效應，從而會進一步提高輪槽的抗磨能力，使輪槽的強度和耐磨性能 得到了保證。 經過試制，已生產了 6件無磁滑輪，加工防磁鋼采用CNMM-DR型TiC涂層車刀對 其進行車削加工，克服了此種材料發粘不易斷屑的缺點，經過試驗驗證，用上述刀具進行加 工，出屑順暢，容易斷屑，使生產率和加工質量同時得到保證。 采用弱磁測量儀對防磁鋼外輪緣進行磁導率的測試檢驗，磁導率《1. ly/ pH.m—、完全符合相關標準的要求。同時重量比其它鋼質滑輪減輕30%，加工費用減少 30%，這6件滑輪已成功用于6000米電纜測井車上，各項測井數據正常，得到了油田用戶的 好評。
權利要求
一種無磁滑輪制造方法，無磁滑輪由外圈輪緣及輪槽和內圈輪體結合而成，外圈輪緣的內圓與內圈輪體的外圓配合，外圈輪緣下端設有定位止口，輪槽內沿圓周均布用若干個沉頭螺釘沿徑向緊固外圈輪緣與內圈輪體，其特征在于采用以下工藝步驟I.外圈輪緣的制造工藝步驟為1)采用無磁鑄鋼鑄造成形，其鑄造工藝如下無磁鑄鋼化學成份(W％)C0.2～0.3；Si0.2～0.6；Mn18.5～20.5；P≤0.04；S≤0.035；冶煉工藝采用堿性電弧爐冶煉，在冶煉過程中控制造白渣；造型工藝采用弱堿性造型用砂做面砂，其面砂厚度為30～40mm，用水玻璃砂做背砂，扣箱前將砂型預烘烤，烘烤溫度為60～120℃；涂料采用抗氧化涂料，涂刷厚度為0.8～1.5mm；澆注工藝采用完全開放式澆注系統，采用漏包澆注，出鋼溫度1600±20℃，鎮靜5～7分鐘澆注，澆注溫度1530±10℃；2)熱處理工藝水韌處理，加熱溫度為1050～1100℃，水淬溫度為高于950℃；3)機械加工采用硬質合金刀具進行車削加工；II.內圈輪體的制造工藝步驟為1)采用高強度鋁合金整體鑄造成形，其鑄造工藝如下鋁合金化學成份(W％)Cu4.8～5.5；Mn0.5～1.2；Ti0.15～0.40；Al余量；采用砂型鑄造并進行變質處理；2)熱處理工藝固溶處理加不完全人工時效；固溶處理將鑄件加熱到535±5℃，保溫時間5～9小時，用60～100℃水快速冷卻；不完全人工時效將固溶處理后的工件加熱160±5℃，保溫時間6～9小時，然后在空氣中冷卻至室溫；3)機械加工；III.外圈輪緣和內圈輪體的裝配工藝步驟1)將外圈輪緣加熱到140～160℃后，將內圈輪體沿外圈輪緣的內圓用壓力機壓入；2)在輪槽內沿圓周方向均布若干涂有螺紋鎖固密封劑的沉頭螺釘將外圈輪緣和內圈輪體沿徑向緊固，螺釘沉頭處與外圈輪緣焊接，焊條采用不銹鋼焊條，焊接點處用砂輪打磨光滑使與輪槽平滑過渡。
全文摘要
本發明涉及一種無磁滑輪制造方法，特別適用于制造石油測井車電纜測井絞車上的測井滑輪。本發明無磁滑輪由外圈輪緣及輪槽和內圈輪體結合而成，外圈輪緣采用無磁鑄鋼鑄造成形，并進行水韌處理和機械加工；內圈輪體采用高強度鋁合金鑄造成形，采用砂型鑄造及變質處理，并進行固溶處理加不完全人工時效處理和機械加工；采用將內圈輪體沿外圈輪緣的內圓用壓力機壓入進行外圈輪緣和內圈輪體的裝配，在輪槽內沿圓周方向均布若干沉頭螺釘將外圈輪緣和內圈輪輻沿徑向緊固。本發明制造的無磁滑輪，在工作狀態能達到防磁(磁導率≤1.1μ/μ.Hm-1)功能，能滿足承載強度、輪槽表面耐磨性要求，并具有重量較輕、綜合成本低的優點。
文檔編號B23P23/04GK101745814SQ20091031248
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者劉儉, 尹永晶, 張勇, 王芬蘭, 趙旭平 申請人:南陽二機石油裝備(集團)有限公司