抽油杆材料表面喷涂耐磨层实验
孟庆武,韩文静,祝立群,赵晓京
大庆石油学院学报
摘 要:为提高抽油杆的表面耐磨性能,选用20CrMo作为试样材料,采用合金加石墨混合粉末作为涂层原材料,利用氧乙炔热喷涂装置,在20CrMo试样表面上制备出耐磨涂层.采用销盘式摩擦磨损实验机,进行20CrMo及涂层的干摩擦磨损实验,并利用扫描电镜对涂层组织和磨损表面观察和分析.实验结果表明,涂层的摩擦因数比20CrMo低1倍左右,磨损失重量低半个数量级,说明涂层可以提高20CrMo的表面耐磨性能,涂层中的石墨润滑作用是其耐磨性高的主要原因.
关 键 词:抽油杆; 20CrMo;涂层;耐磨性能;石墨；热喷涂
抽油杆在油管中上下往复运动,受油井本身弯曲以及其他阻力等作用的影响,造成油管与抽油杆之间接触并产生偏磨[1-4].目前,油管与抽油杆之间的偏磨现象在各油田中十分普遍,在聚驱井中也比较严重.偏磨不仅增加抽油机能耗,而且还会造成抽油杆断裂或磨穿油管壁,影响油井正常生产,给油田带来较大的经济损失.为了减轻油管与抽油杆的偏磨程度,除了采用加装辅助机械装置的方法外,可以从材料工程角度出发,开发一种减磨涂层技术,降低油管与抽油杆材料之间的磨损.热喷涂技术是表面涂层技术的一种,利用高温火焰将特殊粉末熔化喷射到金属表面上,再冷却凝固形成涂层.由于采用热喷涂技术可以制备很厚的涂层,其被广泛用来制备耐磨涂层[5].减轻磨损的有效途径是降低对磨表面的摩擦因数.在减轻磨损材料中,包含有石墨成分的对磨表面通过石墨的自润滑作用,可以大大降低材料的磨损[6, 7].采用合金加石墨混合粉末作为原材料,利用热喷涂设备,在抽油杆常用材料表面上制备出耐磨涂层,进行摩擦磨损实验,分析涂层的耐磨性能,为降低油管与抽油杆材料之间的磨损提供有效的技术途径.
1 实验材料与实验方法
1.1 材料体系
喷涂的试样材料采用抽油杆常用材料20CrMo.将原材料加工成20 mm厚的的板状试样,对试样待喷涂表面进行喷砂处理.热喷涂原材料采用合金加石墨混合粉末.合金粉末的化学成分:Fe的质量分数为85%,Cr的质量分数为15%.合金和石墨粉末的粒度为30~50μm.将体积分数为80%合金粉末加体积分数为20%石墨粉末配好后,在90℃烘干箱中烘干10 h,然后在XR-350型行星式混粉机中混合48h,制成热喷涂原材料.
1.2 热喷涂工艺
热喷涂设备采用美国TS-5型高速氧乙炔喷涂装置,其喷涂工艺参数:氧气分压为0.4 MPa,乙炔分压为0.5 MPa,压缩空气分压为0.4 MPa.在热喷涂过程中,采用调整喷涂时间和送粉量的方法控制涂层厚度,保证每个试样的涂层厚度约为0.8 mm.
1.3 摩擦磨损实验
热喷涂后的涂层试样用线切割机加工成销棒状,直径为5 mm,高度为18 mm.将对比实验用的20CrMo原材料也加工成相同尺寸试样.摩擦磨损实验采用MXP-2000型摩擦磨损实验机,对磨形式为销盘式.对磨盘采用T10淬火钢,硬度为HRC63.实验时的法向载荷选为100 N,滑动速度为1 m/s,总滑动距离为100 m,每间隔5 m滑动距离采集1个数据点,绘制摩擦因数与滑动距离的关系曲线.用感应量为4~10 g的分析天平称量试样磨损前后的质量,计算磨损量.采用S-3400型扫描电子显微镜(SEM)观察和分析磨损表面.
2 实验结果
2.1 涂层组织
涂层的质量与热喷涂过程中金属粉末的熔化程度有关.当金属粉末在火焰气流中停留时间过短时,金属粉末未充分熔化,撞击试样时的附着力就小,形成的涂层致密度不高.当粉末在火焰气流中停留时间过长时,喷涂火焰的温度高达1 000~3 000℃,金属粉末烧损比较严重.在热喷涂工艺探索过程中,通过多次调整实验,获得最佳送粉量,并得到良好质量的涂层.通过扫描电子显微镜观察涂层的微观组织,结果见图1.由图1可以看出,热喷涂的合金粉末熔化完全,形成涂层比较致密,孔隙率较小.涂层的微观组织中,灰色的合金基体里弥散地分布着黑色的石墨颗粒.石墨与合金基体的界面浸润良好,结合强度高,可以保证石墨颗粒在磨损过程中不会脱落.涂层与下部20CrMo试样的界面处无裂纹和气孔,也未发现氧化产物,说明涂层和基底的结合状态良好,界面结合强度很高.
2.2 摩擦因数和磨损量
在滑动距离为100 m条件下,20CrMo和涂层材料的摩擦因数与滑动距离的关系曲线见图2.由图2可以看出,在起始阶段摩擦因数波动较大,随着磨损的进行,经过一段预磨期后,摩擦曲线平稳.这是由于在摩擦初始阶段,20CrMo试样的表面粗糙,需要经过一段距离磨合.随着磨损的进行,2个对磨面的粗糙度逐渐稳定,摩擦因数逐渐恒定,摩擦进入一个稳定阶段.摩擦因数波动很小,摩擦过程的预磨期很短.这是由于涂层中含有良好润滑效应的石墨颗粒,在摩擦的初始阶段,石墨使得2个对磨面处于很好的润滑状态,不但大大降低摩擦因数,而且使得2个对磨面始终处于一种稳定摩擦状态.
在稳定磨损阶段, 20CrMo的平均摩擦因数约为0.535,涂层的平均摩擦因数约为0.283,后者是前者的1/2.在相同载荷作用下,经过100 m滑动距离后,20CrMo的磨损量为26.3 mg,涂层的磨损量为5.6mg,后者是前者的1/5.涂层的摩擦因数和磨损量均大大低于20CrMo,说明其具有很高的耐磨性.
2.3 磨损机理分析
20CrMo磨损表面形貌见图3.由图3可以看出,在干摩擦状态下,20CrMo的磨损表面布满T10对磨副磨削造成的沟痕.由于20CrMo的硬度较低,塑性较高,在对磨盘的摩擦作用下,20CrMo的磨损机理以严重的磨粒磨损机制为主,材料损失表现为大面积犁削撕裂,因而材料损失大.涂层的磨损表面形貌见图4.由图4可以看出,涂层的磨损表面只有较轻的磨削擦痕.这是由于涂层中含有大量石墨颗粒,摩擦表面的塑性变形受到限制,石墨的显著润滑作用使得对磨表面的接触点处不容易产生黏着,因而不会发生剥层撕裂,只有轻微的磨削擦痕.
3 结论
(1)以体积分数为80%合金粉末加体积分数为20%石墨粉末为原材料,利用高速氧乙炔喷涂装置,在20CrMo表面上制备出良好质量的涂层.涂层组织中,石墨颗粒弥散地分布于金属基体里.
(2)20CrMo的平均摩擦因数约为0.535,涂层的平均摩擦因数约为0.283,后者约为前者的1/2.经过100 m滑动距离后,20CrMo的磨损量为26.3 mg,镍包石墨喷涂层的磨损量为5.6 mg,后者约为前者的1/5,说明镍包石墨喷涂层具有很高的耐磨性.
(3)20CrMo的磨损机理以严重的磨粒磨损机制为主,其材料损失大.涂层的磨损表面只有较轻的磨削擦痕,涂层中的石墨润滑作用是其耐磨性高的主要原因.
参考文献:
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[2] 颜廷俊,王奎升,颜廷杰.偏磨油井抽油杆受力实测分析[J].石油矿场机械,2004,33(5):63-64.
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[4] 赵子刚,褚英鑫,汤文玲,等.抽油杆管偏磨的综合分析与防治[J].大庆石油学院学报,2002,26(3):22-25.
[5] RODRYGUEZ J, MARTYN A, FERNANDEZ R. An experimental study of the wear performance of NiCrBSi thermal spray coatings
[J]. Wear, 2003,255:950-955.
[6] 顾伯勤,时黎霞,陆晓峰.不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究[J].石油机械,2000,28(2):13-16.
[7] GHORBANI M, MAZAHERI M, AFSHAR A. Wear and friction characteristics of electrodeposited graphite–bronze composite coatings[J]. Surface & Coatings Technology, 2005,190:32-38.
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