中文版 English  加入收藏 | 设为首页 | 会员中心 | 我要投稿 | RSS
您当前的位置:首页 > 技术文献 > 涂层应用

表面工程技术在牙轮钻头滑动轴承上的应用与试验研究

时间:2012-07-05 10:22:58  来源:略  作者:毛红兵 罗 纬

 

摘要:本文对国内外表面工程新技术在石油地质勘探用牙轮钻头滑动轴承上的最新应用进行了简要综述,指出通过轴承新材料的合理选用并结合表面工程技术的应用将是提高牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能如高转速性能的主要途径。在此基础上,笔者采用爆炸喷涂新技术对牙轮钻头滑动轴承进行表面强化处理及钻头轴承模拟试验,结果表明:渗碳钢与爆炸喷涂WC12Co配对摩擦副具有优异的抗咬合性能及摩擦学性能,有助于提高钻头滑动轴承高转速性能。SEM和EMA分析表明 WC12Co涂层磨损机理是表面少量的WC颗粒脆性断裂、剥落,并有微裂纹;涂层的渗碳钢配对轮试件的磨损机理主要是涂层偶件表面硬微凸体造成的微切削和犁沟变形,同时伴有粘着机理存在 表面工程技术 牙轮钻头滑动轴承 爆炸喷涂 碳化钨陶瓷涂层 轴承模拟试验 涂层摩擦学特性

 

关键词:

1前言

摩擦、磨损、腐蚀、疲劳等表面相关性能可以通过合适的表面处理技术加以改善和提高。对此点认识的提高导致了近20年内各种表面工程技术的迅猛发展,成为目前材料科学与工程中发展最为迅速的领域之一(另一个是对材料内部结构的研究)。美国工程科学院在为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的的九项新科学技术中,有关材料的项目也仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。表面技术将是21世纪核心技术之一,已被提高到制约21世纪制造业进一步发展的关键地位。90年代摩擦学研究最

活跃、发展最突出的前沿领域是表面工程技术以及与其密切相关的摩擦学材料。

石油地质勘探现代钻井工艺技术发展的共同特点是钻头驱动由转盘发展为井下动力钻具(螺杆和蜗轮),而现有牙轮钻头尤其是轴承系统还难于适应井下动力钻井具有的低钻压高转速工况。失效分析可知,提高轴承系统高转速性能涉及到轴承副摩擦、磨损及其润滑三方面性能,这是一个典型的摩擦学研究问题。通过表面工程技术,能够使钻头轴承表面材料具备所需各项特性。

由于牙轮钻头滑动轴承较滚动轴承具有低比压,更能承受较高、较剧烈的振动冲击载荷,因此更适用表面强化处理。轴承材料的合理选用结合表面工程技术的应用将是实现滑动轴承高速化的主要途径,这是由钻头轴承及表面工程技术的特点所决定的。

2钻头滑动轴承材质及表面强化技术国内外研究应用动态

2.1国外钻头滑动轴承材质及表面技术研究与应用

表面工程技术在钻头轴承上的应用,美国走在前列。美国钻头公司运用飞速发展的种类繁多的表面工程技术及新材料研究成果对提高钻头滑动轴承高转速性能进行了大量的探索和研究。

表面扩散渗透法在轴承副上的应用

表面扩散渗透又称表面热渗镀法、表面化学热处理,其中等离子法属先进新工艺。渗C、渗B是钻头轴承副中应用最早、迄今为止仍占主流的表面强化技术。

美国Reed钻头公司专利US4969378提出采用等离子氮化法分别或同时强化处理牙轮壳体、牙轮轴承内腔,牙轮基材由原来的低碳合金钢改用中、高碳钢或马氏体时效钢。

美国Camco公司专利US5161898提出钻头滑动轴承采用基材为超级合金表面渗铝的浮动套或浮动环的结构,浮动元件采用镍基、钴基、铁基高温超级合金。镍—铝系是当前国际材料界重点开发的金属间化合物之一,其中的NiAl的制备较成熟。

电镀及电沉积在轴承上的应用

美国Recd钻头公司专利US4074922提出通过刷镀或其它手段,在其滑动轴承浮动衬套内外表面上镀一层或多层诸如Pb、In、Sn、Cu或Ag的软金属,其作用是充当边界润滑状态的固体润滑剂及抗摩擦副间的粘着磨损。美国Hughes钻头公司及美国Secruity钻头公司也在牙轮内孔进行了刷镀银处理。

堆焊及热喷涂在轴承上的应用

堆焊的最新应用是美国Hughes钻头公司采用等离子堆焊工艺对滑动轴承进行堆焊铁基、钴基超级合金与碳化钛的复合粉末(碳化钛占体积的5~ 15% )。现已批量生产。

气相沉积技术在轴承表面上的应用

离子镀是PVD的新工艺技术,等离子化学气相成积(PCVD)属CVD的新技术。

专利US4054426提出采用高能量离子镀或者溅射工艺处理牙轮内表面、牙爪轴颈表面。轴承表面涂层材料采用单层或多层软金属如Au、Ag、Pb、Sn、MoS2、Cr2O3等。

美国Smith钻头公司专利US4540596提出了采用PCVD技术在钻头轴承付表面施镀陶瓷涂层混合物的方法,镀层至少有C、O、N及Tf、Hf、Zr、Nb、Ta、W、B、Al、Co、Cr中的任一种元素构成,表面均匀光滑。该工艺可在低于205° C温度下进行。

高能密度处理在轴承表面上的应用

  美国Smith钻头公司专利US4303137提出对牙轮轴承滚珠锁紧槽进行激光淬火硬化处理。

美国Smith钻头公司专利US4474861提出一种获得复合轴承表面的新技术:先通过激光等高密度热源将硬合金粉末涂敷到轴承基材表面,然后在这些硬涂层之间填充以软金属材料粉末。适用的软金属材料包括钎焊和轴承金属以及诸如银、铜、锡、镍、铅及其各自的合金材料。

  美国Reed钻头公司专利US4618269提出对钻头轴承表面进行激光涂敷处理,表面层冷却后对其进行精加工处理,涂层硬度通常在HRC55左右。

尽管国际著名钻头公司试验了上述诸多最新表面工程技术,但多数属实验室阶段,真正能做到现场应用、实现工业化生产的技术并不多。Hughes钻头公司的等离子堆焊新型材料工艺现已成批生产,而其它表面技术各有其缺点:等离子氮化层厚度太薄;气相沉积技术除强化层厚度太薄外,还受到设备昂贵以及设备工件处理腔容积的限制,无法实现高效率工业化生产;激光合金化技术目前仍无法解决合金层裂纹问题。

2.2 国内钻头滑动轴承材质及表面强化技术的研究与应用

江钻股份公司对钻头滑动轴承激光合金化及激光淬火项目进行研究。目前,激光淬火项目现场试验已获得成功,取得了与引进钻头相近甚至更好的寿命指标。该项技术属国际领先。

石油大学将WC-Co类硬质合金和聚晶金刚石用于牙轮钻头高速滑动轴承研究。现场使用效果接近江钻股份公司引进钻头指标。

西南石油学院对聚晶金刚石、WC-Co硬质合金及Al2O3、Si3N4陶瓷等超硬材料进行了环块磨料磨损单元试验。建议钻头滑动轴承采用陶瓷和金刚石超硬材料。

3爆炸喷涂表面强化技术在钻头滑动轴承上的实践研究

爆炸喷涂是热喷涂领域国内外公认的高新技术,占居热喷涂领域最高喷速位置,相应涂层性能也最高,其涂层致密、结合强度高(抗拉结合强度大于100MPa)、气孔率低、硬度高,工件基体处理温度低(< 200° C)。爆炸喷涂工艺最主要的喷涂品种是WC—Co陶瓷涂层,其工艺成熟、涂层结合强度高且气孔率低。WC—Co涂层主要用于低温(550° C以下)各种耐磨表面。WC—Co爆炸涂层及WC—Co材料本身所具有的高结合强度、高硬度、高耐磨性、红硬性、自润滑性、抗粘着性等优异性能,使其作为牙轮钻头滑动轴承材质成为可能。陶瓷作为摩擦学构件所产生的摩擦学性能的研究与应用已成为当前国际摩擦学研究领域的前沿。

该工艺在钻头滑动轴承上的应用研究国内外还未见任何报道,笔者对此进行了试验研究。(笔者94-96年5月期间完成该工艺应用论文,96年11月国外才有报道。)

3.1国内外爆炸喷涂工艺简介

在爆炸喷涂领域内,国际公认技术完整的只有两家-美国联合碳化物公司和乌克兰科学院材料研究所。国内已引进了乌克兰研究所合作制造爆炸喷涂设备。我国也从1969年起自行设计研究爆炸喷涂设备,经过数千次试验,制成了我国第一台爆炸喷涂设备。笔者对上述两家单位爆炸喷涂工艺在钻头滑动轴承应用可行性进行试验研究。

3.2 爆炸喷涂工艺原理

图1为爆炸喷涂枪的原理图。利用氧气和乙炔断续点火燃烧,造成气体膨胀而产生爆炸,释放出热能和冲击波,可产生4200° C高温使喷涂粉末熔融,冲击波使熔融粉末以约800m/s的高速度喷射到零件表面上形成涂层。涂层结合主要是熔融粉末填充在粗糙的“山谷”间、又对“谷峰”产生夹持的机械作用,此外由于粉末高速喷到工件表面而突然停止,其动能将转化为滞止热能,产生显微区域的扩散结合。

爆炸频率( 喷涂效率) 为2~ 10次/s,每次爆炸形成涂层厚度约6~ 30m m、直径为2cm的圆点。

3.3爆炸喷涂工艺钻头轴承模拟试验及结果

3.3.1常规工艺和爆炸喷涂工艺的轴承能力PV值咬合模拟试验及摩擦磨损试验

通过牙轮钻头轴承全尺寸模拟试验机进行模拟钻头实际工况的对比试验,试验试件配合图见图2。试验的牙轮轮试件采用实际钻头用低碳合金钢渗碳淬火热处理(简称渗碳钢轮试件)、爆炸喷涂WC12Co,牙爪轴试件分别采用表明实际钻头用低碳合金钢渗碳渗硼热处理(简称渗硼轴试件)、堆焊司太立合金(简称堆焊司太立轴试件)以及爆炸喷涂WC12Co。

抗咬合试验方式:在额定转速225r/min下直至轴承咬死为止。

结果表明渗碳钢轮试件与爆炸喷涂WC12Co轴试件配对摩擦副在高转速下的抗咬合性能最好,承载能力最高,优于渗碳钢轮试件与常规渗硼轴试件、堆焊司太立轴试件的配对摩擦副,较轮爆炸喷涂WC12Co-轴爆炸喷涂WC12Co硬对硬摩擦副高156.8% ,较渗硼轴摩擦副高28.9% ,较堆焊摩擦副高20.3% 。

摩擦磨损试验方式:转速225r/min、载荷40KN条件下试验5hr。

结果表明渗碳钢与WC12Co配对摩擦副耐磨性优于渗碳钢与渗硼配对摩擦副、略低于渗碳钢与堆焊司太立合金配对摩擦副。WC12Co涂层对偶轮试件磨损量较堆焊配对轮试件磨损量高9.6% ,较渗硼轴对偶轮试件磨损量低26.6% 。WC12Co摩擦副摩擦性能(扭矩和温度)略低于堆焊摩擦副和渗硼摩擦副,计算表明,平均扭矩低于堆焊摩擦副18.5% ,扭矩较渗硼摩擦副低6.7% 。

因此,试验说明了渗碳钢与爆炸喷涂WC12Co配对摩擦副具有优异的抗咬合性能及摩擦学性能,有助于提高钻头滑动轴承高转速性能。

3.3.2磨损机理分析

采用英国Leica S360FE场扫描电镜及日本D/max扫描电镜观察轮、轴试件磨损表面形貌,采用英国牛津LinkISIS及Link10000做表面微区能谱成分分析。

通过采用磨损表面SEM形貌分析、能谱成分分析及元素面分布分析手段,表明WC12Co涂层磨损机理是表面少量的WC颗粒脆性断裂、剥落,并有微裂纹。涂层的渗碳钢配对轮试件的磨损机理主要是涂层偶件表面硬微凸体造成的微切削和犁沟变形,同时伴有粘着机理存在。 WC涂层在摩擦过程中除Mo、Sb、Ag、Cu等软金属的转移外,还有固体润滑剂Co转移的独特现象,使得其抗粘着磨损性能更好,抗咬合性能高于B4合金摩擦副、更高于渗硼摩擦副的现象。

试验表明爆炸喷涂WC12Co与WC12Co硬对硬配副不适合钻头滑动轴承工况,其主要原因是由于爆炸喷涂内孔喷涂速度的限制所导致的结合强度降低以及涂层界面固有的缺陷。在硬对硬摩擦副高接触比压作用下产生疲劳剥落。试验还表明硬对硬配副摩擦温度高。

3.3.3 WC涂层单元及抗冲击震动结合强度试验

为考察爆炸涂层的实际应用可行性,进行了WC12Co涂层的单元及抗冲击震动结合强度试验,销孔法(见图3)抗拉强度单元试验表明爆炸涂层与基体的抗拉结合强度至少75MPa,还可高达100MPa,它们的抗压强度远高于牙轮钻头滑动轴承78MPa的比压(取动载系数1.78)。

牙轮钻头模拟单齿圈抗冲击震动结合强度试验也表明WC12Co涂层具有较好的抗冲击性能,在静比压44.6MPa(高于钻头滑动轴承静比压43.7MPa)下涂层无任何剥落现象发生;渗碳钢轮试件与WC12Co涂层摩擦副在模拟钻头工况条件下的抗咬合试验中比压达93MPa时涂层无任何剥落,在摩擦磨损试验中在比压76.3MPa下长时间运转涂层无剥落现象发生。这些都说明尽管爆炸喷涂涂层与基体以机械结合为主,但该工艺产生的高性能涂层与基体的结合强度足以满足钻头工况。

3.3.4表面粗糙度对WC涂层摩擦副摩擦性能影响试验

试验及分析表明表面粗糙度为(Ra=0.65)的摩擦副扭矩较表面粗糙度(Ra=1.2)的摩擦副低48.4% ,温度低48% 。WC摩擦表面的粗糙度将是影响摩擦副摩擦学特性的关键因素之一。粗糙度较小的WC涂层表面有助于提高边界润滑条件下摩擦副的耐磨性,并获得较稳定的摩擦系数。见图4、图5。

通过对表面工程技术在牙轮钻头滑动轴承上的应用调研及爆炸喷涂在牙轮钻头滑动轴承上的实践研究,可以得出以下结论:

1、轴承新材料的合理选用并结合新型表面工程技术的应用将是实现牙轮钻头滑动轴承高速化从而实现钻头高速化的主要途径。

2、渗碳钢与碳化钨爆炸涂层配对摩擦副具有优异的抗咬合性能及摩擦学性能,有助于提高钻头滑动轴承高转速性能。

3、爆炸喷涂涂层与基体尽管以机械结合为主,但该工艺产生的高性能涂层与基体的结合强度足以满足钻头工况。

4、碳化钨爆炸涂层磨损机理是表面少量的WC颗粒脆性断裂、剥落,并有微裂纹。WC涂层在摩擦过程中有固体润滑剂Co转移的独特现象,使得其抗粘着磨损性能更好。

5、碳化钨爆炸涂层摩擦表面的粗糙度是影响摩擦副摩擦学特性的关键因素之一。

 

参考文献

 

1赵文珍,王汉功.金属表面工程新技术的特点及作用.机械工程材 料,1995,19(3).

2刘家俊主编.材料磨损原理及其耐磨性.清华大学出版社,1993.

3赵文珍.金属材料表面新技术.西安交大出版社,1992.

4陈家庆.牙轮钻头径向轴承表面强化技术.石油机械.1995,8(9).

4结论  

来顶一下
返回首页
返回首页
发表评论 共有条评论
用户名: 密码:
验证码: 匿名发表
推荐资讯
相关文章
    无相关信息
栏目更新
栏目热门