牙轮钻头金属密封环表面喷涂WC-Co涂层耐磨性研究
陈飞,陈家庆,刘鹏程,白明
表面技术
[摘 要] 金属密封环的密封稳定性直接影响到牙轮钻头的使用寿命,利用等离子喷涂技术在牙轮钻头金属密封环材料20CrNMi o合金钢表面喷涂WC-Co硬质涂层,以期提高其表面耐磨性能,从而提高牙轮钻头的寿命。用显微硬度仪测试涂层的硬度,用MFT-4000型高速往复摩擦磨损实验机对涂层进行耐磨性能实验,并用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的截面形貌和相结构。结果表明:等离子喷涂WC-Co涂层后,试样表面硬度显著提高,摩擦因数减小,抗磨损性能大幅提高。
[关键词] 牙轮钻头;金属端面密封;等离子喷涂;WC-Co涂层;耐磨性能；热喷涂粉末
0 引 言
从1909年美国人HowardHughes发明两牙轮钻头算起,牙轮钻头在全世界已经使用100年了。居世界领先水平的美国四大油气钻井用牙轮钻头生产厂家(BakerHughes Christensen、Smith Bits、ReedHycalog、SecurityDBS)一直非常重视对牙轮钻头轴承系统的应用基础研究,面对世界范围内油气钻井作业要求牙轮钻头向高转速发展的趋势,近十多年来纷纷推出了各自的高转速滚动轴承牙轮钻头,抢占国际市场[1-3]。我国的牙轮钻头生产从进口仿制起步并取得长足发展,但规格系列和质量与国外产品相比还存在较大差距。通过对油气钻井现场大量失效滚动轴承牙轮钻头的解剖分析表明,滚动轴承系统的失效主要由2个方面的原因引起:第一是密封结构首先失效,致使轴承本体因剧烈的磨粒磨损而随即失效;第二是密封结构完好时轴承本体的接触疲劳失效[4]。因此,提高牙轮转头金属密封的稳定性是防止轴承失效的有效方法。
国内外学者研究表明,喷涂硬质涂层是提高牙轮钻头密封效果的有效方法之一[5-11]。本文是利用等离子喷涂(Plasma Spraying)技术,在牙轮钻头金属密封环用钢20CrNMi o表面喷涂WC-Co涂层,从而提高其表面耐磨性能,以期提高轴承使用寿命。
1 实验方法
1.1 等离子喷涂
将20CrNMi o合金钢棒材用线切割机切割成为<20mm的试样,并对其进行渗碳淬火处理,使其表层硬度达到HRC55。喷涂涂层前先用砂纸将表面磨光,以除去表面的油污和锈斑,再进行喷砂处理,使表面具有一定粗糙度之后用超声波清洗仪清洗试样表面,并用丙酮清洗试样,等表面吹干后,将试样固定在旋转工作台上,试样距喷枪的距离为80mm。具体喷涂工艺见表1。
1.2 检测方法
用S250MK3型英国剑桥扫描电子显微镜(SEM)观察试样截面显微组织,用Rigaku D /max 2500型X射线衍射仪(XRD)分析了涂层相结构,用HMV-1T型数字式智能显微硬度计测量了涂层的显微硬度。
磨损实验采用中国科学院兰州物理所研制的MFT-4000型的高速往复摩擦磨损实验机,检测喷涂前后试样在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。摩擦副件采用<4. 75mm的淬火GCr15钢球,硬度HRC62。载荷100N,往复频率5Hz,往复距离5mm,试验温度(20?2)e,相对湿度65%?5%,滑动时间5min。
2 结果与分析
2.1 试样截面显微组织及显微硬度
图1是试样经过等离子喷涂后的截面显微组织形貌SEM照片,图中菱形压痕为检测显微硬度时留下的痕迹。从图中可以看出WC-Co涂层与基体结合紧密,厚度约为260Lm。由图2可以看出,试样经等离子喷涂WC-Co涂层后,表面显微硬度显著增加,表面涂层硬度最大值为1 183HV。20CrNMi o基体的平均硬度约为630.0HV,涂层的平均硬度约为1 150.0HV。
2. 2 WC-Co涂层XRD
图3为试样的XRD图谱,可知涂层由WC相和W2C相组成。这是因为等离子喷涂过程中,颗粒以很高的速度撞击基材上,散热速度很大,可以达到106~108e/s,是一种典型的快速凝固过程,从而在涂层中易形成亚稳相W2C。
2.3 耐磨损性能
图4是原始20CrNMi o合金及等离子喷涂后涂层的摩擦因数曲线。由于等离子喷涂涂层的表面有突出的粒子,使得涂层非常粗糙,在滑动摩擦实验时,会导致摩擦因数变化频率增大,不能真实地反映涂层的耐磨性能,所以在进行磨损实验前将涂层进行抛光,减小表面粗糙度对摩擦因数的影响,使实验结果反映出硬质涂层自身的耐磨性能。
从图可知,在磨损实验初期,原始20CrNMi o合金钢的摩擦因数高,最大摩擦因数为0. 95,随后摩擦因数逐渐趋于平稳,最终的平均摩擦因数为0. 54左右;而等离子喷涂WC-Co涂层试样的摩擦因数随着时间的增加而逐渐变大,但是增幅相对较小,其最大摩擦因数是0. 38,最终表面平均摩擦因数为0. 33左右,说明WC-Co涂层表面硬度高,耐磨性能好,摩擦因数显著减小。
3 结 论
1)利用等离子喷涂技术在20CrNMi o合金钢表面形成均匀、致密、厚约260Lm的WC-Co硬质渗层。涂层的平均硬度为1 150. 0HV。
2)等离子喷涂涂层由WC相和W2C相组成。
3)经等离子喷涂处理后, 20CrNMi o合金钢表面抗磨损性能得到显著改善,摩擦因数降为0. 33。
[参考文献]略
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