CN101113661A - 一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，它包括下列步骤：一、铁基喷焊涂层的制备，采用铁基自熔合金粉末，通过喷涂－重熔工艺在普通接箍表面制备铁基合金涂层；二、对喷焊接箍表面进行抛光处理，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm；三、表面低温离子渗硫工艺处理，在800～1000V电压、20～50Pa大气压、300℃左右的低温离子渗硫炉内对喷焊接箍进行8小时左右的处理。为了防止表面氧化，在接箍表面涂抹黄油保护层。本发明新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，成本低、易操作，由此获得的自润滑铁基合金喷焊抽油杆接箍，具有更强的耐磨性和自润滑作用，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺。
背景技术
当前，在腐蚀环境轻微的油田，随着油井的深度不断加大，接箍面临着越来越严峻的磨损问题。在这种条件下，经过表面技术处理的普通接箍由于极大地提高了其耐磨性能，较好地适应了油井的环境。其中表面喷焊铁基自熔合金涂层操作简便，也能较大地提高普通接箍的耐磨性能，一定程度上延长了接箍的使用寿命。然而，使用发现单纯的铁基喷焊涂层仍存在问题，特别是在偏磨严重的油井中，由于常常出现接箍/油管的干摩擦，接箍的耐磨性仍然不能满足要求，同时高硬度的铁基涂层容易使油管内壁被擦伤。
针对以上问题，一般通过两个途径解决：一是改用镍基自熔合金喷焊涂层接箍代替铁基涂层，但镍基涂层的成本远高于铁基涂层，由此带来的成本压力较大；二是在铁基涂层中添加一定比例的固体润滑剂，如MoS2或石墨等，但由于涂层重熔工艺过程中产生相当高的温度，会使MoS2发生分解，石墨也会在该过程中使涂层形成气孔，不仅使其自润滑性能受到影响，也使得铁基涂层的孔隙率增高，不利于涂层的性能。由此可见，开发一种新型表面处理工艺，在成本较低的前提下，使铁基涂层的耐磨性能得到大幅提高，同时不会影响到涂层的组织，对于更好地解决油田轻微腐蚀环境下偏磨接箍的磨损问题非常有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，在铁基喷焊涂层表面形成润滑效果显著的FeS固体润滑层，使得利用这种方法制作的抽油杆接箍不仅孔隙率可以降低，而且具有更强的耐磨性，同时可以改善对油管内壁的磨损形貌。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，其特征是，它包括下列步骤：
步骤一、接箍表面喷焊涂层的制备；
1)、选取市售的Fe55自熔合金粉末，其具体成分按照质量百分含量分别为：碳0.8％～4.5％，铬15％～50％，硅2.0％～5.0％，硼1.5％～4.0％，镍4.0％～20％，余量为铁，粒度范围20μm～102μm；
2)、在100℃-120℃的烘干箱中对Fe55自熔合金粉末进行干燥处理；
3)、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将一个或数个接箍套设在一根金属杆上并将两端固定；
4)、对接箍表面预热、喷涂：首先，采用加热装置对接箍进行预热至执接箍表面微微发蓝，以提高接箍表面的温度，增加粉末的沉积率和结合强度；被预热后的接箍立刻用金属粉末喷枪喷涂Fe55自熔合金粉末，喷涂后得到涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围的接箍；
5)、重熔冷却，采用加热装置对接箍表面进行加热，使其表面的合金涂层重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在转动状态下冷却至室温；
步骤二、对接箍表面进行抛光处理，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm；
步骤三、对接箍表面进行低温离子渗硫工艺处理；
1)、将步骤二中得到的接箍去油洗净，然后将接箍端面置于低温离子渗硫炉中的工件盘上；2)、将装有硫粉的硫盒置于渗硫炉中，然后在800～1000V电压、20～50Pa大气压、300℃左右温度进行8小时左右的处理，使炉内的硫原子能够充分渗入接箍表面涂层中表面形成约10微米左右的FeS固体润滑层，然后停止加热使接箍随炉冷却至室温；3)、将冷却后的接箍在酒精溶液中清洗并在接箍表面涂抹黄油保护层。
本发明的优点
1.本发明新型自润滑铁基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，操作简便，容易控制，另外，低温离子渗硫工艺采用低成本的硫作为反应介质，不会引起成本的大幅升高；
2.本发明新型自润滑铁基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其中采用在喷焊涂层表面渗硫处理，因此FeS的形成不会影响涂层本身的重熔效果，也不会增加涂层孔隙率，反而由于喷焊涂层存在的一定的孔隙率，成为硫原子渗入的通道，使得渗硫层可以在相对短时间内获得；
3.本发明新型自润滑铁基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其中采用低温离子渗硫，由于温度低，不会使接箍发生变形或影响到基体的性能，同时由于固体润滑剂FeS的形成和孔隙率的降低，可使接箍表面粗糙度略有降低；
4.本发明新型自润滑铁基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，由于形成10微米左右的FeS固体润滑层，使表面的自润滑效果显著提高。不但可以提高低腐蚀油井中偏磨接箍的耐磨性能，同时FeS固体润滑剂的存在使得此类接箍在使用时在接箍/油管的摩擦表面之间形成有效润滑层，在保护接箍自身的同时在一定程度上实现对油管的保护。
具体实施方式：
实施例一
一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，其特征是，它包括下列步骤：
步骤一、接箍表面喷焊涂层的制备；
1)、选取成都大光热喷涂材料有限公司生产的DG.Fe55自熔合金粉末，其粒度范围20μm～102μm；
2)、在100℃-120℃温度的烘干箱中对选定的成都大光热喷涂材料有限公司生产的DG.Fe55自熔合金粉末进行干燥处理；
3)、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将数个接箍串在同一根金属杆上并将两端固定；
4)、对接箍表面预热、喷涂：首先，将接箍串杆穿过上海华仪感应加热设备有限公司生产中KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器的感应线圈，并通过两端带有内螺纹的连接杆、卡盘加以固定，然后以145转/分钟～155转/分钟的速度让接箍串杆转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向以19mm/s～21mm/s的速度移动，使接箍表面自始端至终端依次被中频感应加热器的加热线圈预热一遍，预热时，中频感应加热器的输出功率保持在19KW～21KW，以除去接箍表面的水分和提高接箍表面的温度，增加粉末粘接结合率，避免过多粉末撞击在冷工件上所造成的反弹损耗，预热一遍后即将中频感应加热器电源关闭；而被加热后从加热线圈端部伸出来的接箍立刻用上海瑞发喷涂机械有限公司生产的型号为QT-E20000-7/h的金属粉末喷枪喷涂上述经干燥的DG.Fe55自熔合金粉末，直至喷涂完接箍的末端，喷涂后得到的涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围，既保证最后打磨处理后接箍表面能得到足够厚的涂层来保证其耐磨性能，同时也避免太厚的涂层造成太高的成本。喷涂时喷涂用DG.Fe55自熔合金粉末是通过气泵输送到金属粉末喷枪中的，并与氧气和乙炔在金属粉末喷枪中混合后从喷枪口送出，其中输送到金属粉末喷枪的氧气流量为0.39m3/h～0.41m3/h，乙炔流量为0.79m3/h～0.81m3/h，气泵的气体压力为0.023MPa～0.025Mpa；
5)、重熔冷却，继续采用上海华仪感应加热设备有限公司生产中KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器对接箍进行表面感应加热，中频感应加热器的输出功率保持在103KW～107KW，接箍的转动速度为145转/分钟～155转/分钟，沿轴向的移动速度为13mm/s～15mm/s，使其表面的合金涂层充分重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在空气中转动状态下冷却至室温。
步骤二、对接箍表面进行抛光处理；依次采用100#砂带和200#砂带打磨抛光，使接箍表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm；
步骤三、对接箍表面进行低温离子渗硫工艺处理；
1)、将步骤二中得到的接箍去油洗净，然后取数个喷焊接箍将其端面置于由中国铁道科学院研制的LDM2-15型脉冲低温离子渗硫炉中的工件盘上；2)、将装有硫粉的硫盒置于渗硫炉中，然后在800V电压、20Pa大气压、300℃温度进行6小时的处理，使炉内的硫原子能够充分渗入喷焊涂层表面形成约10微米左右的FeS固体润滑层，然后停止加热使接箍随炉冷却至室温；3)、将冷却后的接箍在酒精溶液中清洗并在在接箍表面涂抹黄油保护层。
实施例二
一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，其与实施例一的不同处在于，表面低温离子渗硫工艺处理中低温离子渗硫炉的参数设定为：1000V电压、50Pa大气压、300℃温度进行8小时的处理。另外，预热和重熔的设备不采用中频感应设备，而改为分别采用QT-E20000-7/h和LISTED 6Z23型火焰喷枪。
实施例三
一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，其与实施例一的不同处在于，表面低温离子渗硫工艺处理中低温离子渗硫炉的参数设定为：900V电压、30Pa大气压、300℃温度进行9小时的处理。
在实验室环境下对以上实施例进行磨损性能评价。磨损试验在MM-200型摩擦磨损试验机上进行，块试样采用油田用N80油管，环试样为45钢基材表面制备0.25～0.60mm厚的涂层，涂层分别为Fe55喷焊涂层和本发明中的新型自润滑铁基涂层。实验表明，在400N的试验载荷，200转/分的试验转速，以及20分钟试验时间和水润滑条件下，与N80块/45钢Fe55喷焊涂层环摩擦副相比，实施例一、二、三中涂层环试样的磨损量均能降低50％左右，对应的块试样的磨损量虽然没有显著变化，但块试样的磨损表面明显变得平坦，犁沟等磨粒磨损形貌大大减少，表明FeS固体润滑层起到了相应的润滑作用。具体磨损量见表1所示。
表1 环块磨损试验结果
| 试验组别 | 环磨损量/mg | 块磨损量/mg |
| Fe55喷焊涂层 | 307.5 | 55.5 |
| 实施例一 | 153 | 55.1 |
| 实施例二 | 160 | 56.1 |
| 实施例三 | 156 | 54.8 |
Claims (1)
1.一种新型自润滑铁基涂层接箍的制备工艺，其特征是，它包括下列步骤：
步骤一、接箍表面喷焊涂层的制备；
1)、选取市售的Fe55自熔合金粉末，其具体成分按照质量百分含量分别为：碳0.8％～4.5％，铬15％～50％，硅2.0％～5.0％，硼1.5％～4.0％，镍4.0％～20％，余量为铁，粒度范围20μm～102μm；
2)、在100℃-120℃的烘干箱中对Fe55自熔合金粉末进行干燥处理；
3)、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将一个或数个接箍套设在一根金属杆上并将两端固定；
4)、对接箍表面预热、喷涂：首先，采用加热装置对接箍进行预热至接箍表面微微发蓝，以提高接箍表面的温度，增加粉末的沉积率和结合强度；被预热后的接箍立刻用金属粉末喷枪喷涂Fe55自熔合金粉末，喷涂后得到涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围的接箍；
5)、重熔冷却，采用加热装置对接箍表面进行加热，使其表面的合金涂层重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在转动状态下冷却至室温；
步骤二、对接箍表面进行抛光处理，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm；
步骤三、对接箍表面进行低温离子渗硫工艺处理；
1)、将步骤二中得到的接箍去油洗净，然后将接箍端面置于低温离子渗硫炉中的工件盘上；2)、将装有硫粉的硫盒置于渗硫炉中，然后在800～1000V电压、20～50Pa大气压、300℃左右温度下进行8小时左右的处理，使炉内的硫原子能够充分渗入接箍表面涂层中表面形成约10微米左右的FeS固体润滑层，然后停止加热使接箍随炉冷却至室温；3)、将冷却后的接箍在酒精溶液中清洗并在接箍表面涂抹黄油保护层。
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