CN103276347A

CN103276347A - 泵筒的化学热处理方法

Info

Publication number: CN103276347A
Application number: CN2013101660470A
Authority: CN
Inventors: 吕新青; 吕云霏; 高淑清
Original assignee: RIZHAO YUANYE MACHINE MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: Lv Xinqing
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: CN103276347B

Abstract

本发明公开了一种泵筒的化学热处理方法，首先向泵筒内装入渗剂，所述渗剂由重量份的硼铁60～62%、木碳18～20%、氟硼酸钾16～18%、尿素1.5～2.5%、稀土0.5～1.5%组成，然后通过球形泵筒吊具将泵筒放入井式炉中，之后开始加热，当加热到600℃-700℃时，保温0.5-1.5小时后，继续加热到850℃-950℃时，保温3-5小时；最后进行冷却，当井式炉内的温度降至780℃-820℃时，降温和保温共1-2小时后，把泵筒吊入冷却筒中进行强制冷却至室温即可；化学热处理后的泵筒具有较高的硬度，良好的耐磨性，耐腐蚀性、抗高温氧化性及红硬性。

Description

泵筒的化学热处理方法

技术领域

本发明涉及泵筒的热处理工艺，尤其是一种泵筒的化学热处理方法。

背景技术

抽油泵是油田采油大量使用的设备之一，泵筒是抽油泵中最重要的零件，约占抽油泵造价的60%以上。泵筒生产时必须进行处理，以提高其内孔的表面硬度、耐磨性和防腐性。目前采用的工艺方法主要有以下几种：

1、镀硬铬：泵筒内孔镀硬铬，可以解决防腐、耐磨及硬度问题，但镀铬工艺造成环境污染极为严重，是尽量削减或取消的工艺。另外，镀前需对内孔进行碱洗除油和酸洗活化处理，因内孔细长不易清洗，难免有不洁之处，导致镀层和基体的结合强度不够。在抽油过程中，因柱塞和泵筒间隙中的砂粒磨损、挤压而拉伤蜕皮，严重时造成卡泵事故。

2、化学镀：也称镍磷复合镀，其优缺点与镀铬大体相似，与镀硬铬相比，化学镀的镀层一般都很薄，所以更易拉伤。

3、氮化：合格的氮化层，其硬度、防腐、耐磨性能都不错。理想的氮化件材料为38CrMoAlA，但其价格昂贵，热处理时间长，生产成本很高。另外，还有更难解决的问题是，泵筒为细长管件，氨气从其内孔通过时，分解率有很大的差别，致使氮化层极不均匀，产品质量很难控制。所以说，氮化处理工件外表面或短件内孔还比较成熟，而处理细长内孔就比较困难。

4、碳氮共渗：碳氮共渗是一种比较成熟的工艺方法，目前正在广泛使用。为了增加渗层深度，泵筒一般用20钢，900℃以上进行处理，共渗后需要淬火，变形比较大，需要在淬火后进行强力珩磨。但该工艺的问题是，在880℃以下时，渗入氮的含量比较理想，有一定的防腐作用，但整体渗层较薄，很难达到使用要求；在900℃以上时整体渗层较厚，而渗入氮的含量很少，防腐能力很低。

5、激光淬火：该工艺用一个激光导入装置，在泵筒内轴向运动，激光垂直照向泵筒的内孔表面，泵筒旋转，光照点在内孔表面呈螺旋线运动轨迹。激光束很细，温度极高，被照点瞬间升温致接近熔化状态。光点移开后又快速散热降温，达到淬火效果。但是，该工艺并没用改变材质，所以没有提高其防腐性，另外，激光淬火形成的硬化带是一个螺旋线，而非整个内表面，经过一段时间的腐蚀及泥砂磨损后，内表面的非硬化带会呈现凹形螺旋，加大抽油泵的漏失量，降低泵效。

6、渗硼：单纯渗硼所得到的渗层组织同本发明的主硬化层相同，为FeB和Fe₂B。因该组织具有极好的防腐耐磨性能，所以1985年前后，曾经有人试图将该工艺应用于泵筒处理，例如申请号：CN85201850的专利《渗硼无衬套抽油泵泵筒》中提到将泵筒加热至750-850℃进行固体硼化处理，但是要想获得较理想的渗层必须要在900℃以上进行渗硼，所以按照该专利在750-850℃进行热处理后，渗层很不理想，层薄，且不连续，在实际应用时渗层很容易脱落，起不到防腐和耐磨的作用，导致泵筒过早报废。当时也有很多家生产厂试用该工艺，但因几个致命的问题没得到解决，所以宣告失败，其待攻克的难题是：

第一，900℃以上渗硼，得到的渗层较理想，但泵筒变形较大，渗后无法珩磨，泵筒超差报废，若880℃以下渗硼，泵筒变形较小，但渗层很不理想，层薄，且不连续。

第二，渗后不进行淬火处理，基体太软，在使用中无法承受泵筒与柱塞间隙中的砂粒挤压，导致渗层碎裂脱落，若进行淬火处理，泵筒变形又太大。

所以想要获得主硬化层为FeB和Fe₂B，按传统的工艺，要得到足够厚度的该渗层，需要950℃～1050℃的高温，在这样的高温下，变形是无法避免的，而且该硬化层特别坚硬，后续珩磨不可能，所以必须渗前珩磨至要求尺寸，并保证渗后不变形。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足而提供的一种泵筒的化学热处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：泵筒的化学热处理方法，该热处理方法包括以下步骤：步骤一、加渗剂：向泵筒内装入渗剂，然后将泵筒放入井式炉中，上述渗剂由重量份的硼铁60～62%、木碳18～20%、氟硼酸钾16～18%、尿素1.5～2.5%、稀土0.5～1.5%组成，其中尿素用于向泵筒内渗氮，稀土能起到催渗的作用，可在较低的温度下获得较好的渗层，从而解决热处理温度过高，泵筒超差报废的问题。首先将上述原料按照配比进行粉碎，搅拌均匀，然后加入适量粘结剂，制成颗粒状或者小圆柱状，烘干即得渗剂；步骤二、加热：井式炉对泵筒进行加热，当加热到600℃-700℃时，保温0.5-1.5小时后，继续加热到850℃-950℃时，保温3-5小时，在上述加热过程中，泵筒内的压力要始终保持在0.10～0.12MPa；三、冷却：当井式炉内的温度降至780℃-820℃时，降温和保温共1-2小时后，把泵筒吊入冷却筒中进行强制冷却至室温即可。

步骤一中所述渗剂由重量份的硼铁61%、木碳19%、氟硼酸钾17%、尿素2%、稀土1%组成。

所述步骤一中硼铁的含硼量至少为19%，可保证化学热处理后泵筒的渗硼量。

所述粘结剂为有机粘结剂，该粘结剂在使用过程中与渗剂不起任何化学反应，而且使用后易清除渗剂。

所述步骤二、加热：井式炉对泵筒进行加热，当加热到650℃时，保温1小时，其主要目的是渗氮，同时渗剂中部分材料开始气化，此时若急剧升温，易导致泵筒膨胀变形。继续加热到880℃时，保温4小时，主要是进行渗硼和碳，形成较理想的主硬化层（FeB、Fe₂B）和次硬化层（C、N）。在上述加热过程中，泵筒内的压力要始终保持在0.10～0.12MPa，压力过高，泵筒膨胀变形，压力过低，渗层质量难保证。

所述步骤三、冷却：当井式炉内的温度降至800℃时，降温和保温共1.5小时后，把泵筒吊入冷却筒中进行强制冷却至室温即可，若温度高时出炉，泵筒易变形，温度低时出炉，冷却后基体硬度不够。

所述步骤三中在泵筒被吊出井式炉时，泵筒内的压力等于外界大气压。

所述步骤三中强制冷却时用室温风冷即可。

所述井式炉包括炉体、炉胆和连接管，在所述炉胆的端口处设有球形泵筒吊具，球形泵筒吊具可保证泵筒始终处于自由垂直吊挂状态，防止泵筒受热后弯曲变形。所述连接管贯穿球形泵筒吊具，其下端与泵筒活动连接，上端连接有控压节流阀，所述控压节流阀通过连接管与所述泵筒连通。所述控压节流阀为安全阀，当泵筒内的压力超过0.12MPa时，控压节流阀打开，进行泄压，若泵筒内的压力不足0.12MPa时，控压节流阀处于关闭状态。

本发明的优点在于：

1、进行化学热处理后，泵筒的内孔由表及里形成一层坚硬的防腐耐磨层，其金相组织主要为FeB和Fe₂B，再向内逐渐过渡为渗碳、氮扩散层。

2、硬度高，FeB显微硬度1800～2200HV，Fe₂B显微硬度1200～1800HV。

3、耐磨性，表面为FeB和Fe₂B的工件比淬火、镀铬、渗氮工件具有更高的抗磨料磨损能力。

4、耐腐蚀性，渗后工件在硫酸、盐酸、磷酸及多种碱、盐水溶液中的抗蚀性能均明显提高。

5、抗高温氧化性，在空气中加热到800℃，持续40h，渗层氧化增重极微。

6、红硬性，FeB及Fe₂B在900℃时仍能保持很高的硬度。

附图说明

图1是井式炉的结构示意图；

图2是本发明的工艺曲线；

图3是泥浆泵衬套模型与橡胶活塞对磨时的失重损失图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做以下详细说明。

1）加渗剂：将硼铁61%、木碳19%、氟硼酸钾17%、尿素2%、稀土1%进行粉碎，搅拌均匀，加入适量有机粘结剂，制成颗粒或小圆柱状，烘干后装入泵筒5内。

2）装炉：将泵筒5的上端通过连接管4与球形泵筒吊具3活动连接，再将球形泵筒吊具3吊装在炉胆2中，炉胆2吊装在炉体1内。

3）通电加热：先加热到650℃保温1小时后，再加热到880℃，其主要目的是渗氮，同时渗剂中部分材料开始气化，此时若急剧升温，易导致泵筒5膨胀变形，在加热过程中通过控压节流阀6保证泵筒内的压力恒定在0.10～0.12MPa，防止泵筒5变形并保证渗层的质量。

4）保温：当泵筒5加热到880℃后，保温4小时，主要是进行渗硼和碳，形成较理想的主硬化层（FeB、Fe₂B）和次硬化层（C、N），在保温的过程中也要通过控压节流阀6保证泵筒内的压力恒定在0.10～0.12MPa。

5）冷却：先随炉降温至800℃，降温和保温共1.5小时后，使泵筒5内外的温度均衡，再出炉强制风冷。温度高时出炉，泵筒5易变形，温度低时出炉，冷却后基体硬度不够。

进行化学热处理后，泵筒5的内孔由表及里形成一层坚硬的防腐耐磨层，在距表面深度0～100μm处，其金相组织主要为FeB和Fe₂B，是主硬化层，与柱塞外表面构成摩擦副；在距表面深度100～450μm处，逐渐过渡为渗碳、氮扩散层，是次硬化层，其功能主要是支承主硬化层，以防被泵筒和柱塞间隙中的砂粒挤压破碎。

主硬化层的性能：硬度，FeB显微硬度1800～2200HV，Fe₂B显微硬度1200～1800HV。钢中含碳量的增加，可减少双相渗层中FeB的相对含量，并使FeB硬度降低（见下表）。

耐磨性，表面为FeB和Fe₂B的工件比淬火、镀铬、渗氮工件具有更高的抗磨料磨损能力，图3为泥浆泵衬套模型与橡胶活塞对磨时的失重损失，磨料为含石英砂的粘土溶液，其中：

a—40钢渗碳、氮、硼（1300～1500HV），

b—40钢镀铬，

c—38CrMoAlA渗氮（940～1200HV），

d—GCr15钢高频感应加热淬火，

e—40钢淬火。

Claims

1.泵筒的化学热处理方法，其特征在于该热处理方法包括以下步骤：步骤一、加渗剂：向泵筒内装入渗剂，然后将泵筒放入井式炉中，上述渗剂由重量份的硼铁60～62%、木碳18～20%、氟硼酸钾16～18%、尿素1.5～2.5%、稀土0.5～1.5%组成，首先将上述原料按照配比进行粉碎，搅拌均匀，然后加入适量粘结剂，制成颗粒状或者小圆柱状，烘干即得渗剂；步骤二、加热：井式炉对泵筒进行加热，当加热到600℃-700℃时，保温0.5-1.5小时后，继续加热到850℃-950℃时，保温3-5小时，在上述加热过程中，泵筒内的压力要始终保持在0.10～0.12MPa；三、冷却：当井式炉内的温度降至780℃-820℃时，降温和保温共1-2小时后，把泵筒吊入冷却筒中进行强制冷却至室温即可。

2.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于步骤一中所述渗剂由重量份的硼铁61%、木碳19%、氟硼酸钾17%、尿素2%、稀土1%组成。

3.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述步骤一中硼铁的含硼量至少为19%。

4.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述粘结剂为有机粘结剂。

5.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述步骤二、加热：井式炉对泵筒进行加热，当加热到650℃时，保温1小时后，继续加热到880℃时，保温4小时，在上述加热过程中，泵筒内的压力要始终保持在0.10～0.12MPa。

6.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述步骤三、冷却：当井式炉内的温度降至800℃时，降温和保温共1.5小时后，把泵筒吊入冷却筒中进行强制冷却至室温即可。

7.根据权利要求1或者6所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述步骤三中在泵筒被吊出井式炉时，泵筒内的压力等于外界大气压。

8.根据权利要求1或者6所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述步骤三中强制冷却时用室温风冷即可。

9.根据权利要求1所述泵筒的化学热处理方法，其特征在于所述井式炉包括炉体、炉胆和连接管，在所述炉胆的端口处设有球形泵筒吊具，所述连接管贯穿球形泵筒吊具，其下端与泵筒活动连接，上端连接有控压节流阀，所述控压节流阀通过连接管与所述泵筒连通。