CN104775144B - 一种铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，步骤如下：采用普通直流或交流微弧氧化电源，工件铝合金钻杆连接电源的阳极，阴极采用普通的铅板或不锈钢板，将工件和阴极一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液温度控制在20‑50℃，加入经过靶向诱导处理的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或多种，在3‑30A/dm2的电流密度下，溶液中的陶瓷粉末到达铝合金钻杆表面，在钻杆表面制备出含有碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜，该微弧氧化陶瓷膜层致密度提高，硬度增加。本发明有利于提高铝钻杆表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延长铝合金钻杆的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井用铝合金钻杆表面微弧氧化陶瓷膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，适用于在石油钻井用铝合金钻杆表面制备含有与膜层冶金结合的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜。
背景技术
随着现代经济高速发展，我国浅层易开发石化能源存量迅速衰减，油气资源勘探开发对象已更多面对深部复杂油气藏。随着深井与超深井、水平与大位移井、高含H2S等复杂特殊井大量出现，钻柱工况条件严重恶化。钻机负荷大，摩阻扭矩高，抗酸腐蚀能力差，钻具事故频发，钻井效率低，已严重影响钻井工程的安全、效率和经济效益。利用材料工程技术对钻具进行材质改善，可提高钻具安全使用寿命及可靠性，充分发挥钻机效能，提高钻井效率。选用铝合金钻杆代替钢钻杆减少了钻柱重量，是发挥钻机效能的一种有效技术手段。但铝质材料的表面硬度比钢材表面硬度约低1-2倍,必须提高铝合金钻杆使用时的抗磨损性能，才能充分发挥其重量轻、强度高、抗酸蚀的优点。利用微弧氧化技术在普通铝合金表面制备具有耐磨、耐蚀性能膜层的技术已基本成熟，但石油钻井用铝合金钻杆表面制备微弧氧化陶瓷膜的研究还不多见。目前在微弧氧化溶液中添加一种或多种经过靶向诱导处理的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉，在石油钻井用铝合金钻杆表面制备含有碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，该方法原理可靠，操作简便，直接在普通微弧氧化溶液中添加经过靶向诱导处理的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或多种，采用普通微弧氧化技术即可在石油钻井用铝合金钻杆表面制备含有碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜。通过掺杂上述陶瓷微粉使在铝钻杆表面所制备的微弧氧化陶瓷膜层致密度提高，硬度增加，有利于提高铝钻杆表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延长铝合金钻杆的使用寿命。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，步骤如下：采用普通直流或交流微弧氧化电源，工件铝合金钻杆连接电源的阳极，阴极采用普通的铅板或不锈钢板，将工件和阴极一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液温度控制在20-50℃，然后在微弧氧化溶液中加入经过靶向诱导处理的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或多种，采用可调速机械搅拌来保证碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉均匀分散、氧化溶液温度均匀。在3-30A/dm2的电流密度下，阳极正电荷的电场吸引力使溶液中的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或多种陶瓷粉末到达铝合金钻杆表面，陶瓷粉末在微弧氧化电弧的瞬时高温烧结重熔作用下与铝合金钻杆表面已形成的微弧氧化陶瓷膜形成冶金结合，从而在钻杆表面制备出含有碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜。
所述微弧氧化溶液为微弧氧化领域通用的氢氧化钾体系、硅酸盐体系、磷酸盐体系、氢氧化钠体系溶液或上述溶液的混合体系。
所述靶向诱导处理为先将碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉用无水酒精清洗，晾干后在温度为45-80℃的低温等离子体中处理20-30分钟。
所述碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉粒度及添加量为：
碳化钛微粉，粒度3-5μm，添加量5-30g/L；
碳化硼微粉，粒度10-35μm，添加量10-50g/L；
氮化硼微粉，粒度1-3μm，添加量1-10g/L；
氮化铬微粉，粒度45-55μm，添加量5-20g/L。
所述可调速机械搅拌为20-400rpm，根据粉末配比及溶液配方确定。
本发明适用于在石油钻井用铝合金钻杆表面制备含有与膜层冶金结合的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜，所制备的微弧氧化陶瓷膜层致密度提高，硬度增加，有利于提高铝钻杆表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延长铝合金钻杆的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，本发明所涉及的范围并非仅限于这五个实施例。
实施例1
截取一根0.5m长的石油钻井用铝合金钻杆，制备50μm厚的掺杂碳化钛陶瓷微粉的微弧氧化陶瓷膜。采用100L去离子水配制好磷酸盐溶液，氧化时加入粒度为4μm，添加量为20g/L的碳化钛陶瓷微粉，靶向诱导处理等离子温度50℃，时间20分钟。采用普通直流微弧氧化电源，电流密度为6A/dm2，搅拌速度为30rpm。
实施例2
截取一根0.5m长的石油钻井用铝合金钻杆，制备30μm厚的掺杂碳化硼陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去离子水配制好的硅酸盐溶液，氧化时加入粒度为25μm，添加量为15g/L的碳化硼陶瓷微粉，靶向诱导处理等离子温度70℃，时间25分钟。采用普通直流氧化电源，电流密度为15A/dm2，搅拌速度为100rpm。
实施例3
截取一根0.5m长的石油钻井用铝合金钻杆，制备35μm厚的掺杂氮化硼陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去离子水配制好的硅酸盐和氢氧化钾混合溶液，氧化时加入粒度为2μm，添加量为5g/L的氮化硼陶瓷微粉，靶向诱导处理等离子温度45℃，时间20分钟。采用普通交流氧化电源，电流密度为4A/dm2，搅拌速度为25rpm。
实施例4
截取一根0.5m长的石油钻井用铝合金钻杆，制备55μm厚的掺杂氮化铬陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去离子水配制好的硅酸盐和氢氧化钠混合溶液，氧化时加入粒度为50μm、添加量为20g/L氮化铬陶瓷微粉，靶向诱导处理等离子温度75℃，时间30分钟。采用普通直流氧化电源，电流密度为30A/dm2，搅拌速度为300rpm。
实施例5
截取一根0.5m长的石油钻井用铝合金钻杆，制备45μm厚的掺杂碳化钛、氮化铬陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去离子水配制好的硅酸盐和磷酸盐混合溶液，氧化时加入粒度为3μm、添加量为10g/L碳化钛陶瓷微粉，粒度为45μm、添加量为20g/L的氮化铬陶瓷微粉，靶向诱导处理等离子温度75℃，时间25分钟。采用普通直流氧化电源，电流密度为25A/dm2，搅拌速度为200rpm。
Claims (2)
1.一种铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，步骤如下：采用普通直流或交流微弧氧化电源，工件铝合金钻杆连接电源的阳极，阴极采用普通的铅板或不锈钢板，将工件和阴极一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液温度控制在20-50℃，然后在微弧氧化溶液中加入经过靶向诱导处理的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或多种，在3-30A/dm2的电流密度下，阳极正电荷的电场吸引力使溶液中的碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉中的一种或多种陶瓷粉末到达铝合金钻杆表面，陶瓷粉末在微弧氧化电弧的瞬时高温烧结重熔作用下与铝合金钻杆表面已形成的微弧氧化陶瓷膜形成冶金结合，从而在钻杆表面制备出含有碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉的一种或几种的微弧氧化陶瓷膜；所述靶向诱导处理为先将碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉用无水酒精清洗，晾干后在温度为45-80℃的低温等离子体中处理20-30分钟；所述碳化钛、碳化硼、氮化硼和氮化铬陶瓷微粉粒度及添加量为：
碳化钛微粉，粒度3-5μm，添加量5-30g/L，
碳化硼微粉，粒度10-35μm，添加量10-50g/L，
氮化硼微粉，粒度1-3μm，添加量1-10g/L，
氮化铬微粉，粒度45-55μm，添加量5-20g/L。
2.如权利要求1所述的铝合金钻杆表面微弧氧化膜掺杂陶瓷微粉的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化溶液为微弧氧化领域通用的氢氧化钾体系、硅酸盐体系、磷酸盐体系、氢氧化钠体系溶液或上述溶液的混合体系。
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