CN104862697A

CN104862697A - 一种自润滑耐磨柱塞表面及制备方法

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Publication number: CN104862697A
Application number: CN201510283647.4A
Authority: CN
Inventors: 张军
Original assignee: Prosperous Luxuriant Nat's Composite Solid Lubricant Engineering Co Ltd Difficult To Understand In Shandong
Current assignee: Shaanxi Yuntai Industrial Integration Technology Co., Ltd; XI'AN AONAITE SOLID LUBRICATION ENGINEERING RESEARCH Co.,Ltd.
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: CN104862697B

Abstract

本发明提供一种自润滑耐磨柱塞表面及制备方法。该方法是将合金粉末熔覆在柱塞表面形成一层合金覆层；所述的合金覆层厚度0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm。所述的合金粉末的化学成分的质量百分比为碳0.2%～7.5%、铬13%～18%、镍2%～14%、锰1%～2%、钼1%～5%、硼1.5%～2.5%、硅0.5%～1.5%、稀土氧化物2%～5%、碳化钨5%～45%，其余为铁。本发明通过采用激光熔覆工艺在基材碳钢表面熔覆一层合金粉末后通过车削进行粗加工，然后利用超声波压光工艺进行表面精加工获得具有自润滑抗磨损和抗腐蚀性能的柱塞表面。这种柱塞表面具有高硬度抗磨损性能、良好的抗腐蚀性能、自润滑性能以及制造工艺对环境无污染的特性。

Description

一种自润滑耐磨柱塞表面及制备方法

技术领域

本发明涉及一种柱塞式柱塞表面，特别是一种自润滑耐磨柱塞表面及制备方法。

背景技术

柱塞是柱塞泵的关键零件之一。油田注水泵所采用的水源大多为采出后未经过处理的污水，其中含有原油、固体悬浮颗粒、无机盐离子、细菌等，另外所注水的PH值较高。在柱塞泵运转过程中，柱塞始终与液体接触，并与盘根摩擦。由于柱塞泵工作在液流的交变压力、液流冲刷、摩擦温升、机械交变应力等共同作用的恶劣工况下，柱塞表面以拉伤、腐蚀和剥离等形式发生磨损而失效，导致漏失严重、泵效低和检修频繁。目前柱塞泵柱塞表面为电镀铬覆层。电镀铬工艺对环境污染严重；电镀铬在油田注水泵所处的恶劣环境中易造成鼓泡、龟裂、脱落等现象。造成柱塞表面磨损的机理主要为磨粒磨损、疲劳磨损和电化学腐蚀磨损。在柱塞泵柱塞表面制备出良好的耐腐蚀性能、抗磨粒磨损性能和抗疲劳磨损性能的表层，同时与盘根之间具有较低的摩擦系数才能实现延长柱塞式注水泵寿命、降低注水泵能耗，减少停机检修次数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是：提供一种自润滑耐磨柱塞表面及制备方法。这种柱塞表面具有高硬度抗磨损性能、良好的抗腐蚀性能、自润滑性能以及制造工艺对环境无污染的特性。

本发明的技术方案是：一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：将合金粉末熔覆在柱塞表面形成一层合金覆层；所述的合金覆层厚度0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm。

所述的合金粉末是由以下质量百分比化学元素组成：碳0.2%～7.5%、铬13%～18%、镍2%～14%、锰1%～2%、钼1%～5%、硼1.5%～2.5%、硅0.5%～1.5%、稀土氧化物2%～5%、碳化钨5%～45%，其余为铁。

所述的一种自润滑耐磨柱塞表面的制备方法是：先喷砂；喷砂后将合金粉末通过激光熔覆工艺熔覆在柱塞基材表面；再通过车削进行粗加工，然后通过超声波压光工艺对柱塞基材表面进行精加工，最后在柱塞基材表面得到一层厚度为0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm的合金覆层。

所述的碳元素是通过石墨粉和金属包覆石墨粉的形式添加于合金粉末中。

所述的金属包覆石墨粉是镍包石墨粉。

所述的合金粉末的原料组成是：质量百分比为石墨粉2%、铬粉15%、镍粉6%、锰粉1.2%、钼粉2.5%、硼粉1.8%、硅粉1%、稀土氧化物粉4%、碳化钨粉15%，镍包石墨粉8%，其余为铁粉。

所述将合金粉末通过激光熔覆工艺熔覆在柱塞基材表面时的合金层激光熔覆厚度为0.5mm～3mm；车削进行粗加工后覆层厚度为0.3mm～2.5mm，表面粗糙度Ra 0.8～3.2μm。

本发明的有益效果是柱塞表面具有良好的抗腐蚀性能，自润滑性能和耐磨损性能。采用激光熔覆制备的合金覆层与基体以冶金方式结合，具有良好的结合强度。熔覆用合金粉末中添加稀土氧化物以细化晶粒，提高了基体强度和韧性，碳化钨提高抗磨粒磨损性能，游离石墨的存在使得柱塞表面具有自润滑性能同时提高抗黏着磨损性能。金属包覆石墨粉可以使石墨与其它粉末混合均匀，在激光熔覆时，也不容易烧损。超声波表面压光工艺替代磨工艺，可以经济的获得较低的表面粗糙度，同时在表面产生压应力提高了抗疲劳磨损性能。用此方法制备的柱塞能显著提高其使用寿命。

具体实施方式

实施例1

一种自润滑耐磨柱塞表面是将合金粉末熔覆在柱塞表面形成一层合金覆层；所述的合金覆层厚度0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm。

实施例2

在实施例1的基础上，所述的合金粉末是由以下质量百分比化学元素组成：碳0.2%、铬13%、镍2%、锰1%、钼1%、硼1.5%、硅0.5%、稀土氧化物2%、碳化钨5%，其余为铁。

实施例3

在实施例1的基础上，所述的合金粉末是由以下质量百分比化学元素组成：碳5%、铬15%、镍8%、锰1.5%、钼3%、硼2%、硅1%、稀土氧化物3%、碳化钨30%，其余为铁。

实施例4

在实施例1的基础上，所述的合金粉末是由以下质量百分比化学元素组成：碳7.5%、铬18%、镍14%、锰2%、钼5%、硼2.5%、硅1.5%、稀土氧化物5%、碳化钨45%，其余为铁。

实施例5

一种自润滑耐磨柱塞表面的制备方法是：先喷砂，将碳钢柱塞毛坯表面进行喷砂处理，除去表面氧化物；喷砂后将合金粉末通过激光熔覆工艺熔覆在柱塞基材表面，熔覆层厚度为0.5mm～3mm；再通过车削进行粗加工，覆层厚度为0.3mm～2.5mm，表面粗糙度Ra 0.8～3.2μm；然后通过超声波压光工艺对柱塞基材表面进行精加工，最后在柱塞基材表面得到一层厚度为0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm的合金覆层。

所述的合金粉末的制备方法是：

（1）按以下质量百分比称取原料：质量百分比为石墨粉2%、铬粉15%、镍粉6%、锰粉1.2%、钼粉2.5%、硼粉1.8%、硅粉1%、稀土氧化物粉4%、碳化钨粉15%，镍包石墨粉8%，其余为铁粉。

上述粉末原料中铁粉、铬粉、镍粉、锰粉、钼粉、硼粉和硅粉粒度不大于74μm，纯度不低于99%；石墨粉粒度不大于44μm，纯度不低于99%。稀土氧化物粉和镍包石墨粉粒度不低于38μm；碳化钨粉粒度不大于500nm。

（2）将上述配方量的原料混合后在高能球磨机上进行球磨；其球磨工艺为：球为GCr15材质，粒径为10mm，球料重量比为1:1至1:2，转速450转/分，球磨时间为2小时至6小时；即得本发明的合金粉末。

上述制得的合金粉末的化学成分（质量百分比）均在下述的范围内：碳0.2%～7.5%、铬13%～18%、镍2%～14%、锰1%～2%、钼1%～5%、硼1.5%～2.5%、硅0.5%～1.5%、稀土氧化物2%～5%、碳化钨5%～45%，其余为铁。

实施例6

一种自润滑耐磨柱塞表面制备步骤如下：

步骤1：喷砂。将碳钢柱塞毛坯表面进行喷砂处理，除去表面氧化物，同时获得合适的粗糙度。

步骤2：激光熔覆。利用激光熔覆制备柱塞表面覆层。激光熔覆工艺为：激光功率3500W，光斑尺寸3mm×12mm，扫描速度500mm/min，送粉速度7g/min，熔覆厚度约为1.2mm。所用合金粉末组成为（质量百分比）为石墨粉2%、铬粉15%、镍粉6%、锰粉1.2%、钼粉2.5%、硼粉1.8%、硅粉1%、稀土氧化物粉4%、碳化钨粉15%，镍包石墨粉8%，其余为铁粉。

步骤3：车削。将激光熔覆合金层进行粗车、精车，车削后合金覆层厚度大于0.8mm，表面粗糙度Ra 3.2μm。

步骤4：超声波表面压光。超声波表面压光工艺尺寸余量为0.02mm，超声波功率1.2kW，频率30kHz。

以上方法制备的柱塞表面覆层厚度大于0.8mm、柱塞表面粗糙度Ra 0.25μm，硬度HRC58。

实施例7

一种自润滑耐磨柱塞表面制备步骤如下：

步骤2：激光熔覆。利用激光熔覆制备柱塞表面覆层。激光熔覆工艺为：激光功率3500W，光斑尺寸3mm×12mm，扫描速度350mm/min，送粉速度13g/min，熔覆厚度约为2.5mm。所用合金粉末组成为（质量百分比）为石墨粉2%、铬粉16%、镍粉12%、锰粉2%、钼粉4%、硼粉2.0%、硅粉1.5%、稀土氧化物粉4 %、碳化钨粉35%，镍包石墨粉6%，其余为铁粉。

步骤3：车削。将激光熔覆合金层进行粗车、精车，车削后合金覆层厚度大于2.0mm，表面粗糙度Ra 3.2μm。

步骤4：超声波表面压光。超声波表面压光工艺尺寸余量为0.03mm，超声波功率1.2kW，频率30kHz。

以上方法制备的柱塞表面覆层厚度大于0.8mm、柱塞表面粗糙度Ra 0.3μm，硬度HRC63。

本发明中的稀土氧化物的主成分为氧化镧和氧化铈。上述的原料均可以从市场上直接购得。

本实施例没有详细叙述工艺步骤均属于本行业的公知手段，这里不一一叙述。

Claims

1.一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：将合金粉末熔覆在柱塞表面形成一层合金覆层；所述的合金覆层厚度0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm。

2.根据权利要求1所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：所述的合金粉末是由以下质量百分比化学元素组成：碳0.2%～7.5%、铬13%～18%、镍2%～14%、锰1%～2%、钼1%～5%、硼1.5%～2.5%、硅0.5%～1.5%、稀土氧化物2%～5%、碳化钨5%～45%，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：它的制备方法是：先喷砂；喷砂后将合金粉末通过激光熔覆工艺熔覆在柱塞基材表面；再通过车削进行粗加工，然后通过超声波压光工艺对柱塞基材表面进行精加工，最后在柱塞基材表面得到一层厚度为0.3mm～2.5mm，硬度为45HRC～65HRC，表面粗糙度Ra 0.1～0.6μm的合金覆层。

4.根据权利要求2所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：所述的碳元素是通过石墨粉和金属包覆石墨粉的形式添加于合金粉末中。

5.根据权利要求4所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：所述的金属包覆石墨粉是镍包石墨粉。

6.根据权利要求2所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：所述的合金粉末的原料组成是：质量百分比为石墨粉2%、铬粉15%、镍粉6%、锰粉1.2%、钼粉2.5%、硼粉1.8%、硅粉1%、稀土氧化物粉4%、碳化钨粉15%，镍包石墨粉8%，其余为铁粉。

7.根据权利要求3所述的一种自润滑耐磨柱塞表面，其特征在于：所述将合金粉末通过激光熔覆工艺熔覆在柱塞基材表面时的合金层激光熔覆厚度为0.5mm～3mm；车削进行粗加工后覆层厚度为0.3mm～2.5mm，表面粗糙度Ra 0.8～3.2μm。