CN110131158A - 纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法 - Google Patents

纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，包括缸套本体，所述缸套本体的内孔的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层，纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，包括如下步骤：锻造，锻造后正火处理；粗车；热处理；精车；磨内孔；绗磨内孔；施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层；镀后的缸套本体经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。本发明的保护层与金属基体间结合力高、耐磨性能优异、镀后不改变基体金属的尺寸精度和表面粗糙度，无需二次加工，污染低，效率高、节省贵重合金材料，整体成本接近双金属缸套，性能接近陶瓷缸套，具有突出的性价比。

Description

纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法
技术领域
本发明涉及到泥浆泵技术领域，特别涉及纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法。
背景技术
泥浆泵是油田钻井修井时泥浆循环的核心装备，泥浆泵缸套是泥浆泵液力端的重要易磨损件，泥浆泵缸套的工作寿命直接影响泥浆泵的综合性能。缸套不仅要有足够的强度和刚性，而且还必须耐高温、耐腐蚀、耐磨损。目前已有的泥浆泵缸套主要有如下几种：
单金属缸套：整体由单一合金钢制成，缸套内表面经过渗碳和高频热处理，表面硬度可达HRC58左右。其缺陷为：（1）缸套内壁耐磨性不好，服务寿命低；（2）不能适应当今主流钻井工况要求，已经基本淘汰。
双金属缸套：外套采用优质碳素钢车削、磨削成型，内套采用高铬铸铁离心浇铸再加工而成，外套提供工作强度，内套（壁厚10-12毫米）经热处理之后硬度达到HRC60以上，能承受7500psi的泥浆压力，提供耐磨性能。成本适中，使用广泛。其缺陷为：（1）结构复杂，对内外套的过盈配合安装要求高，有内套脱出的技术隐患；（2）加工线路长：内外套都需要进行磨削加工以保证配合精度要求；硬度极高的高铬铸铁需要二次加工并且需要绗磨，工作效率低；（3）环境污染：高铬铸铁内套的冶炼加工过程中含铬粉尘的污染非常严重。
陶瓷缸套：采用氧化锆、氧化锆增韧氧化铝（ZTA）、高性能A-99氧化铝陶瓷等材料体系。采用高纯纳米氧化锆和氧化铝微粉原材料，经先进的冷压工艺一次成型、高温烧结、装配，最后经高精度研磨抛光而成。陶瓷内套壁厚4-12毫米，具有很高的抗折、抗张强度，及耐酸碱腐蚀性能。其缺陷为：（1）成本高昂；（2）生产效率低——耐磨陶瓷内套的高精度研磨抛光费时费力。（3）粉尘污染——陶瓷生产过程中产生大量污染性粉尘。（4）性价比不高——在海上平台、丛林沙漠等物流困难地区才有应用优势。
喷涂缸套：即在金属外套的内表面通过等离子设备喷涂一层耐磨材料。其缺陷为：（1）生产成本高，需要等离子喷涂专用设备；（2）喷涂过程中产生高气孔率，结合力差；（3）加工困难，生产效率低：对内壁上耐磨涂层的磨削加工很困难；（4）性能不稳定且成本高，基本被淘汰。
公开号CN102052300A公开了一种泥浆泵用缸套及其制备方法，将合金材料覆着在缸套内壁，应用真空烧结技术，形成1.5mm的合金烧结层。烧结层材料选用高性能稀土镍基合金粉材添加微米级的硬质合金材料，提高烧结层整体的抗磨损性能，与本体金属基材结合强度好，烧结层洛氏硬度可达HRC:60-64。但是其存在如下缺陷：（1）高温烧结后涂层表面的粗糙度、同心度等远远达不到缸套成品的精度要求，烧结完成后必须在这层高硬度的耐磨金属陶瓷层上进行绗磨加工，这样做费时费力。（2）在1300°C高温下进行长达2-3小时的高温烧结。1300°C远远高于缸套金属基材的热相变温度（600-700°C），基体金属的金相组织必然发生巨大变化。另外烧结后在炉内经过数小时的随炉冷却，事实上是对缸套的金属基体材料进行了退火处理，缸套基体材料的机械性能乃至外形尺寸会大受影响。而这一切都是不可控的，这也是该技术一直以来在缸套制造行业不为接受的主要原因。（3）其保护层（金属陶瓷）厚度为0.5–1.5毫米，采用了铬、镍等贵重合金材料，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，在普通合金钢缸套本体内壁上镀覆一层具有特殊性能的纳米陶瓷复合电沉积保护层，该保护层与金属基体间结合力高、耐磨性能优异、镀后不改变基体金属的尺寸精度和表面粗糙度，无需二次加工，污染低，效率高、节省贵重合金材料，整体成本接近双金属缸套，性能接近陶瓷缸套，具有突出的性价比，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，包括缸套本体，所述缸套本体的内孔的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层。
进一步地，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层的厚度为0.1毫米。
进一步地，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）的镀液由如下以下重量份的各组分制成：微纳米碳化硅陶瓷颗粒150 -250 份、氧化钇 5-15份、氧化铈5-10份、铬酐10-25份、稳定剂0.25-0.5份。
本发明提供另一种技术方案：纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，包括如下步骤：
S1：锻造，选用中碳合金钢铸件或者锻件材料按照规范完成缸套毛坯的锻造，锻造后正火处理；
S2：粗车，按图纸粗车加工，各部留量3mm；
S3：热处理，调质处理，HBW285-325；
S4：精车，除内孔留磨量0.3-0.4mm外，其余各部尺寸和粗糙度按图纸要求车成；
S5：磨内孔，内径留出镀层裕量0.15 - 0.25mm；
S6：绗磨内孔，内径留出镀层裕量0.20 -0.30mm；
S7：施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层；
S8：镀后的缸套本体经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。
进一步地，S5的内孔全长锥度≤0.02mm，圆度≤0.03mm，内壁光洁度Ra0.8。
进一步地，S6的内孔内壁光洁度Ra0.2。
进一步地，S7的施镀工艺温度为40-60°C，电流15-30A/dm2，电压24-36V，时间5-6小时。
进一步地，S7还包括如下步骤：
S701：对内孔进行除油后采用热水清洗；
S702：再次采用流水冲洗；
S703：将缸套本体活化；
S704：将缸套本体放入槽中镀液施镀；
S705：镀后采用热水冲洗；
S706：将S705的缸套本体加热除氢。
进一步地，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层的镀液包括如下组份：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒 150 -250 份
氧化钇 5-15份
氧化铈 5-10份
铬酐 10-25份
稳定剂 0.25-0.5份。
进一步地，所述镀液由各组分混合均匀后经过电解活化形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明提出的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，合理的性价比组合，保护层为铬极纳米碳化硅陶瓷复合电沉积镀层，镀层结合力高，镀层是在40-60°C常温下施工，对缸套基体金属材料的机械性能、外形尺寸和精度都没有任何影响，硬度高达HRC70-72，耐磨性能突出，性能优于双金属缸套（接近陶瓷缸套），成本明显低于陶瓷缸套（接近双金属缸套）。
2. 本发明提出的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，镀层厚度仅仅为0.1毫米，节约大量铬、镍、锆等贵重合金材料。
3. 本发明提出的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，减少双金属缸套、陶瓷缸套、镍基合金缸套等生产过程中的粉尘污染和重金属污染。
4. 本发明提出的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，本发明的镀层厚度可以精确控制，粗糙度不低于Ra0.2，完全满足缸套最终成品的精度要求，无需对耐磨保护层上进行二次加工，避免了陶瓷缸套、双金属缸套在高耐磨性材料表面进行磨削加工的逻辑矛盾，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的泥浆泵缸套结构示意图。
图2为本发明的工艺流程图。
图中：1、缸套本体；11、内孔；2、纳米陶瓷复合电沉积保护层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，结构如图1，包括缸套本体1，所述缸套本体1的内孔11的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层2，纳米陶瓷复合电沉积保护层2的厚度为0.1毫米，节约大量铬、镍、锆等贵重合金材料，镀后的表面粗糙度满足现有缸套内壁粗糙度要求，尺寸满足缸套内径尺寸精度要求，纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，工艺流程如图2，其包括如下步骤：
步骤1：锻造，选用中碳合金钢铸件或者锻件材料按照规范完成缸套毛坯的锻造，不得存在夹杂、裂纹、气孔等锻造缺陷，锻造后正火处理；
步骤2：粗车，按图纸粗车加工，各部留量3mm；
步骤3：热处理，调质处理，HBW285-325；
步骤4：精车，除内孔留磨量0.3-0.4mm外，其余各部尺寸和粗糙度按图纸要求车成；
步骤5：磨内孔11，内径留出镀层裕量0.15-0.25mm，全长锥度≤0.02mm，圆度≤0.03mm，内壁光洁度Ra0.8；
步骤6：绗磨内孔11，内径留出镀层裕量0.20-0.30mm，内壁光洁度Ra0.2；
步骤7：施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2，施镀温度为40°C，电流15A/dm2，电压24V，时间5小时；
步骤8：镀后的缸套本体1经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。
纳米陶瓷复合电沉积保护层2的镀液由各组分混合均匀后经过电解活化形成，镀液包括如下组份：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒 150 g/L
氧化钇 15g/L
氧化铈 10g/L
铬酐 25g/L
稳定剂 0.5g/L。
施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2的工艺步骤如下：
第一步：对内孔11进行除油后采用热水清洗，除油是为了保证纳米陶瓷复合电沉积保护层2能更牢固的附在内孔11；
第二步：再次采用流水冲洗，将杂质冲走；
第三步：将缸套本体1活化，增加缸套本体1内孔表面的活性使其更好的进行施镀；
第四步：将缸套本体1放入槽中镀液施镀；
第五步：镀后采用热水冲洗；
第六步：将第五步的缸套本体1加热除氢，避免氢分子逸入基体金属金相组织中发生材料氢脆危险。
实施例2：
纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，包括缸套本体1，所述缸套本体1的内孔11的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层2，纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：锻造，按照规范完成缸套毛坯的锻造，不得存在夹杂、裂纹、气孔等锻造缺陷，锻造后正火处理；
步骤2：粗车，按图纸粗车加工，各部留量3mm；
步骤3：热处理，调质处理，HBW285-325；
步骤4：精车，除内孔留磨量0.3-0.4mm外，其余各部尺寸和粗糙度按图纸要求车成；
步骤5：磨内孔11，内径留出镀层裕量0.15-0.25mm，全长锥度≤0.02mm，圆度≤0.03mm，内壁光洁度Ra0.8；
步骤6：绗磨内孔11，内径留出镀层裕量0.20-0.30mm，内壁光洁度Ra0.2；
步骤7：施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2，施镀温度为50°C，电流23A/dm2，电压30V，时间5.5小时；
步骤8：镀后的缸套本体1经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。
纳米陶瓷复合电沉积保护层2的镀液由各组分混合均匀后经过电解活化形成，镀液包括如下组份：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒 200g/L
氧化钇 10g/L
氧化铈 8g/L
铬酐 18g/L
稳定剂 0.3g/L。
施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2的工艺步骤如下：
第一步：对内孔11进行除油后采用热水清洗，除油是为了保证纳米陶瓷复合电沉积保护层2能更牢固的附在内孔11；
第二步：再次采用流水冲洗，将杂质冲走；
第三步：将缸套本体1活化，增加缸套本体1内孔表面的活性使其更好的进行施镀；
第四步：将缸套本体1放入槽中镀液施镀；
第五步：镀后采用热水冲洗；
第六步：将第五步的缸套本体1加热除氢，避免氢分子逸入基体金属金相组织中发生材料氢脆危险。
实施例3
纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，包括缸套本体1，所述缸套本体1的内孔11的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层2，纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：锻造，按照规范完成缸套毛坯的锻造，不得存在夹杂、裂纹、气孔等锻造缺陷，锻造后正火处理；
步骤2：粗车，按图纸粗车加工，各部留量3mm；
步骤3：热处理，调质处理，HBW285-325；
步骤4：精车，除内孔留磨量0.3-0.4mm外，其余各部尺寸和粗糙度按图纸要求车成；
步骤5：磨内孔11，内径留出镀层裕量0.15-0.25mm，全长锥度≤0.02mm，圆度≤0.03mm，内壁光洁度Ra0.8；
步骤6：绗磨内孔11，内径留出镀层裕量0.20-0.30mm，内壁光洁度Ra0.2；
步骤7：施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2，施镀温度为60°C，电流30A/dm2，电压36V，时间6小时；
步骤8：镀后的缸套本体1经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。
纳米陶瓷复合电沉积保护层2的镀液由各组分混合均匀后经过电解活化形成，镀液包括如下组份：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒 250g/L
氧化钇 5g/L
氧化铈 5g/L
铬酐 10g/L
稳定剂 0.25g/L。
施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层2的工艺步骤如下：
第一步：对内孔11进行除油后采用热水清洗，除油是为了保证纳米陶瓷复合电沉积保护层2能更牢固的附在内孔11；
第二步：再次采用流水冲洗，将杂质冲走；
第三步：将缸套本体1活化，增加缸套本体1内孔表面的活性使其更好的进行施镀；
第四步：将缸套本体1放入槽中镀液施镀；
第五步：镀后采用热水冲洗；
第六步：将第五步的缸套本体1加热除氢，避免氢分子逸入基体金属金相组织中发生材料氢脆危险。
本发明与现有技术的对比优势如下：
（1）结构简单：本发明取消双金属缸套和陶瓷缸套的内外套结构，简化了加工装配的复杂工艺。
（2）生产效率高：本发明的镀层厚度可以精确控制，粗糙度不低于Ra0.2，完全满足缸套最终成品的精度要求，无需对耐磨保护层上进行二次加工，避免了陶瓷缸套、双金属缸套在高耐磨性材料表面进行磨削加工的逻辑矛盾，提高生产效率。磨削是在布氏硬度HB300左右的基体金属上进行，加工效率远远高于对硬质合金和耐磨陶瓷的绗磨。
（3）性能可靠：保护层为铬极纳米碳化硅陶瓷复合电沉积镀层，镀层结合力高，镀层是在40-60°C常温下施工，对缸套基体金属材料的机械性能、外形尺寸和精度都没有任何影响，硬度高达HRC70-72，耐磨性能突出，另外还有优异的耐腐蚀性能和自润滑性能，非常适合泥浆泵缸套的工作条件。
（4）节省合金材料：本发明的镀层厚度仅仅为0.1毫米，进一步节约了铬、镍等贵重合金材料，无需含铬、镍、锆等稀缺合金材料的厚壁内套。
综上所述，本发明提出的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套及其制备方法，在普通合金钢缸套本体内壁上镀覆一层具有特殊性能的纳米陶瓷复合电沉积保护层2，该保护层与金属基体间结合力高、耐磨性能优异、镀后不改变基体金属的尺寸精度和表面粗糙度，无需二次加工。污染低，效率高、节省贵重合金材料。整体成本接近双金属缸套，性能接近陶瓷缸套，具有突出的性价比。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，包括缸套本体（1），其特征在于，所述缸套本体（1）的内孔（11）的内壁上镀覆一层纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）。
2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）的镀液由如下以下重量份的各组分制成：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒150 -250 份、氧化钇 5-15份、氧化铈5-10份、铬酐 10-25份、稳定剂0.25-0.5份。
3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，其特征在于，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）的厚度为0.1毫米。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：锻造，选用中碳合金钢铸件或者锻件材料按照规范完成缸套毛坯的锻造，锻造后正火处理；
S2：粗车，按图纸粗车加工，各部留量3mm；
S3：热处理，调质处理，HBW285-325；
S4：精车，除内孔留磨量0.3-0.4mm外，其余各部尺寸和粗糙度按图纸要求车成；
S5：磨内孔（11），内径留出镀层裕量0.15 - 0.25mm；
S6：绗磨内孔（11），内径留出镀层裕量0.20 -0.30mm；
S7：施镀纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）；
S8：镀后的缸套本体（1）经过清洗和烘干后在外表面进行油漆涂装和标识，然后包装入库，完成生产流程。
5.根据权利要求4所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，其特征在于，S5的内孔（11）全长锥度≤0.02mm，圆度≤0.03mm，内壁光洁度Ra0.8。
6.根据权利要求4所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，其特征在于，S6的内孔（11）内壁光洁度Ra0.2。
7.根据权利要求4所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，其特征在于，S7的施镀工艺温度为40-60°C，电流15-30A/dm2，电压24-36V，时间5-6小时。
8.根据权利要求4所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，S7还包括如下步骤：
S701：对内孔（11）进行除油后采用热水清洗；
S702：再次采用流水冲洗；
S703：将缸套本体（1）活化；
S704：将缸套本体（1）放入槽中镀液施镀；
S705：镀后采用热水冲洗；
S706：将S705的缸套本体（1）加热除氢。
9.根据权利要求8所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套的制备方法，所述纳米陶瓷复合电沉积保护层（2）的镀液由如下重量组份组成：
微纳米碳化硅陶瓷颗粒150 -250 份、氧化钇 5-15份、氧化铈5-10份、铬酐10-25份、稳定剂0.25-0.5份。
10.根据权利要求8所述的纳米陶瓷复合电沉积镀覆保护的泥浆泵缸套，其特征在于，所述镀液由各组分混合均匀后经过电解活化形成。
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