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鉆頭及渦輪鉆具軸承組件MoS2滑化處理研究

   軸承組件是牙輪鉆頭距档、渦輪鉆具最關(guān)鍵和最薄弱的環(huán)節(jié)觉既,其主要的失效形式是膠合昂羡,亦即嚴(yán)重的粘著磨損。膠合的特征是軸承滑動(dòng)面沿摩擦方向形成撕痕鸣皂、刮擦抓谴、涂抹和粘焊。粘著磨損一開始可能是輕微的和局部的维瑰,如果引起膠合的因素未解除并繼續(xù)惡化押恢,則膠合將迅速擴(kuò)展。

膠合開始發(fā)生在軸承組件摩擦面潤(rùn)滑油膜遭到破壞而形成金屬直接接觸的部位茶窍,摩擦面粘著區(qū)沿摩擦方向受到剪切而撕傷穿侵、咬焊甚至卡死,造成井下渦輪鉆具或牙輪鉆頭徹底失效扫帝。膠合的條件首先是油膜破裂夹恨,然后才是兩金屬面的接觸粘焊。

在苛刻嚴(yán)酷的工況條件下敏卦,受尺寸和結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制,牙輪鉆頭枚林、渦輪鉆具的軸承組件無(wú)法得到充分潤(rùn)滑米鹏,這是膠合初始發(fā)生和擴(kuò)展的主要原因之一。現(xiàn)文擬對(duì)牙輪鉆頭郭菜、渦輪鉆具軸承組件表面進(jìn)行MoS2滑化處理栗哥,在軸承表面形成優(yōu)異而特殊的滑化薄膜,在高速重載下發(fā)揮其優(yōu)異的減摩及抑制膠合的功效勘伺。

1 滑化處理前試件的準(zhǔn)備

試件采用牙輪鉆頭和渦輪鉆具軸承組件常用的優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼跪腹,其化學(xué)成分見表1褂删。


表1試件及化學(xué)成分%

用優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼制造的試件參照GB12444.1-90《金屬摩擦磨損試驗(yàn)方法MM型試驗(yàn)機(jī)試樣規(guī)范》。上冲茸、下試樣滑化處理前進(jìn)行滲碳滲硼處理屯阀,這是為了考察MoS2滑化處理對(duì)其他處理的影響,并使試件得到初始強(qiáng)化轴术。上难衰、下試件預(yù)備處理規(guī)程如下。

a)滲碳RJJ-75型井式爐逗栽,930℃盖袭,12h滲碳,入石棉箱自然冷卻彼宠。滲碳層深1.5~2.0 mm鳄虱,表層碳濃度0.90%~1.05%,表面硬度HRC59~62凭峡。
b)回火180~190℃拙已,保溫4h。
c)滲硼氣氛爐內(nèi)910℃萝轰,6h固體滲硼推吼,滲硼層深0.08~0.10mm,滲硼組織為單相Fe2B疹咕。
d)淬火保護(hù)氣氛爐中加熱至820 ~830℃贮殊,保溫2h,淬入90℃油中铲恃。
e)回火180℃夫咏,3h回火。
f)清理性噴砂四雏。

2 MoS2滑化處理的依據(jù)

滑化處理是在軸承組件試件表面形成結(jié)合牢固勿见,摩擦學(xué)性能優(yōu)異的MoS2滑化膜,發(fā)揮減摩和抑制膠合發(fā)生的功效百擒。MoS2滑化處理有其試驗(yàn)基礎(chǔ)资村,也有其理論依據(jù)。

首先仍桌,對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承及渦輪鉆具止推軸承粘著磨損的研究表明为猩,摩擦因數(shù)f、粘著摩擦總力F忱叭、載荷隔崎、速度、摩擦熱溫升與膠合是邏輯相關(guān)的;粘著摩擦力主要由摩擦表面凸峰變形阻力爵卒、磨損顆粒及硬質(zhì)點(diǎn)壓碾犁削力虚缎、凸峰粘焊親合力及滑動(dòng)表面的粘著剪切力組成[1]。

F=Aτ钓株,(1)

式中实牡,A為實(shí)際接觸面積;F為粘著摩擦總力享幽;τ為粘著點(diǎn)的總剪應(yīng)力铲掐。

粘著凸峰的形變?yōu)樗苄宰冃危谑怯校?

A=F′/σm值桩,(2)

式中摆霉,F(xiàn)′為載荷;σm為材料的塑性流變應(yīng)力奔坟。

而摩擦因數(shù)f=F/F′携栋。結(jié)合式(1)和式(2)有f=τ/σm≠撕担可見船庐,材料的抗剪切強(qiáng)度愈低,抗壓強(qiáng)度愈高地捂,則摩擦因數(shù)愈小羽捻。這也是近年牙輪鉆頭軸承材料由軟向硬過(guò)渡的依據(jù),如硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用[2]滤重,鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的應(yīng)用[5]酣疏,H13鋼的應(yīng)用[3]。

MoS2的抗壓強(qiáng)度與合金鋼接近鲫庆,而抗剪強(qiáng)度卻低得多诬曙,所以MoS2滑化膜的摩擦因數(shù)極小。

MoS2的減摩與其內(nèi)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切掏榜。MoS2晶體結(jié)構(gòu)和石墨一樣霹孙。屬六方晶系鱗片狀晶體,如圖1所示络兜,為層狀結(jié)構(gòu)辐赞,每個(gè)MoS2分子層又分為3個(gè)原子層,中間是Mo原子層硝训,上下是S原子層响委,每個(gè)Mo原子被6個(gè)S原子包圍,只有S原子暴露在分子層的表面捎迫,每個(gè)分子層的厚度為6.26。


圖1MoS2結(jié)構(gòu)情況

由于Mo原子與S原子結(jié)合力強(qiáng)表牢,而S原子之間相互結(jié)合力弱窄绒。故MoS2分子層之間產(chǎn)生一個(gè)剪切力平面贝次,當(dāng)分子之間受到切應(yīng)力時(shí),沿分子層很容易產(chǎn)生斷裂彰导,形成滑移面蛔翅,如圖2所示。每微米的MoS2滑化膜存在1 660個(gè)分子層位谋。這些眾多的滑移面使得金屬表面的直接摩擦運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為MoS2分子層之間的相對(duì)滑動(dòng)山析,層序減緩了摩擦剪切力,降低了摩擦因數(shù)掏父,抑制了膠合羽嘉,減輕了磨損。其功能類似于動(dòng)物關(guān)節(jié)接合處的骨頭膜的軟組織鹏亥,故稱做MoS2滑化處理反腺。


圖2MoS2滑化膜受剪切時(shí)產(chǎn)生的層滑移

研究表明,MoS2和軸承試件之間不是化學(xué)結(jié)合脾飘,而是機(jī)械錨固締合聊浊。在分子層相對(duì)滑移和摩擦過(guò)程中,MoS2能自動(dòng)被離析而擠入對(duì)磨表面的凹坑短连。又因S原子與金屬有較強(qiáng)的親合力斩缘,故可使MoS2與金屬表面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用。在潤(rùn)滑條件下根术,摩擦因數(shù)會(huì)更低泳隶。

MoS2潤(rùn)滑膜可耐pmax為35 MPa的極限壓力和vmax為40 m/s的極限速度[4],表現(xiàn)出極高的pv值和較好的高速重載性蜘傻。

MoS2在室溫至350 ℃區(qū)間绷咳,物理、化學(xué)及摩擦學(xué)特征很穩(wěn)定琅翻,400 ℃時(shí)開始氧化位仁,溫度更高時(shí)性能才開始惡化。而牙輪鉆頭方椎、渦輪鉆具軸承工作溫度遠(yuǎn)低于350 ℃聂抢,故處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

3 MoS2滑化處理

MoS2滑化處理的工藝流程為去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸漬棠众。目前較成熟的滑化處理工藝有噴涂法琳疏、水煮法和刷涂法3種。

3.1噴涂法

80g的MoS2粉末闸拿,7g石墨粉末空盼,50g水玻璃和60mL水配成滑化液,用噴槍噴至經(jīng)噴砂及清洗的試件表面,噴厚0.3mm揽趾。入箱烘干2h台汇,然后升溫至140℃烘烤2h。出爐后再清洗并浸入CS2液中篱瞎。得到藍(lán)色光澤的MoS2滑化膜苟呐,即完成噴涂滑化處理。

3.2水煮法

取100g的MoS2粉末遥局,紗布包裹付箩,置于瓷制煮皿,加水400mL莽烫,將試件浸入其中瞭谴。加熱至95~100℃,1h魄蔗,清洗后浸入CS2液中寒肋,并在熱氣氛中干燥,即完成水煮法滑化處理肆洽。

3.3刷涂法

將MoS2粉末用丙酮調(diào)成糊狀易麻,用毛刷涂在試件表面,刷厚1.5 mm社咒,晾干刷去疏松層秽祷,入箱115 ℃,1h烘干位俩,清洗后入CS2液中矗寂,即完成刷涂滑化處理。

4 滑化膜性能測(cè)試

4.1滑化膜厚度測(cè)定及分析

試件經(jīng)不同滑化處理方法處理后勇蝙,用磁阻法測(cè)定滑化膜厚度沫勿,其結(jié)果列于表2


表2不同材料不同工藝滑化處理的膜厚μm

由表2可知,刷涂滑化處理可得到較厚的MoS2滑化膜味混,對(duì)試件W18Cr4V滑化膜測(cè)試及分析表明产雹,試件成膜的厚度和材料中W、Cr翁锡、Ni蔓挖、V等合金元素的含量有關(guān)。這是因?yàn)檫@些合金元素的電負(fù)性均小于鐵馆衔,與硫原子之間有更強(qiáng)的親合力瘟判。

4.2硬度測(cè)試及分析

用維氏顯微硬度儀測(cè)試經(jīng)MoS2滑化處理后試件的表面硬度,測(cè)定結(jié)果與滑化處理前的硬度值無(wú)差異角溃。這是因?yàn)?~4 μm厚的滑化膜不至于影響試件預(yù)處理所獲得的硬度值拷获±撼牛滑化處理對(duì)其他處理方法無(wú)排它性。然而匆瓜,正是那極薄的MoS2滑化膜锯忱,乃是一層性能優(yōu)良的固體潤(rùn)滑膜,具有優(yōu)異的減摩抗粘功能健吃。

4.3MM-200型磨損機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

以不同材料,經(jīng)不同工藝處理的上锨圣、下試件裝于MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)陕绢,20號(hào)機(jī)油點(diǎn)滴潤(rùn)滑。試驗(yàn)結(jié)果見表3骗采〈尘荆可見,經(jīng)MoS2滑化處理的試件表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能词趾。經(jīng)MoS2滑化處理的試件避某,在Falex試驗(yàn)機(jī)和Amsler試驗(yàn)機(jī)上同樣表現(xiàn)出優(yōu)良的減摩性和抗膠合性。


表3在MM-200型試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼滑動(dòng)軸承或止推軸承审陌,經(jīng)滲碳蚯垫、滲硼或其他硬化強(qiáng)化處理后,通過(guò)MoS2滑化處理疤格,在其表面形成厚約1~4 μm的MoS2滑化薄膜咳碰,由于其特異的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)特性圾笨。它的摩擦因數(shù)極小教馆,耐高壓、耐高速及具有較高的極限pv值擂达,而且對(duì)原處理無(wú)任何影響土铺。類似于骨關(guān)節(jié)接頭硬骨端部的軟質(zhì)薄層,是一種極好的固體潤(rùn)滑膜板鬓。與基體材料有較強(qiáng)的吸附成膜能力悲敷,而且層間有較低的剪切強(qiáng)度,使摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)部穗熬。其優(yōu)異的減摩抗粘著性能镀迂,必然能有效地保障牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承及渦輪鉆具止推軸承的潤(rùn)滑性、可靠性和使用壽命唤蔗,相應(yīng)提高了鉆具的耐用度和使用壽命探遵。這點(diǎn)對(duì)于機(jī)械鉆速和鉆井時(shí)效的提高均具有積極的意義。

作者簡(jiǎn)介:賈文杰(1969-)妓柜,男箱季,陜西韓城人棕健,塔西南勘控開發(fā)公司助理工程師,從事石油鉆采機(jī)械失效分析及其對(duì)策研究雳雄。
作者單位:賈文杰鄭權(quán)方:塔西南勘探開發(fā)公司 安全環(huán)保部秕肚,新疆 澤普 844804;
李慶梅:西安石油學(xué)院 機(jī)械系匙久,陜西 西安 710065


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