牙輪鉆頭金屬端面密封表面強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展_圖文

1、牙輪鉆頭金屬端面密封表面強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展3陳飛,陳家慶,楊英歌(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,北京102617摘要:采用金屬端面密封技術(shù)是牙輪鉆頭發(fā)展史上的一個里程碑,大大推動了鉆井技術(shù)的進(jìn)程。本文綜述了目前牙輪鉆頭金屬端面密封表面強(qiáng)化的方法,主要包括表面熱處理強(qiáng)化、化學(xué)熱處理強(qiáng)化、表面冶金強(qiáng)化和表面薄膜強(qiáng)化4大類,并介紹了幾種金屬端面密封表面強(qiáng)化新工藝。關(guān)鍵詞:牙輪鉆頭;金屬端面密封;表面強(qiáng)化中圖分類號:T H136文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AR esearch Progress of the Surface Strengthening T echnology on Roller Bit Metal F

2、ace SealCH EN Fei,CH EN Jiaqing,YAN G Y ingge(College of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing102617,China Abstract:The application of the metal face seal technique was an important milestone in the development history of the roller bit and this technique impro

3、ved the development of the drilling technology.This paper summarized the surface strengthening technology on the roller bit metal face seal at present.It mainly included the surface heat treatment,chemical heat treatment,surface metallurgical strengthening and surface thin film strengthening.Finally

4、,some kinds of the new sur2 face strengthening process were introduced.K ey w ords:Roller bit,Metal face seal,Surface strengthening從1909年美國人Howard Hughes發(fā)明兩牙輪鉆頭算起,牙輪鉆頭在全世界已經(jīng)使用100年了。1973年美國開發(fā)了聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(即PDC 鉆頭-Polycrystanlline Diamond Compact Bit,國外廣泛應(yīng)用于軟2中硬地層鉆井,在中東和北海的深井及海洋鉆井中首先獲得了高進(jìn)尺、高鉆速,大大縮短了建井周期

5、,降低了成本,受到了鉆井界的廣泛重視,成為鉆井工具的一項(xiàng)重大成就。雖然隨著現(xiàn)階段水平鉆井、超深鉆井、復(fù)合鉆井等工藝技術(shù)以及井下控制工程理論的不斷發(fā)展,使得“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具+ PDC鉆頭”組合在導(dǎo)向鉆井工藝中得到了前所未有的關(guān)注,PDC鉆頭的總進(jìn)尺也一直呈上升趨勢,但牙輪鉆頭仍然占據(jù)著鉆頭市場份額的較大比例,尤其是在某些特定場合較PDC鉆頭優(yōu)勢明顯123。居世界領(lǐng)先水平的美國四大油氣鉆井用牙輪鉆頭生產(chǎn)廠家(Baker Hughes Christensen、Smit h Bit s、Reed Hycalog、Security DBS一直非常重視對牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,面對世界范圍內(nèi)油氣鉆井

6、作業(yè)要求牙輪鉆頭向高轉(zhuǎn)速發(fā)展的趨勢,近十多年來紛紛推出了各自的高轉(zhuǎn)速滾動軸承牙輪鉆頭,搶占國際市場。我國的牙輪鉆頭生產(chǎn)從進(jìn)口仿制起步并取得長足發(fā)展,但規(guī)格系列和質(zhì)量與國外產(chǎn)品相比還存在較大差距。通過對油氣鉆井現(xiàn)場大量失效滾動軸承牙輪鉆頭的解剖分析表明,滾動軸承系統(tǒng)的失效主要由2個方面的原因引起,第1是密封結(jié)構(gòu)首先失效,致使軸承本體因劇烈的磨粒磨損而隨即失效;第2是密封結(jié)構(gòu)完好時軸承本體的接觸疲勞失效4。采用金屬端面密封技術(shù)是牙輪鉆頭發(fā)展史上的一個里程碑。Baker Hughes Christensen公司于1987年率先將該技術(shù)應(yīng)用于牙輪鉆頭軸承系統(tǒng),最初該系統(tǒng)因使用了2個浮動金屬環(huán)和2個橡膠

7、增能圈而被簡稱為DE-MBS。1998年該公司推出了使用1個浮動技術(shù)環(huán)、1個橡膠增能圈和1個背部支撐環(huán)的單金屬密封(簡稱SEM技術(shù),進(jìn)一步提高了密封結(jié)構(gòu)的整體可靠性。單金屬浮動密封的工況較為惡劣,環(huán)境介質(zhì)常常具有較強(qiáng)的磨礪性,所以要求浮動金屬密封摩擦副具有硬度高、抗磨性能好、滑動摩擦因數(shù)低、熱變形小等特點(diǎn),這對于傳統(tǒng)的摩擦副材料來講比較困難,目前表面強(qiáng)化新技術(shù)的蓬勃發(fā)展對于提高摩擦副材料的性能功效顯著。傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化方法工藝上純屬熱處理的范疇,而近代發(fā)展起來的激光、電子束和離子注入等表面強(qiáng)化方法不僅將一些新技術(shù)應(yīng)用于材料的表面強(qiáng)化,而且在工藝上已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的熱處理范疇,形成了新的科技領(lǐng)域。因

8、此表面強(qiáng)化技術(shù)可以從不同的角度,有多種分類方法。由于受到金屬密封環(huán)尺寸、表面粗糙度和實(shí)際工況的限制,并不是所有的表面強(qiáng)化技術(shù)都適用于端面。目前應(yīng)用于金屬端面密封的表面強(qiáng)化技術(shù)按照物理化學(xué)過程可分為表面熱處理強(qiáng)化、化學(xué)熱處理強(qiáng)化、表面冶金強(qiáng)化和表面薄膜強(qiáng)化4大類,其中薄膜強(qiáng)化技術(shù)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。1表面熱處理強(qiáng)化利用固態(tài)相變,通過快速加熱的方法對零件的表面層進(jìn)行淬火處理稱為表面熱處理,俗稱表面淬火。包括火焰加熱淬火、高(中頻感應(yīng)加熱淬火、激光加熱或電子束加熱淬火等。這些方法的特點(diǎn)是局部加熱淬火,工件變形小;加熱速度快,生產(chǎn)效率高;加熱時間短、表面氧化脫碳很輕微。該方法能有效提高承受一定沖擊載荷的

9、軸承零件的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。2化學(xué)熱處理強(qiáng)化利用某種化學(xué)元素的固態(tài)擴(kuò)散滲入來改變金屬表面層的化學(xué)成分,以實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化的方法稱為化學(xué)熱處理強(qiáng)化,也有人稱之為擴(kuò)滲熱處理。 目前在金屬端面密封中得到應(yīng)用的包括滲硼、滲金屬、滲碳及碳氮共滲等。滲入元素或溶入基體金屬形成固溶體,或與其他金屬元素結(jié)合形成化合物,總之滲入元素既能改變表面層的化學(xué)成分,又可以得到不同的相結(jié)構(gòu),因而種類不同的化學(xué)熱處理滲層能提高軸承零件表面層多方面的性能,有廣闊的應(yīng)用前景。2.1低溫氣體C 、N 、O 多元共滲表面強(qiáng)化智能化低溫氣體C 、N 、O 多元共滲技術(shù)5是自主開發(fā)的一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的金屬表面處理技術(shù),利用自行研制出一種轉(zhuǎn)化

10、裝置,實(shí)現(xiàn)了多種元素以氣體方式進(jìn)入爐體,從根本上解決了氣氛中沉淀物的產(chǎn)生對傳感器污染及堵塞管道等問題,使氣體得以實(shí)質(zhì)性的智能化控制,可以使?jié)B層含多種元素并探索出滲層形成機(jī)理及組織性能間關(guān)系,可根據(jù)零件不同性能要求,設(shè)計(jì)出滲入元素的種類及數(shù)量、滲層的厚度及工藝參數(shù),從而控制滲層的性能。并研制出一種催化劑,大大加快了滲層形成的速度,縮短了工期,提高了生產(chǎn)效率。圖120CrNiMo 改性層顯微組織SEM低溫氣體多元共滲不僅可以縮短生產(chǎn)周期,而且還能提高零件力學(xué)性能,包括抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等。筆者利用這種技術(shù),對牙輪鉆頭金屬密封表面進(jìn)行了初步的嘗試。采用兩段滲工藝,先升溫到650,保

11、溫3h ,然后降溫至560,保溫2h ,最后出爐油冷。如圖1所示,20CrNiMo 經(jīng)氣體多元共滲后形成均勻的共滲層。滲層由外向里為鈍化層、白亮層組成,總厚度約為80m 。第1層是鈍化層約30m ,表面有一些黑色小點(diǎn)即疏松孔,第2層是白亮層,該層硬度提高非常明顯,厚約50m 。研究表明,滲層的顯微硬度達(dá)到HV850,耐磨性能明顯提高。2.2加弧輝光等離子體表面滲金屬加弧輝光等離子表滲金屬技術(shù)6是利用真空弧光放電現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)牙輪鉆頭金屬密封表面滲鍍的新技術(shù),其特點(diǎn)是用欲滲金屬(如W 、Mo 、Cr 直接作為陰極電弧源的靶材,發(fā)射高密度、高能量的離子流,依靠離子轟擊與擴(kuò)散,在工件表面形成金屬滲鍍層,達(dá)

12、到提表面硬度、耐磨、耐腐蝕等性能要求。該方法的優(yōu)點(diǎn)是滲速快、滲層均勻、成分可控、成本低等;缺點(diǎn)是表面粗糙度較高,需要后續(xù)拋光處理。圖2是加弧輝光離子表面滲金屬裝置原理示意圖。目前正在利用該技術(shù)對牙輪鉆頭進(jìn)行表面強(qiáng)化,取得較理想效果。圖2加弧輝光等離子體表面滲金屬裝置2.3離子束增強(qiáng)輔助沉積表面處理離子束增強(qiáng)輔助沉積表面處理技術(shù)是太原理工大學(xué)潘俊德教授在加弧輝光離子滲金屬技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。其特征是在加弧輝光離子滲鍍裝置中,加入一個中低能束離子源,利用真空電弧原理從金屬陰極電弧源發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的金屬離子流,快速沉積于利用輝光加熱的工件表面,然后由中低能離子束注入碳或氮離子,使其

13、沉積層與工件基體形成擴(kuò)散層和鍍層,把多弧離子鍍沉積速度快和離子束注入反沖形成偽擴(kuò)散層的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來,在較低溫度的工件表面快速形成金屬碳、氮化合物硬質(zhì)涂層,從而提高軸承的耐磨、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度7。3表面冶金強(qiáng)化利用工件表面層金屬的重新熔化和凝固,以得到預(yù)期的成分或組織的表面強(qiáng)化處理技術(shù)稱為表面冶金強(qiáng)化。包括表面自熔性合金或復(fù)合粉末涂層、表面熔化結(jié)晶或非晶態(tài)處理和表面合金化等方法。特點(diǎn)是采用高能量密度的快速加熱,將金屬表面層或涂覆于金屬表面的合金化材料熔化,隨后靠自激冷卻進(jìn)行凝固以得到特殊結(jié)構(gòu)或特定性能的強(qiáng)化層。這種特殊的結(jié)構(gòu)或者是細(xì)化的晶體組織、或者是過飽和相、亞穩(wěn)相,甚至是非晶態(tài)組織,這取

14、決于表面冶金的工藝參數(shù)和方法。3.1激光表面冶金強(qiáng)化圖3帶有抗磨螺旋層的浮動環(huán)如圖3所示,使用激光在浮動環(huán)的表面重熔合金而制成硬度很高的抗磨螺旋層,可以改善潤滑條件,同時又有排除外來顆粒的能力,從而提高了耐磨性能8。另外使用激光加熱淬硬抗磨層,克服了傳統(tǒng)密封端面上滲硼氮化或噴涂金屬可能引起密封端面的變形問題。3.2等離子體浸沒離子注入表面強(qiáng)化等離子體浸沒離子注入(Plasma immersion ion implantation ,PIII 是近10年來發(fā)展的新技術(shù)(也稱為原子冶金強(qiáng)化技術(shù),它消除了束線離子注入的“視線限制”,特別適合于處理形狀復(fù)雜、尺寸較大的工件,并可對工件進(jìn)行批量處理921

15、0。近年來,PIII 技術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用在各國獲得了迅速的發(fā)展。國內(nèi)外許多學(xué)者用PIII 技術(shù)對軸承的表面強(qiáng)化與延壽處理工藝做過大量的研究。如何解決離子注入均勻性問題是大家公認(rèn)的技術(shù)難點(diǎn)。因?yàn)?生產(chǎn)中經(jīng)離子注入處理的套圈滾道的注入劑量均勻性極差,一般只在30%左右,嚴(yán)重的注入劑量不均勻性將使?jié)L道各處磨損不一致,導(dǎo)致滾道加速磨損失效。目前,香港城市大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員利用鞘層動力學(xué)的計(jì)算機(jī)理論模擬對軸承內(nèi)外圈滾道的注入均勻性作了大量的試驗(yàn)研究,結(jié)果證明了數(shù)值模擬研究的結(jié)論是完全正確的。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)脈寬由10s 減為5s 時,等離子體密度由2.2×109cm -3提高到3.

16、5×109cm -3,軸承內(nèi)圈滾道表面的注入劑量不均勻性將從60%下降到32%,而軸承外圈滾道表面的注入劑量不均勻性由51%下降到33%11。從而有效地解決了離子注入的均勻性問題,為今后PIII 技術(shù)在軸承表面強(qiáng)化的應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。4表面薄膜強(qiáng)化應(yīng)用物理的或化學(xué)的方法在金屬表面被覆與基體材料性能不同的強(qiáng)化膜層稱為表面薄膜強(qiáng)化。它包括歷史悠久的電鍍、化學(xué)鍍以及復(fù)合鍍、刷鍍和轉(zhuǎn)化處理等。也包括近代發(fā)展較快的氣相沉積薄膜強(qiáng)化方法(CVD 、P -CVD 、PVD ,種類繁多的表面薄膜技術(shù)其共同的特點(diǎn)是均能在工件表面形成特定性能的薄膜以強(qiáng)化表面的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性和潤滑性能等

17、等。因而在各類滾動軸承中,薄膜強(qiáng)化技術(shù),從古老的化學(xué)鍍到現(xiàn)代的氣相沉積都已經(jīng)或正得到應(yīng)用。在牙輪鉆頭金屬端面密封表面強(qiáng)化方面,薄膜強(qiáng)化是目前的主流,制備的薄膜主要包括:立方氮化硼薄膜、TiN 陶瓷多層薄膜和非晶碳?xì)浔∧ぁ?.1制備TiN 陶瓷多層薄膜1987年,Helmersson 12第一個報(bào)道了TiN/VN 單晶多層膜的超硬效應(yīng),結(jié)果顯示在調(diào)制周期為5.2nm 時,多層膜的硬度達(dá)到最大的5560kg/mm 2,增加或降低多層膜的調(diào)制周期都會降低硬度。1992年shilm 等13人報(bào)道了單晶外延生長的TiN/NbN 超晶格薄膜的硬度在調(diào)制周期達(dá)到4.6nm 時,達(dá)到最大值4900kg/mm

18、2。Barnett 等人對過渡金屬氮化物的單晶外延生長進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。自90年代以來人們更加注重多層技術(shù)的發(fā)展,在應(yīng)用中,TiN/TiAlN 14、TiN/TiCN 15、TiN/ZrN 16、TiN/TiCN/TiAlN 17、TiAlN/CrN 18等在改善鍍層的硬度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性及抗氧化性方面,取得了良好的效果。例如,美國西北大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室(BIRC 新發(fā)明的高速反應(yīng)濺射技術(shù)能夠使摩擦副表面硬度和耐磨性能得到顯著提高。當(dāng)基體材料為440C (美國的一種不銹鋼牌號時,沉積TiN 多層膜后表面硬度可達(dá)2000HV 。TiN 多層膜/440C 摩擦副比440C/440C 摩

19、擦副的磨損量更小且磨損帶更規(guī)則,這可使密封面保持最佳的幾何形狀且能提高密封效果19?，F(xiàn)在,國內(nèi)外對于多層薄膜技術(shù)的研究已經(jīng)集中到納米多層膜的制備方面。納米多層膜超硬機(jī)理的解釋主要包括:位錯抑制、晶粒細(xì)化、共格應(yīng)變硬化、位錯移動的線能量差異效應(yīng)以及界面對裂紋的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)20。其中交變應(yīng)力場位錯運(yùn)動理論認(rèn)為納米多層膜產(chǎn)生超硬效應(yīng)的原因主要是由調(diào)制層界面共格錯配導(dǎo)致的交變應(yīng)變場阻礙位錯運(yùn)動,從而強(qiáng)化材料。在生產(chǎn)中得到應(yīng)用的是利用脈沖磁控濺射方法制備納米級薄膜。目前也正在摸索利用非對稱雙極脈沖磁控濺射方法在牙輪鉆頭金屬端面密封表面制備納米TiN/ZrN 多層薄膜,以期提高金屬端面密封效果。圖4是TiN/

20、ZrN 多層薄膜的SEM 照片,從中可以清晰地看到TiN/ZrN 多層膜的形貌,各層的薄膜很均勻,每個調(diào)制周期內(nèi)的薄膜厚度清晰可見。圖5是TiN/ZrN 多層薄膜的A FM 照片,可以看出薄膜生長較為均勻、密實(shí) 。4.2非晶碳?xì)浔∧し蔷細(xì)浔∧?amorp hous hydrogenated car 2bon films 記為-C H ,是一種含氫類金剛石薄膜(DL C ,diamo nd -like carbon ,這種碳?xì)浔∧ぞ哂性S多與金剛石膜相似的性能,如硬度高、耐磨、光學(xué)性能好、高阻隔性能、化學(xué)惰性以及生物相容性等等21。因此他是一種良好的保護(hù)膜,在機(jī)械工具保護(hù)膜、計(jì)算機(jī)磁介質(zhì)保護(hù)層、

21、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、阻隔包裝等方面具有重要應(yīng)用22。非晶碳?xì)浔∧び蒆 、sp 2和sp 3組成,膜中sp 2、sp 3和H 3種組分含量對膜性能具有重要影響,一般認(rèn)為sp 2束的態(tài)電子決定薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能,sp 3組態(tài)決定其力學(xué)性能,而薄膜中H 的含量影響sp 2和sp 3比值,同時對薄膜的性能產(chǎn)生很大的影響23,因此研究-C H 膜組分和結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。目前已出現(xiàn)多種物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等制備方法。由于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法具有沉積速度快、沉積溫度低、制備薄膜質(zhì)量高等特點(diǎn),成為最常用的類金剛石膜制備方法24。圖6是采用電容耦合射頻等離子體化學(xué)氣相沉積

22、設(shè)備示意圖 。11氬氣;21甲烷;31混氣室;41觀察窗;51CH 4+Ar 等離子體;61上極板;71試樣;81下極板;91真空系統(tǒng);101匹配網(wǎng)絡(luò);111射頻電源圖6射頻等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)示意圖圖7是筆者利用上述方法在20鋼表面沉積的非晶碳?xì)浔∧?在轉(zhuǎn)速為1000r/min ,載荷為100N 作用下,同GCr15鋼球?qū)δr摩擦因數(shù)與滑動時間曲線圖(在大氣環(huán)境中。由圖可以看出,相同條件下,原始20鋼平均摩擦因數(shù)為0177,而沉積非晶碳?xì)浔∧さ?0鋼的平均摩擦因數(shù)僅為011左右。可見,非晶碳?xì)浔∧な沟迷嚇幽Σ烈驍?shù)大大降低,有效地改善了基材的耐磨性能。文獻(xiàn)25中認(rèn)為,在鋼球磨損表面存在C

23、轉(zhuǎn)移膜,DL C 薄膜在摩擦過程中形成的轉(zhuǎn)移膜具有石墨化特征,從而有利于降低摩擦因數(shù) 。圖7摩擦因數(shù)與滑動時間曲線5結(jié)語總之,要想全面提升滾動軸承牙輪鉆頭工作壽命就必須提高其摩擦副表面的耐磨損性能、耐腐蝕性能和耐疲勞性能,這是提高壽命和可靠性的基本要素。當(dāng)然,牙輪鉆頭的工作條件常常是很復(fù)雜的,其失效的形式也是多種失效形式的復(fù)合型。任何表面強(qiáng)化方法都有它的適用范圍和最佳應(yīng)用條件,只有選用合理的工藝方法才能達(dá)到提高壽命的目的。參考文獻(xiàn)1Urbieta A,Martinez M,Escareno P,et al.Advanced technology improves drilling econom

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