1、石油鉆具螺紋刷鍍銅技術薛伯生南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司江蘇常州（213011）摘要 本文綜述了石油鉆具螺紋鍍銅的各種鍍覆方法的優(yōu)劣，重點介紹了石油鉆具螺紋電刷鍍使用的陽極、包裹材料、溶液及工藝。關鍵詞鉆具螺紋電刷鍍鉆具是石油鉆井施工中傳輸動力、疏導泥漿的重要工具，工作中鉆具與鉆具之間大扭矩上卸扣很頻繁，泥漿介質(zhì)對其也有一定程度的侵蝕，造成鉆具螺紋腐蝕和磨損嚴重。石油鉆具螺紋在設計時要求進行防腐減磨處理，實際使用時更需要對其進行防腐減磨防護，開展鉆具螺紋防護技術專項研究對降低鉆具使用費用具有重要的實際意義。國內(nèi)外主要采用對螺紋表面進行表面感應淬火強化處理，以增加螺紋牙的強度和硬度，采用

2、鍍銅方法對石 油鉆桿螺紋進行防腐減磨防護。石油鉆桿螺紋鍍銅，有多種鍍覆方法可供選擇：電鍍、流鍍、自動摩擦電噴鍍、 手工電刷鍍、自動電刷鍍。電鍍是把螺紋頭放入電鍍槽中浸鍍，而后把螺紋頭與鉆桿管體進行焊接，該工藝采用 電鍍槽及今年電鍍設備，由于環(huán)保問題，電鍍上馬困難。電刷鍍可以不將螺紋頭與鉆桿管體分割，工藝靈活，鉆 具螺紋較重，在現(xiàn)場電刷鍍施工可以節(jié)省運費。手工電刷鍍設備簡單，投入少，上馬快。自動電刷鍍、自動摩擦 電噴鍍各道工序都是程序控制，避免了手工操作而影響鍍層質(zhì)量，但投入太大。目前在國內(nèi)進行批量生產(chǎn)的鍍覆方法主要是電鍍、電刷鍍。自動摩擦電噴鍍是在總結(jié)了電刷鍍、流鍍和摩擦電噴鍍技術的特點基礎上

3、研究出來的一種新技術，解決了鍍層均勻性問題，均勻的鍍層對提高鉆具螺紋防磨和減磨性能具有積極的作用，有待重點發(fā)展。各種鍍覆方法優(yōu)缺點比較見表1。表1工藝方法鍍層外觀螺紋大小頭鍍層厚度均勻性齒頂、側(cè)、底鍍層厚度均勻性鍍覆效率工裝成本鍍覆成本工藝靈活性電鍍較好較好差高低低差流鍍較差較好較差較咼較咼較咼較差自動摩擦電噴鍍較好較好較好較咼高較咼差手工電刷鍍好較差較好較低低高好自動電刷鍍好差較好較低高高差國內(nèi)目前投入批量生產(chǎn)的方法主要是電鍍和手工電刷鍍，本文主要介紹石油鉆桿螺紋電刷鍍銅的陽極、包裹材料、溶液及工藝。1. 電刷鍍陽極的選擇 鉆具螺紋刷鍍銅最初是使用絨布包裹石墨作為仿形陽極，工作中絨布極易被鉆

4、具螺紋磨穿，而造成陰陽極短路,仿形螺紋也容易被電化學腐蝕掉。刷鍍中需要經(jīng)常進行仿形石墨陽極修扣和重新包裹，工作效率低。仿形金屬陽極克服了石墨陽極容易被化學腐蝕的缺點，使用壽命大大延長。螺紋刷鍍銅雖然采用了與鉆具螺紋仿形的陽極，但由于其包裹了絨布， 其陽極扣形角就變成了鈍角， 陽極與鉆具螺紋接觸后，陰陽極間距不同，造成刷鍍銅后鉆具螺紋牙頂、 牙側(cè)、牙根部的鍍層厚度很不均勻， 牙頂鍍層最厚， 牙根部鍍層最薄，最大差 20倍。為了解決刷鍍銅后鉆具螺紋牙頂、牙側(cè)、牙根部的鍍層厚度不均勻的問題，研制出了單片金屬組合陽極，各種陽極優(yōu)缺點比較見表 2。仿形陽極制作成本較高，鍍層厚度齒頂、側(cè)、底均勻性依然不好

5、，單片金屬組合陽極有 待重點研發(fā)。表2陽極材料制作成本使用壽命刷鍍速度鍍層厚度齒頂、側(cè)、底均勻性仿形石墨陽極較咼短慢差仿形金屬陽極較咼較長較快差單片金屬組合陽極較低長較快較好2. 電刷鍍陽極包裹材料的選擇螺紋刷鍍過程中，陽極與螺紋面相對運動， 尤其是螺紋齒頂棱角與陽極包裹材料直接摩擦，包裹材料更容易破損,螺紋刷鍍包裹材料除了具備一般包裹材料的性能如耐酸堿性、抗氧化性、吸水性外，必須有更好的耐磨性，幾種材料的優(yōu)缺點比較見表 3。一般螺紋刷鍍包裹材料選用滌淪絨布或丙烯腈毛氈。表3包裹材料吸水性耐酸堿性抗氧化性耐磨性使用壽命針織套管好好較差較差較短滌淪布較差好好較好長滌淪絨布好好好好長丙烯腈毛氈好好

6、好好長3. 電刷鍍?nèi)芤哼x擇電刷鍍銅溶液主要有三種：快速銅、堿銅、高堆積銅，快速銅腐蝕基體，外觀不好，堿銅刷鍍速度較慢，高堆積銅適合螺紋電刷鍍。溶液溶液性質(zhì)溶液成本不用特殊鎳打底的結(jié)合力用特殊鎳打底的結(jié)合力外觀刷鍍速度快速銅強酸性低不好，腐蝕基體好表面氧化速度快快堿銅堿性低好好鉸好較慢高堆積銅堿性較咼好好好較快4. 電刷鍍工藝中碳合金鋼鉆具螺紋刷鍍工藝第一步 電凈 用電凈液TGY-1溶液，正極性，電壓 815V,相對運動速度 1214m/min，時間4565s，直觀標 志是工件上水膜均勻推開。用水沖洗。第二步 一次活化 用活化液THY-2溶液，反極性，電壓 814V,相對運動速度1214m/mi

7、n ,時間20s，直觀標 志是表面呈均勻的灰黑色。用水沖洗。第三步 二次活化 用活化液THY-3溶液，反極性，電壓 18V,相對運動速度1214m/min，時間40s，直觀標志 是表面呈均勻的銀灰色。用水沖洗。第四步 鍍過渡層 用特殊鎳TDY101溶液，先無電擦拭，正極性， 電壓15V18V,相對運動速度1214m/min , 時間30s，直觀標志是表面呈均勻的淡黃色。第五步 鍍工作層 鍍銅層 螺紋鍍銅溶液，正極性，610V,相對運動速度1214m/min，直刷鍍到尺寸。如鍍層發(fā)黑，電壓調(diào)低第六步 后處理 自來水沖洗干凈，干燥后涂螺紋脂。不銹鋼鉆具螺紋刷鍍工藝第一步 電凈 用電凈液TGY-1溶

8、液，正極性，電壓12V,相對運動速度1214m/min，時間3060s,直觀標志是工件上水膜均勻推開。用水沖洗。第二步 活化 用活化液THY-2溶液，反極性，電壓12V,相對運動速度1214m/min，時間3060s,直觀標志是表面呈均勻的灰暗色。不用水沖洗。12V15V,相對運動速度 1214m/min ,第三步 打鎳底層 用特殊鎳TDY101溶液， 先無電擦拭，正極性，電壓 時間3060s，直觀標志是表面呈均勻的淡黃色。第四步 鍍銅層 螺紋鍍銅溶液，正極性，610V,相對運動速度1214m/min，直刷鍍恢復到尺寸。第五步 后處理 自來水沖洗干凈，干燥后涂螺紋脂。5. 鍍層質(zhì)量檢驗( 1)

9、 鍍層光亮無污，呈純銅金屬光澤，齒頂不得發(fā)黑、齒與齒底不得發(fā)白。( 2) 鍍層不得出現(xiàn)針孔、麻點和剝落。( 3) 鍍層厚度合格。采用電刷鍍修復鉆具螺紋，簡化了鉆具的修復作業(yè)，減少了加工、運輸費用，延長了鉆具的使用壽命，可創(chuàng)造可 觀的經(jīng)濟效益。化學鍍銅溶液的配方組成化學鍍銅溶液的種類很多。 按鍍銅層的厚度分為鍍薄銅溶液和鍍厚銅溶液； 按絡合劑種類可分為酒石酸鹽型、 EDTA 二鈉鹽型和混合絡合劑型等；按所用還原劑分為甲醛、肼、次磷酸鹽、硼氫化物等溶液；而根據(jù)溶液的用途，又 可分為塑料金屬化、印制電路板孔金屬化等溶液。化學鍍銅溶液主要是由銅鹽、還原劑、絡合劑、穩(wěn)定劑、 pH 值調(diào)節(jié)劑和其他添加劑組

10、成。(1) 主鹽 主鹽的主要作用是提供銅離子，在化學鍍銅液中可使用硫酸銅、氯化銅、堿式碳酸銅、酒石酸銅、醋酸銅等。從 降低成本考慮，多數(shù)配方選用五水硫酸銅(CuS04?5H20)。化學鍍銅溶液中銅鹽含量對沉積速度有一定的影響。 當溶液的 pH 值控制在工藝范圍內(nèi)時， 提高溶液中的銅含量， 沉積速度有所增加，但溶液自然分解的傾向也隨之增大。在不含穩(wěn)定劑的溶液中，宜采用低濃度的鍍液；在含有 穩(wěn)定劑的溶液中， 銅離子濃度可適當高一些。 銅鹽濃度對鍍層性能的影響不大， 但銅鹽中的雜質(zhì)可能對鍍層產(chǎn)生 很大影響，因此化學鍍銅液對銅鹽純度的要求一般較高。(2) 絡合劑以甲醛作還原劑的化學鍍銅溶液是堿性的，

11、為防止銅離子形成氫氧化物沉淀析出， 鍍液中必須加入絡合劑， 以使 銅離子成為絡離子狀態(tài)。 可以選用的絡合劑有酒石酸鉀鈉、 檸檬酸鈉、 葡萄糖酸鈉、 三乙醇胺、 四羥丙基乙二胺、 甘油、甘醇酸、EDTA等。在實踐中使用最多的是酒石酸鉀鈉和EDTA二鈉。EDTA二鈉穩(wěn)定鍍液的能力比酒石酸鉀鈉強，但酒石酸鉀鈉鍍液中所得到的鍍層外觀優(yōu)于EDTA型鍍液。絡合劑對于化學鍍銅溶液和鍍層性能的影響很大。 近代化學鍍銅溶液中通常添加兩種或兩種以上的絡合劑例如合用酒石酸鉀鈉和 EDTA二鈉兩種絡合劑。正確選用絡合劑不僅有利于提高鍍液的穩(wěn)定性，而且可以提高鍍速和鍍 層質(zhì)量。(3) 還原劑化學鍍銅溶液中的還原劑可選用

12、甲醛、次磷酸鈉、硼氫化鈉、二甲氨基硼烷(DMAB)、肼等。由于成本的原因，目前配制化學鍍銅溶液時多采用甲醛為還原劑。甲醛的還原能力隨鍍液堿性的提高而增加，通常化學鍍銅液在pH值大于11的條件才具有還原銅的能力。鍍液的pH值越高，甲醛的還原能力越強，鍍速越快。但是如果鍍液pH值過高，容易造成鍍液的自發(fā)分解，降低鍍液的穩(wěn)定性，因此大多數(shù)化學鍍銅溶液的pH值都控制在12左右。(4) pH 值調(diào)節(jié)劑由于化學鍍銅的過程是鍍液 pH 值降低的過程， 因此必須向鍍液中加入 pH 值調(diào)節(jié)劑， 以維持鍍液的 pH 值在正常 的范圍內(nèi)。通常化學鍍銅溶液的 pH 值調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉或碳酸鈉。(5) 穩(wěn)定劑在化學鍍銅

13、的過程中， 除銅離子在催化表面進行有效的氧化還原反應， 被甲醛還原成金屬銅之外， 還存在許多副反應。主要的副反應包括：康尼查羅(Cannizzaro)反應2HCHO+OH t CH30H+HC00以及非催化型反應2Cu2+HCHO+50H一t Cu20 J +2HC00 一 +3H20通過該反應氧化亞銅的微粒被還原出來，此后，氧化亞銅又可能被進一步還原成微粒銅，即Cu20+2HCH0+20H t 2CuJ +2HC00 一+H2 J +H20這些副反應不僅消耗了鍍液中的有效成分， 而且產(chǎn)生的氧化亞銅以極細微的粉末懸浮在鍍液中， 很難用過濾除去， 容易引起鍍液分解，若與銅共沉積，則得到的銅沉積層疏松粗糙、與基體結(jié)合力差。針對上述情況， 化學鍍銅液中需加入穩(wěn)定劑以達到穩(wěn)定鍍液和改善鍍層質(zhì)量的作用。化學鍍銅液的穩(wěn)定劑種類很多，常用的穩(wěn)定劑有甲醇、氰化鈉、硫代尿素、烷基硫醇、二