無壓浸漬制備復合涂層的研究

石油工業深度鉆孔中的傾斜發動機在極端條件下定期傾斜，其動態和靜態動力性能必須得到改善和改進。通過廣泛使用具有高成本的整體建筑材料，可以獲得20和35宋鋼的表面處理性能，以便獲得比16年更高的均勻、更’n的鋼碗表面，以及良好的高溫耐腐蝕性。在重構條件下，均勻涂層特征的質量性能明顯優于標準35c莫氏鋼。在機械結構上，離子涂層特征的動態性能顯著優于標準35c莫氏鋼。當相位移時，離子層壓板的制成性能明顯優于標準鉻合金和白色銅。cu-20ni-20nmold是一種高速裂紋材料，具有較高的機械強度、硬度、彈性和耐腐蝕性和耐腐蝕性。作為一種理想的抗磨損材料，它具有抗磨粒磨損性能。結果表明，基于wc（w2c）增強耕作材料的抗磨粒磨損性能遠遠優于環型二號鑄鐵和高鉻鑄鐵，特別是作為鋼環的表面強化層，具有重要的實用價值。45鋼表面精煉wc和cumnini涂層的耐腐蝕性優于上述研究。因此，在上述研究的基礎上，這項工作的作者使用無壓力浸泡法在45下表面制備了水泥鉻合金和w2c復合層，并對該層與現有鉆孔結構材料的副磨損特性進行了比較研究，為勘探和開發深度石油鉆的挖掘方法提供了實驗依據。1實驗部分1.1錳白銅涂層試樣的制備涂層配方見表1,分別選用2種不同粒度的W2C粉末制備涂層試樣,涂層1中W2C粒度較大,涂層2中W2C粒度較小.采用無壓浸漬工藝制備涂層試樣,在45#鋼基體表面涂敷W2C粉末,放入模具中燒結,在模具頂部正對W2C粉末層的上方設有石墨模具,用于放置錳白銅合金,錳白銅合金與W2C粉末層之間有導流孔連通,將模具放入具有保護氣體的加熱爐中,加熱至1060℃,保溫40min,使錳白銅合金熔化浸入基體和W2C表面,然后降至900℃,取出模具,空冷至室溫,得到燒結試樣,打磨除去冒口,經噴砂處理和磨削加工后得到涂層試樣,涂層厚度約2～3mm.1.2材料調整劑.采用Falex多功能摩擦磨損試驗機評價試樣的磨損性能,試驗裝置和試樣尺寸如圖1所示.選用目前鉆機剎車盤用16Mn鋼作為對比試樣.偶件采用鉆機盤式剎車塊專用的新型無石棉摩擦材料制備,其基本組分為有機粘合劑、耐高溫無機粘合劑、非石棉無機和有機纖維、芳綸纖維、樹酯、鋼纖維、礦物纖維、石墨、填料、摩擦材料調整劑等.試驗前采用40#剛玉砂布及500#金相砂紙打磨試樣及偶件表面.綜合考慮石油鉆機的實際工況和試驗機的技術性能參數確定磨損試驗參數進行變壓和變速試驗.變壓試驗中,轉速固定為750r/min,比壓0.18～0.54MPa;變速試驗中,比壓固定為0.25MPa,轉速為500～1500r/min;試驗周期均為32h.采用SartoriusA120S型電子分析天平(精度0.1mg)測量試樣磨損前后的質量損失,稱量前用丙酮超聲清洗試樣并烘干.采用劍橋S-360型掃描電子顯微鏡(SEM)和金相顯微鏡觀察磨損表面形貌,并用OXFORDLinkISIS300型X射線能譜儀(EDS)分析其磨損表面元素.2結果與討論2.1比壓及轉速時涂層的摩擦學行為圖2(a)給出了2種涂層試樣的磨損量隨比壓變化的關系曲線.可以看出,當轉速為750r/min時,2種涂層的磨損量均隨比壓增加而增大,當比壓由0.18MPa增至0.54MPa(增大3倍)時,2種涂層的磨損量增加5倍.試驗結果表明,隨著比壓由0.18MPa增至0.54MPa,近摩擦表面溫度由100℃升至180℃,涂層受熱變形,而錳白銅基體和W2C顆粒的熱變形差異導致二者的界面結合強度及前者對后者的支撐力降低;同時,摩擦表面的接觸應力隨比壓增加而增大,使接觸表面以下出現最大正應力和剪應力的深度增加,裂紋在表面以下更深處萌生,從而導致W2C顆粒的疲勞剝落加劇和對錳白銅基體的保護作用減弱.此外,由于偶件表面硬質點及磨屑嵌入涂層的深度增加,使得其犁削作用加劇;加之軟化的涂層表面更易發生塑性變形,出現較寬的碾壓痕跡,而且冷焊的粘著效應增加,從而導致基體材料的剝落加劇(圖3).這與文獻的分析結果相一致.圖2(b)給出了2種涂層的磨損量隨轉速變化的關系曲線.可以看出,當比壓為0.25MPa時,2種涂層的磨損量均隨轉速增加而增大,轉速為500～1500r/min時,2種涂層的磨損量增大4～6倍.圖4給出了W2C粒度大的涂層在不同轉速時的磨損表面形貌SEM照片.可以看出,當轉速較小時其磨損表面有大量表面膜生成并擴展,這些表面膜具有較高的表面粘著能和內聚能,因此磨屑在表面膜上進行二次涂抹[圖4(a)],起到了保護涂層表面的作用,有利于減小磨損.隨著轉速的增加,單位時間內表面微突體及磨屑的切削和犁削次數增加,使涂層表面磨粒磨損加重;而且,轉速增大使得摩擦表面溫升增加(轉速由500r/min增至1500r/min,近摩擦表面溫度由126℃增至200℃以上),加劇了W2C顆粒的疲勞剝落、粘著磨損和塑性變形(碾壓轍痕);另外,隨著轉速增加,作用于表層的交變應力的頻率增加,使裂紋擴展加速,導致表層材料疲勞剝落加劇[圖4(b)].2.2w2c涂層加工由圖2同時可以看出W2C粒度對復合涂層磨損特性的影響.在比壓為0.18～0.54MPa及轉速為500～1500r/min范圍內,W2C粒度大的涂層的耐磨性均優于W2C粒度小的涂層.圖5給出了2種涂層磨損前后的表面形貌SEM照片.據此分析,W2C粒度大的涂層磨損表面的W2C顆粒在錳白銅基體中分布較均勻,可以形成較為理想的骨架結構,彌散強化效果較好,可以較好抵抗硬質顆粒的磨粒作用;同時有利于基體表面膜的生成、擴展及磨屑的填充和涂抹[圖5(a)],可以保護基體免遭進一步的磨損,因此耐磨性較好.W2C粒度小的涂層的加工缺陷較多,且W2C顆粒在基體中分布不均勻,因此彌散強化效果和對基體的保護作用較差;小粒度W2C顆粒的承載能力及抵抗硬質顆粒的能力較弱且易磨損;小顆粒W2C較多,則W2C與基體的結合界面增多,且單個W2C與基體接觸面積減小,因此兩者的界面結合強度降低,而W2C聚集區的界面結合強度更低,因此磨損過程中有更多W2C在剪切力作用下脫落而成為磨粒,從而加劇了涂層的磨損;而W2C的非均分布和脫落會導致基體大面積暴露,極易產生磨損[圖5(b)],因此耐磨性較差.2.3復合涂層的其它應用性能圖2還同時示出了16Mn鋼的磨損特性結果.可以看出,在比壓為0.18～0.54MPa以及轉速為500～1500r/min范圍內,16Mn鋼的磨損量是涂層的10～50倍,即涂層的耐磨性比16Mn提高了10～50倍.硬度是影響涂層滑動磨損性能的主要因素,而微切削是造成磨粒磨損的主要原因.以硬質相W2C為骨架的復合涂層具有相當高的硬度,能夠阻止大部分磨粒嵌入其中,已嵌入的磨粒會與錳白銅基體中的硬相質點碰撞擠壓,部分磨粒將被擠碎或磨損而明顯喪失切削能力,從而削弱磨粒的微切削作用;另外,彌散分布于涂層中的W2C顆粒能夠有效抑制裂紋擴展.此外,W2C顆粒在接觸壓應力和摩擦力的作用下可能破碎,根據能量學的觀點,硬質顆粒的破碎將消耗更多能量,這也有利于減輕磨損.因此,2種涂層試樣均表現出比16Mn鋼更加優異的耐磨性.3轉速對涂層磨損量的影響a.在比壓在0.18～0.54MPa范圍內,2種無壓浸漬錳白銅合金-W2C復合涂層的磨損量隨比壓增加而增大;在