牙轮钻头金属端面密封表面强化技术研究进展_图文

1、牙轮钻头金属端面密封表面强化技术研究进展3陈飞,陈家庆,杨英歌(北京石油化工学院机械工程学院,北京102617摘要:采用金属端面密封技术是牙轮钻头发展史上的一个里程碑,大大推动了钻井技术的进程。本文综述了目前牙轮钻头金属端面密封表面强化的方法,主要包括表面热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化和表面薄膜强化4大类,并介绍了几种金属端面密封表面强化新工艺。关键词:牙轮钻头;金属端面密封;表面强化中图分类号:T H136文献标志码: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从1909年美国人Howard Hughes发明两牙轮钻头算起,牙轮钻头在全世界已经使用100年了。1973年美国开发了聚晶金刚石复合片钻头(即PDC 钻头-Polycrystanlline Diamond Compact Bit,国外广泛应用于软2中硬地层钻井,在中东和北海的深井及海洋钻井中首先获得了高进尺、高钻速,大大缩短了建井周期

5、,降低了成本,受到了钻井界的广泛重视,成为钻井工具的一项重大成就。虽然随着现阶段水平钻井、超深钻井、复合钻井等工艺技术以及井下控制工程理论的不断发展,使得“旋转导向钻具+ PDC钻头”组合在导向钻井工艺中得到了前所未有的关注,PDC钻头的总进尺也一直呈上升趋势,但牙轮钻头仍然占据着钻头市场份额的较大比例,尤其是在某些特定场合较PDC钻头优势明显123。居世界领先水平的美国四大油气钻井用牙轮钻头生产厂家(Baker Hughes Christensen、Smit h Bit s、Reed Hycalog、Security DBS一直非常重视对牙轮钻头轴承系统的应用基础研究,面对世界范围内油气钻井

6、作业要求牙轮钻头向高转速发展的趋势,近十多年来纷纷推出了各自的高转速滚动轴承牙轮钻头,抢占国际市场。我国的牙轮钻头生产从进口仿制起步并取得长足发展,但规格系列和质量与国外产品相比还存在较大差距。通过对油气钻井现场大量失效滚动轴承牙轮钻头的解剖分析表明,滚动轴承系统的失效主要由2个方面的原因引起,第1是密封结构首先失效,致使轴承本体因剧烈的磨粒磨损而随即失效;第2是密封结构完好时轴承本体的接触疲劳失效4。采用金属端面密封技术是牙轮钻头发展史上的一个里程碑。Baker Hughes Christensen公司于1987年率先将该技术应用于牙轮钻头轴承系统,最初该系统因使用了2个浮动金属环和2个橡胶

7、增能圈而被简称为DE-MBS。1998年该公司推出了使用1个浮动技术环、1个橡胶增能圈和1个背部支撑环的单金属密封(简称SEM技术,进一步提高了密封结构的整体可靠性。单金属浮动密封的工况较为恶劣,环境介质常常具有较强的磨砺性,所以要求浮动金属密封摩擦副具有硬度高、抗磨性能好、滑动摩擦因数低、热变形小等特点,这对于传统的摩擦副材料来讲比较困难,目前表面强化新技术的蓬勃发展对于提高摩擦副材料的性能功效显著。传统的表面强化方法工艺上纯属热处理的范畴,而近代发展起来的激光、电子束和离子注入等表面强化方法不仅将一些新技术应用于材料的表面强化,而且在工艺上已经超出了传统的热处理范畴,形成了新的科技领域。因

8、此表面强化技术可以从不同的角度,有多种分类方法。由于受到金属密封环尺寸、表面粗糙度和实际工况的限制,并不是所有的表面强化技术都适用于端面。目前应用于金属端面密封的表面强化技术按照物理化学过程可分为表面热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化和表面薄膜强化4大类,其中薄膜强化技术是当今研究的热点。1表面热处理强化利用固态相变,通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理称为表面热处理,俗称表面淬火。包括火焰加热淬火、高(中频感应加热淬火、激光加热或电子束加热淬火等。这些方法的特点是局部加热淬火,工件变形小;加热速度快,生产效率高;加热时间短、表面氧化脱碳很轻微。该方法能有效提高承受一定冲击载荷的

9、轴承零件的耐磨性和抗疲劳强度。2化学热处理强化利用某种化学元素的固态扩散渗入来改变金属表面层的化学成分,以实现表面强化的方法称为化学热处理强化,也有人称之为扩渗热处理。 目前在金属端面密封中得到应用的包括渗硼、渗金属、渗碳及碳氮共渗等。渗入元素或溶入基体金属形成固溶体,或与其他金属元素结合形成化合物,总之渗入元素既能改变表面层的化学成分,又可以得到不同的相结构,因而种类不同的化学热处理渗层能提高轴承零件表面层多方面的性能,有广阔的应用前景。2.1低温气体C 、N 、O 多元共渗表面强化智能化低温气体C 、N 、O 多元共渗技术5是自主开发的一项应用广泛的金属表面处理技术,利用自行研制出一种转化

10、装置,实现了多种元素以气体方式进入炉体,从根本上解决了气氛中沉淀物的产生对传感器污染及堵塞管道等问题,使气体得以实质性的智能化控制,可以使渗层含多种元素并探索出渗层形成机理及组织性能间关系,可根据零件不同性能要求,设计出渗入元素的种类及数量、渗层的厚度及工艺参数,从而控制渗层的性能。并研制出一种催化剂,大大加快了渗层形成的速度,缩短了工期,提高了生产效率。图120CrNiMo 改性层显微组织SEM低温气体多元共渗不仅可以缩短生产周期,而且还能提高零件力学性能,包括抗扭强度、抗弯强度、耐磨性、疲劳强度等。笔者利用这种技术,对牙轮钻头金属密封表面进行了初步的尝试。采用两段渗工艺,先升温到650,保

11、温3h ,然后降温至560,保温2h ,最后出炉油冷。如图1所示,20CrNiMo 经气体多元共渗后形成均匀的共渗层。渗层由外向里为钝化层、白亮层组成,总厚度约为80m 。第1层是钝化层约30m ,表面有一些黑色小点即疏松孔,第2层是白亮层,该层硬度提高非常明显,厚约50m 。研究表明,渗层的显微硬度达到HV850,耐磨性能明显提高。2.2加弧辉光等离子体表面渗金属加弧辉光等离子表渗金属技术6是利用真空弧光放电现象实现牙轮钻头金属密封表面渗镀的新技术,其特点是用欲渗金属(如W 、Mo 、Cr 直接作为阴极电弧源的靶材,发射高密度、高能量的离子流,依靠离子轰击与扩散,在工件表面形成金属渗镀层,达

12、到提表面硬度、耐磨、耐腐蚀等性能要求。该方法的优点是渗速快、渗层均匀、成分可控、成本低等;缺点是表面粗糙度较高,需要后续抛光处理。图2是加弧辉光离子表面渗金属装置原理示意图。目前正在利用该技术对牙轮钻头进行表面强化,取得较理想效果。图2加弧辉光等离子体表面渗金属装置2.3离子束增强辅助沉积表面处理离子束增强辅助沉积表面处理技术是太原理工大学潘俊德教授在加弧辉光离子渗金属技术基础上发展而来的。其特征是在加弧辉光离子渗镀装置中,加入一个中低能束离子源,利用真空电弧原理从金属阴极电弧源发射出高能量、高密度、高离化率的金属离子流,快速沉积于利用辉光加热的工件表面,然后由中低能离子束注入碳或氮离子,使其

13、沉积层与工件基体形成扩散层和镀层,把多弧离子镀沉积速度快和离子束注入反冲形成伪扩散层的优点有机结合起来,在较低温度的工件表面快速形成金属碳、氮化合物硬质涂层,从而提高轴承的耐磨、耐蚀性及疲劳强度7。3表面冶金强化利用工件表面层金属的重新熔化和凝固,以得到预期的成分或组织的表面强化处理技术称为表面冶金强化。包括表面自熔性合金或复合粉末涂层、表面熔化结晶或非晶态处理和表面合金化等方法。特点是采用高能量密度的快速加热,将金属表面层或涂覆于金属表面的合金化材料熔化,随后靠自激冷却进行凝固以得到特殊结构或特定性能的强化层。这种特殊的结构或者是细化的晶体组织、或者是过饱和相、亚稳相,甚至是非晶态组织,这取

14、决于表面冶金的工艺参数和方法。3.1激光表面冶金强化图3带有抗磨螺旋层的浮动环如图3所示,使用激光在浮动环的表面重熔合金而制成硬度很高的抗磨螺旋层,可以改善润滑条件,同时又有排除外来颗粒的能力,从而提高了耐磨性能8。另外使用激光加热淬硬抗磨层,克服了传统密封端面上渗硼氮化或喷涂金属可能引起密封端面的变形问题。3.2等离子体浸没离子注入表面强化等离子体浸没离子注入(Plasma immersion ion implantation ,PIII 是近10年来发展的新技术(也称为原子冶金强化技术,它消除了束线离子注入的“视线限制”,特别适合于处理形状复杂、尺寸较大的工件,并可对工件进行批量处理921

15、0。近年来,PIII 技术研究与工业应用在各国获得了迅速的发展。国内外许多学者用PIII 技术对轴承的表面强化与延寿处理工艺做过大量的研究。如何解决离子注入均匀性问题是大家公认的技术难点。因为,生产中经离子注入处理的套圈滚道的注入剂量均匀性极差,一般只在30%左右,严重的注入剂量不均匀性将使滚道各处磨损不一致,导致滚道加速磨损失效。目前,香港城市大学和哈尔滨工业大学的科研人员利用鞘层动力学的计算机理论模拟对轴承内外圈滚道的注入均匀性作了大量的试验研究,结果证明了数值模拟研究的结论是完全正确的。试验结果表明:当脉宽由10s 减为5s 时,等离子体密度由2.2×109cm -3提高到3.

16、5×109cm -3,轴承内圈滚道表面的注入剂量不均匀性将从60%下降到32%,而轴承外圈滚道表面的注入剂量不均匀性由51%下降到33%11。从而有效地解决了离子注入的均匀性问题,为今后PIII 技术在轴承表面强化的应用奠定了良好的理论基础。4表面薄膜强化应用物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料性能不同的强化膜层称为表面薄膜强化。它包括历史悠久的电镀、化学镀以及复合镀、刷镀和转化处理等。也包括近代发展较快的气相沉积薄膜强化方法(CVD 、P -CVD 、PVD ,种类繁多的表面薄膜技术其共同的特点是均能在工件表面形成特定性能的薄膜以强化表面的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性和润滑性能等

17、等。因而在各类滚动轴承中,薄膜强化技术,从古老的化学镀到现代的气相沉积都已经或正得到应用。在牙轮钻头金属端面密封表面强化方面,薄膜强化是目前的主流,制备的薄膜主要包括:立方氮化硼薄膜、TiN 陶瓷多层薄膜和非晶碳氢薄膜。4.1制备TiN 陶瓷多层薄膜1987年,Helmersson 12第一个报道了TiN/VN 单晶多层膜的超硬效应,结果显示在调制周期为5.2nm 时,多层膜的硬度达到最大的5560kg/mm 2,增加或降低多层膜的调制周期都会降低硬度。1992年shilm 等13人报道了单晶外延生长的TiN/NbN 超晶格薄膜的硬度在调制周期达到4.6nm 时,达到最大值4900kg/mm

18、2。Barnett 等人对过渡金属氮化物的单晶外延生长进行了系统的研究。自90年代以来人们更加注重多层技术的发展,在应用中,TiN/TiAlN 14、TiN/TiCN 15、TiN/ZrN 16、TiN/TiCN/TiAlN 17、TiAlN/CrN 18等在改善镀层的硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性方面,取得了良好的效果。例如,美国西北大学基础工业研究实验室(BIRC 新发明的高速反应溅射技术能够使摩擦副表面硬度和耐磨性能得到显著提高。当基体材料为440C (美国的一种不锈钢牌号时,沉积TiN 多层膜后表面硬度可达2000HV 。TiN 多层膜/440C 摩擦副比440C/440C 摩

19、擦副的磨损量更小且磨损带更规则,这可使密封面保持最佳的几何形状且能提高密封效果19。现在,国内外对于多层薄膜技术的研究已经集中到纳米多层膜的制备方面。纳米多层膜超硬机理的解释主要包括:位错抑制、晶粒细化、共格应变硬化、位错移动的线能量差异效应以及界面对裂纹的偏转效应20。其中交变应力场位错运动理论认为纳米多层膜产生超硬效应的原因主要是由调制层界面共格错配导致的交变应变场阻碍位错运动,从而强化材料。在生产中得到应用的是利用脉冲磁控溅射方法制备纳米级薄膜。目前也正在摸索利用非对称双极脉冲磁控溅射方法在牙轮钻头金属端面密封表面制备纳米TiN/ZrN 多层薄膜,以期提高金属端面密封效果。图4是TiN/

20、ZrN 多层薄膜的SEM 照片,从中可以清晰地看到TiN/ZrN 多层膜的形貌,各层的薄膜很均匀,每个调制周期内的薄膜厚度清晰可见。图5是TiN/ZrN 多层薄膜的A FM 照片,可以看出薄膜生长较为均匀、密实 。4.2非晶碳氢薄膜非晶碳氢薄膜(amorp hous hydrogenated car 2bon films 记为-C H ,是一种含氢类金刚石薄膜(DL C ,diamo nd -like carbon ,这种碳氢薄膜具有许多与金刚石膜相似的性能,如硬度高、耐磨、光学性能好、高阻隔性能、化学惰性以及生物相容性等等21。因此他是一种良好的保护膜,在机械工具保护膜、计算机磁介质保护层、

21、医学、光学、阻隔包装等方面具有重要应用22。非晶碳氢薄膜由H 、sp 2和sp 3组成,膜中sp 2、sp 3和H 3种组分含量对膜性能具有重要影响,一般认为sp 2束的态电子决定薄膜的光学和电学性能,sp 3组态决定其力学性能,而薄膜中H 的含量影响sp 2和sp 3比值,同时对薄膜的性能产生很大的影响23,因此研究-C H 膜组分和结构具有特别重要的意义。目前已出现多种物理气相沉积、化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积等制备方法。由于等离子体增强化学气相沉积方法具有沉积速度快、沉积温度低、制备薄膜质量高等特点,成为最常用的类金刚石膜制备方法24。图6是采用电容耦合射频等离子体化学气相沉积

22、设备示意图 。11氩气;21甲烷;31混气室;41观察窗;51CH 4+Ar 等离子体;61上极板;71试样;81下极板;91真空系统;101匹配网络;111射频电源图6射频等离子体化学气相沉积系统示意图图7是笔者利用上述方法在20钢表面沉积的非晶碳氢薄膜,在转速为1000r/min ,载荷为100N 作用下,同GCr15钢球对摩时摩擦因数与滑动时间曲线图(在大气环境中。由图可以看出,相同条件下,原始20钢平均摩擦因数为0177,而沉积非晶碳氢薄膜的20钢的平均摩擦因数仅为011左右。可见,非晶碳氢薄膜使得试样摩擦因数大大降低,有效地改善了基材的耐磨性能。文献25中认为,在钢球磨损表面存在C

23、转移膜,DL C 薄膜在摩擦过程中形成的转移膜具有石墨化特征,从而有利于降低摩擦因数 。图7摩擦因数与滑动时间曲线5结语总之,要想全面提升滚动轴承牙轮钻头工作寿命就必须提高其摩擦副表面的耐磨损性能、耐腐蚀性能和耐疲劳性能,这是提高寿命和可靠性的基本要素。当然,牙轮钻头的工作条件常常是很复杂的,其失效的形式也是多种失效形式的复合型。任何表面强化方法都有它的适用范围和最佳应用条件,只有选用合理的工艺方法才能达到提高寿命的目的。参考文献1Urbieta A,Martinez M,Escareno P,et al.Advanced technology improves drilling econom

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