無(wú)壓浸漬制備復(fù)合涂層的研究

無(wú)壓浸漬制備復(fù)合涂層的研究

石油工業(yè)深度鉆孔中的傾斜發(fā)動(dòng)機(jī)在極端條件下定期傾斜，其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)動(dòng)力性能必須得到改善和改進(jìn)。通過(guò)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(gòu)條件下，均勻涂層特征的質(zhì)量性能明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)35c莫氏鋼。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，離子涂層特征的動(dòng)態(tài)性能顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)35c莫氏鋼。當(dāng)相位移時(shí)，離子層壓板的制成性能明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械強(qiáng)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(jié)果表明，基于wc（w2c）增強(qiáng)耕作材料的抗磨粒磨損性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)型二號(hào)鑄鐵和高鉻鑄鐵，特別是作為鋼環(huán)的表面強(qiáng)化層，具有重要的實(shí)用價(jià)值。45鋼表面精煉wc和cumnini涂層的耐腐蝕性優(yōu)于上述研究。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，這項(xiàng)工作的作者使用無(wú)壓力浸泡法在45下表面制備了水泥鉻合金和w2c復(fù)合層，并對(duì)該層與現(xiàn)有鉆孔結(jié)構(gòu)材料的副磨損特性進(jìn)行了比較研究，為勘探和開(kāi)發(fā)深度石油鉆的挖掘方法提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1錳白銅涂層試樣的制備涂層配方見(jiàn)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(wú)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(jié),在模具頂部正對(duì)W2C粉末層的上方設(shè)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(dǎo)流孔連通,將模具放入具有保護(hù)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(jié)試樣,打磨除去冒口,經(jīng)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(diào)整劑.采用Falex多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)試樣的磨損性能,試驗(yàn)裝置和試樣尺寸如圖1所示.選用目前鉆機(jī)剎車盤用16Mn鋼作為對(duì)比試樣.偶件采用鉆機(jī)盤式剎車塊專用的新型無(wú)石棉摩擦材料制備,其基本組分為有機(jī)粘合劑、耐高溫?zé)o機(jī)粘合劑、非石棉無(wú)機(jī)和有機(jī)纖維、芳綸纖維、樹(shù)酯、鋼纖維、礦物纖維、石墨、填料、摩擦材料調(diào)整劑等.試驗(yàn)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(jī)的實(shí)際工況和試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)性能參數(shù)確定磨損試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行變壓和變速試驗(yàn).變壓試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)速固定為750r/min,比壓0.18～0.54MPa;變速試驗(yàn)中,比壓固定為0.25MPa,轉(zhuǎn)速為500～1500r/min;試驗(yàn)周期均為32h.采用SartoriusA120S型電子分析天平(精度0.1mg)測(cè)量試樣磨損前后的質(zhì)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(jié)果與討論2.1比壓及轉(zhuǎn)速時(shí)涂層的摩擦學(xué)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(guān)系曲線.可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速為750r/min時(shí),2種涂層的磨損量均隨比壓增加而增大,當(dāng)比壓由0.18MPa增至0.54MPa(增大3倍)時(shí),2種涂層的磨損量增加5倍.試驗(yàn)結(jié)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(dǎo)致二者的界面結(jié)合強(qiáng)度及前者對(duì)后者的支撐力降低;同時(shí),摩擦表面的接觸應(yīng)力隨比壓增加而增大,使接觸表面以下出現(xiàn)最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力的深度增加,裂紋在表面以下更深處萌生,從而導(dǎo)致W2C顆粒的疲勞剝落加劇和對(duì)錳白銅基體的保護(hù)作用減弱.此外,由于偶件表面硬質(zhì)點(diǎn)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(fā)生塑性變形,出現(xiàn)較寬的碾壓痕跡,而且冷焊的粘著效應(yīng)增加,從而導(dǎo)致基體材料的剝落加劇(圖3).這與文獻(xiàn)的分析結(jié)果相一致.圖2(b)給出了2種涂層的磨損量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線.可以看出,當(dāng)比壓為0.25MPa時(shí),2種涂層的磨損量均隨轉(zhuǎn)速增加而增大,轉(zhuǎn)速為500～1500r/min時(shí),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(zhuǎn)速時(shí)的磨損表面形貌SEM照片.可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)其磨損表面有大量表面膜生成并擴(kuò)展,這些表面膜具有較高的表面粘著能和內(nèi)聚能,因此磨屑在表面膜上進(jìn)行二次涂抹[圖4(a)],起到了保護(hù)涂層表面的作用,有利于減小磨損.隨著轉(zhuǎn)速的增加,單位時(shí)間內(nèi)表面微突體及磨屑的切削和犁削次數(shù)增加,使涂層表面磨粒磨損加重;而且,轉(zhuǎn)速增大使得摩擦表面溫升增加(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速增加,作用于表層的交變應(yīng)力的頻率增加,使裂紋擴(kuò)展加速,導(dǎo)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(shí)可以看出W2C粒度對(duì)復(fù)合涂層磨損特性的影響.在比壓為0.18～0.54MPa及轉(zhuǎn)速為500～1500r/min范圍內(nèi),W2C粒度大的涂層的耐磨性均優(yōu)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(jù)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(jié)構(gòu),彌散強(qiáng)化效果較好,可以較好抵抗硬質(zhì)顆粒的磨粒作用;同時(shí)有利于基體表面膜的生成、擴(kuò)展及磨屑的填充和涂抹[圖5(a)],可以保護(hù)基體免遭進(jìn)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(qiáng)化效果和對(duì)基體的保護(hù)作用較差;小粒度W2C顆粒的承載能力及抵抗硬質(zhì)顆粒的能力較弱且易磨損;小顆粒W2C較多,則W2C與基體的結(jié)合界面增多,且單個(gè)W2C與基體接觸面積減小,因此兩者的界面結(jié)合強(qiáng)度降低,而W2C聚集區(qū)的界面結(jié)合強(qiáng)度更低,因此磨損過(guò)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(huì)導(dǎo)致基體大面積暴露,極易產(chǎn)生磨損[圖5(b)],因此耐磨性較差.2.3復(fù)合涂層的其它應(yīng)用性能圖2還同時(shí)示出了16Mn鋼的磨損特性結(jié)果.可以看出,在比壓為0.18～0.54MPa以及轉(zhuǎn)速為500～1500r/min范圍內(nèi),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(dòng)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(zhì)相W2C為骨架的復(fù)合涂層具有相當(dāng)高的硬度,能夠阻止大部分磨粒嵌入其中,已嵌入的磨粒會(huì)與錳白銅基體中的硬相質(zhì)點(diǎn)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(kuò)展.此外,W2C顆粒在接觸壓應(yīng)力和摩擦力的作用下可能破碎,根據(jù)能量學(xué)的觀點(diǎn),硬質(zhì)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(xiàn)出比16Mn鋼更加優(yōu)異的耐磨性.3轉(zhuǎn)速對(duì)涂層磨損量的影響a.在比壓在0.18～0.54MPa范圍內(nèi),2種無(wú)壓浸漬錳白銅合金-W2C復(fù)合涂層的磨損量隨比壓增加而增大;在