本發(fā)明屬于油田柱塞泵關(guān)鍵零部件制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種輕質(zhì)耐磨耐腐蝕鋁合金柱塞的制備方法及所制得的柱塞部件。

背景技術(shù)：

隨著中小油田、低滲透油田的加速開(kāi)發(fā)及普通油田長(zhǎng)期開(kāi)采，油層本身能量不斷地被消耗，致使油層壓力下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少。為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對(duì)油田進(jìn)行注水。

柱塞式注水泵以其泵效高、壓力高等優(yōu)點(diǎn)，在油田采油現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的運(yùn)用。但是由于柱塞泵存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)污染較敏感，柱塞容易發(fā)生腐蝕失效，所以對(duì)使用和維護(hù)要求較高，在使用的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)柱塞腐蝕泵效降低的問(wèn)題。當(dāng)前普通柱塞泵柱塞材質(zhì)一般是45鋼或40Cr，表面處理工藝為：1、鍍鉻；2、噴焊Ni60；3、激光熔覆。柱塞所處工作環(huán)境為高壓含砂及腐蝕介質(zhì)(CO₂，SO₂以及H₂S等)，表面鍍層可能由于基體表面處理不干凈或者在承受高強(qiáng)度沖擊下，表層易發(fā)生剝離，進(jìn)而加速柱塞失效。噴焊工藝由于高溫易引起基體軟化、變形等，所以柱塞使用壽命一般僅僅約為800-1200小時(shí)。激光熔覆效果較好，但是也存在工藝實(shí)施難度大，成本高等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供輕質(zhì)、耐磨、耐腐蝕性好、使用壽命長(zhǎng)，且制造成本低的油田用高壓往復(fù)式鋁合金柱塞的制備方法，還提供用這種方法制造的高壓往復(fù)式鋁合金柱塞。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種耐磨、耐腐蝕的油田用鋁合金柱塞的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

加工柱塞：采用高強(qiáng)度鋁合金作為基材，進(jìn)行毛坯鍛造后按照?qǐng)D紙機(jī)械加工形成用于油田高壓往復(fù)式柱塞泵的鋁合金柱塞；

吊裝所述柱塞，并用導(dǎo)線電性連接于非對(duì)稱雙極性脈沖電源的正極；

配置溶液：選擇Na₂SiO₃·5H₂O、Na₂B₄O₇、KF、CON₂H₄、C₆H₁₅NO₃、KOH作為溶質(zhì)，去離子水作為溶劑，各溶質(zhì)的配置濃度為Na₂SiO₃·5H₂O 8-15g/L、Na₂B₄O₇ 0.5-15g/L、KF 0.5-15g/L、CON₂H₄ 0.5-5g/L、C₆H₁₅NO₃ 0.5-20g/l、KOH 0.5-3g/L，配置的溶液置于導(dǎo)電金屬槽內(nèi)，且溶液的配置量需能夠浸沒(méi)所述柱塞；

在鋁合金柱塞表面形成陶瓷層：吊裝好的鋁合金柱塞放入配置的溶液中，將放置溶液的導(dǎo)電金屬槽接電源的負(fù)極，控制溶液溫度低于40℃，啟動(dòng)電源并采用恒壓控制，保持正向電流密度處于2-10A/dm²，待正向電壓升至400-420V時(shí)，開(kāi)始緩慢加載負(fù)向電壓，使負(fù)向電流密度處于1-6A/dm²，然后維持正負(fù)向電流密度不變，當(dāng)正向電壓升至520-580V時(shí)，斷開(kāi)電源，取出柱塞并清洗干凈；在鋁合金柱塞表面形成的陶瓷層的膜厚為40-50um間，陶瓷層的主要成分為晶態(tài)α-Al₂O₃和晶態(tài)γ-Al₂O₃，柱塞表面的顯微硬度達(dá)到Hv1500以上。

拋光：用400-800目的砂紙對(duì)柱塞的工作面進(jìn)行打磨拋光，使工作面粗糙度達(dá)到Ra＝0.4um左右，得到所述耐磨、耐腐蝕的用于油田高壓往復(fù)式柱塞泵的鋁合金柱塞。

溶質(zhì)的配置濃度優(yōu)選為：Na₂SiO₃·5H₂O 10g/L、Na₂B₄O₇ 8g/L、KF 2g/L、CON₂H₄ 3g/L、C₆H₁₅NO₃ 5g/l、KOH 2g/L。

優(yōu)選電源為頻率100-500Hz、占空比50％的非對(duì)稱雙極性脈沖電源。

控制溶液溫度30-35℃，設(shè)置電源頻率在100-200Hz、占空比為50％，保持正向電流密度處于5-6A/dm²，待正向電壓升至400-420V時(shí)，開(kāi)始緩慢加載負(fù)向電壓，使負(fù)向電流密度處于3-4A/dm²，然后維持正負(fù)向電流密度不變。

本發(fā)明還提供一種耐磨、耐腐蝕的油田用鋁合金柱塞，其特征在于，采用上述任一項(xiàng)所述方法制得。

本發(fā)明首次創(chuàng)新采用鍛造成型的高強(qiáng)鋁合金作為基體材料，加工成所要求尺寸，并在其表面原位生成致密的氧化物陶瓷層，該陶瓷層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的耐磨性能，可大幅提高油田注水泵柱塞的使用壽命。本發(fā)明的制造方法中，柱塞基材表面在高電壓條件下產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，使放電處溫度瞬間達(dá)到數(shù)千度，零件表面金屬在高溫下熔化，并與水電解產(chǎn)生的氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)形成熔融態(tài)的氧化物，隨著電火花的熄滅，金屬及氧化物迅速冷卻凝固形成晶態(tài)的氧化物陶瓷，由于經(jīng)歷了高溫?zé)Y(jié)，因此形成的陶瓷層與基體金屬呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度很高，不會(huì)剝落，本發(fā)明形成于柱塞表面的陶瓷層物質(zhì)為如α-Al₂O₃等晶體形態(tài)，具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此本發(fā)明所制備的柱塞重量輕、具有良好的耐磨、耐腐蝕性能，克服了鋼制柱塞易磨損、易生銹，耐磨層容易脫落的缺點(diǎn)。并且，本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，節(jié)約大量成本。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明各實(shí)施例的參數(shù)及得到的結(jié)果如表一所示。

表一

實(shí)施例1

下面詳細(xì)描述本實(shí)施例1的耐磨、耐腐蝕的油田用鋁合金柱塞的制備方法及柱塞，制備過(guò)程中的參數(shù)以及得到的結(jié)果如表一中實(shí)施例1對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)所示。

(1)柱塞加工

選用7A04鋁合金，依據(jù)鍛造工藝進(jìn)行柱塞的毛坯鍛造，對(duì)鍛好的毛坯進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，按照?qǐng)D紙進(jìn)行機(jī)械加工得到本實(shí)施例的鋁合金柱塞。所采用的7A04鋁合金為高強(qiáng)鋁合金，在擠壓態(tài)的抗拉強(qiáng)度為568MPa，屈服強(qiáng)度為539MPa，密度為2.85g/cm³。

(2)吊裝

吊裝柱塞，并用鋁導(dǎo)線連接柱塞基體，確保基體與導(dǎo)線連接牢固、導(dǎo)通。

(3)溶液配制

分別稱取10kg Na₂SiO₃·5H₂O、8kg Na₂B₄O₇、2kg KF、3kg CON₂H₄、5kg C₆H₁₅NO₃、2kg KOH加入1000升去離子水中，在不銹鋼槽中攪拌至溶質(zhì)完全溶解。

(4)柱塞表面陶瓷層制備

本發(fā)明采用非對(duì)稱雙極性脈沖電源。將與工裝裝配好的柱塞吊裝放入溶液中、浸沒(méi)于液面以下，連接柱塞基體的導(dǎo)線電性連接不銹鋼溶液槽上方的陽(yáng)極桿，陽(yáng)極桿連接非對(duì)稱雙極性脈沖電源的正極，不銹鋼溶液槽接電源負(fù)極。開(kāi)啟溶液冷卻系統(tǒng)，設(shè)定溶液溫度范圍為30-35℃。設(shè)置電源參數(shù)為：頻率100Hz，占空比50％，選擇恒壓控制模式，啟動(dòng)電源，保持正向電流密度6A/dm²，待正向電壓升至410V時(shí)，開(kāi)始加載負(fù)向電壓，使負(fù)向電流密度達(dá)到4A/dm²，此后維持正負(fù)向電流密度不變，在此過(guò)程中利用柱塞表面火花放電瞬間產(chǎn)生數(shù)千度高溫，使柱塞表面金屬在高溫下熔化并與電解所產(chǎn)生氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)形成熔融態(tài)陶瓷氧化物，隨著電火花的熄滅，柱塞金屬及表面的陶瓷氧化物迅速冷卻凝固，從而在柱塞表面形成α-Al₂O₃等晶體形態(tài)的氧化物陶瓷層，隨著柱塞表面陶瓷層的形成，正向電壓開(kāi)始上升，當(dāng)正向電壓升至539V時(shí)，預(yù)計(jì)此時(shí)柱塞表面陶瓷層厚度處于40-50um間，其顯微硬度達(dá)到Hv1500以上，斷開(kāi)電源，取出柱塞，拆卸工裝，用水清洗干凈。經(jīng)檢測(cè)，柱塞表面生成的耐磨層主要由α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃及少量莫來(lái)石組成，耐磨層厚度處于46um，耐磨層顯微硬度Hv1654。

(5)拋光

用600目砂紙對(duì)柱塞的工作面進(jìn)行拋光，使工作面粗糙度達(dá)到Ra＝0.4um，這樣就得到了本實(shí)施例1的耐磨、耐腐蝕的油田用鋁合金柱塞。

實(shí)施例2

本實(shí)施例2中方法步驟與實(shí)施例1相同，所不同的是采用表一所示實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，得到的耐磨層也如表一實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所示，不再贅述。

實(shí)施例3

本實(shí)施例3中方法步驟與實(shí)施例1相同，所不同的是采用表一所示實(shí)施例3對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，得到的耐磨層也如表一實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所示，不再贅述。

實(shí)施例4

本實(shí)施例4中方法步驟與實(shí)施例1相同，所不同的是采用表一所示實(shí)施例4對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，得到的耐磨層也如表一實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所示，不再贅述。

本發(fā)明用高強(qiáng)度鋁合金替代傳鋼質(zhì)材料制備柱塞，使得柱塞重量大幅減小，降低了能耗。同時(shí)由于經(jīng)歷了高溫?zé)Y(jié)，因此柱塞表面上形成的陶瓷層與基體金屬呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度很高，所形成的陶瓷層具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。因此本發(fā)明所制備的柱塞具有良好的耐磨、耐腐蝕性能，避免了鋼質(zhì)柱塞易磨損、易生銹的缺點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于各類柱塞。