一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法。特點(diǎn)是采用近年來新出現(xiàn)的超聲冷鍛技術(shù)作為預(yù)處理，然后在超聲冷鍛技術(shù)產(chǎn)生的具有大量晶格畸變和位錯(cuò)的塑性變形層上采用微弧氧化技術(shù)，再形成一個(gè)結(jié)構(gòu)致密陶瓷膜層。其具體步驟包括：清除鋁合金鉆桿表面污染物，進(jìn)行特定參數(shù)的超聲冷鍛預(yù)處理，清洗樣品后進(jìn)行特定參數(shù)的微弧氧化處理得到兩個(gè)性能優(yōu)異的強(qiáng)化層。本發(fā)明中制備的硬質(zhì)塑性變形層，晶粒尺寸和硬度呈梯度變化，使與微弧氧化層之間有良好的結(jié)合力，也使得微弧氧化層更加致密，耐磨和耐腐蝕性大大提高，能對(duì)鉆桿進(jìn)行有效的保護(hù)，提高其壽命，且制備過程簡單環(huán)保，成本低。
【專利說明】一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，確切的說是一種在鉆桿基體上采用特定參數(shù)的超聲冷鍛技術(shù)預(yù)處理后，再在其產(chǎn)生的強(qiáng)化層上進(jìn)行特定參數(shù)微弧氧化處理的強(qiáng)化方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著石油、天然氣消耗量的迅速增大，深層油氣資源的勘探開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)油田油氣資源戰(zhàn)略接替的主要途徑，同時(shí)也是人類開發(fā)利用資源的必然趨勢。為開發(fā)深層資源，超深井、水平井、高腐蝕介質(zhì)井等復(fù)雜工況環(huán)境勘探開發(fā)井的數(shù)量快速增多，由此不斷給勘探開發(fā)設(shè)備和技術(shù)提出更高的要求，特別是給鉆桿提出了新要求。
[0004]在地質(zhì)深井和超深井鉆探過程中，鋁合金鉆桿以其密度小，重量輕，比強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢被廣泛使用，而鋁合金鉆桿存在硬度低，易磨損，高溫力學(xué)性能差，抗鹽腐蝕能力差等缺點(diǎn)，容易在使用過程中產(chǎn)生劃痕，磨痕和拉斷等失效形式，大大降低了鉆桿使用壽命。而且地溫梯度是按照3°C/100m增長的，五六千米的深井下地溫約為200°C，再加上腐蝕等多種因素的作用，對(duì)鉆桿的要求更加苛刻。因此，采用具有良好高溫摩擦性能和抗腐蝕性能的鋁合金鉆桿是十分必要的，能從很大程度上提高鉆井效率和降低鉆探過程中的費(fèi)用。我們采用特定參數(shù)的超聲冷鍛技術(shù)和微弧氧化技術(shù)，加工簡單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，產(chǎn)生的保護(hù)層性能優(yōu)異，因此這兩種技術(shù)更加適合作為地質(zhì)深井和超深井使用的鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化技術(shù)。
[0005]超聲冷鍛技術(shù)(UCFT)是利用超聲能量在金屬機(jī)械零部件上方便、快速、低成本、大規(guī)模地進(jìn)行表面自身納米化加工處理的新方法，同時(shí)能顯著提高強(qiáng)度，硬度，疲勞強(qiáng)度，耐磨性和使用壽命，但是在深井和超深井鉆探過程中溫度較高，又存在腐蝕作用，因此單獨(dú)使用該技術(shù)的效果并不理想。
[0006]專利2011103606700公開了一種鈦鋁基金屬間化合物材料的表面納米改性方法，步驟如下:(1)將鈦鋁基金屬間化合物材料線切割為樣品；(2)對(duì)樣品表面進(jìn)行清洗，然后烘干；(3)將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為200轉(zhuǎn)/分?350轉(zhuǎn)/分，使用耐磨鋼球尺寸范圍Imm?10mm，使用球料質(zhì)量比范圍為10:1?40:1，球磨時(shí)間范圍為0.5小時(shí)?24小時(shí)。通過高能球磨技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)T1、Al基金屬的高應(yīng)變速率、隨機(jī)應(yīng)變方向的表面強(qiáng)烈塑性變形，使其表面晶粒得到充分細(xì)化，并且形成了一定厚度的、具有晶粒尺寸漸變梯度的納米結(jié)構(gòu)表面層，大大增加了表面硬度，并有效地提高了制品的疲勞抗性和耐磨性能。但是對(duì)于鋁合金鉆桿來說，在鉆探過程中強(qiáng)烈摩擦和腐蝕等惡劣環(huán)境下，僅僅是單一的納米化處理只能提高其摩擦性能，對(duì)于腐蝕性能的提高程度很輕微，要想更好的提高在鉆探過程中的鋁合金鉆桿摩擦和腐蝕性能，僅做納米化處理是完全不夠的。
[0007]微弧氧化技術(shù)(MAO)又稱微等離子體氧化技術(shù)或陽極火花沉積技術(shù)，這是一種在輕合金表面通過微等離子體放電，進(jìn)行復(fù)雜的電化學(xué)、等離子化學(xué)和熱化學(xué)過程原位生長氧化物陶瓷膜層的新技術(shù)。利用此項(xiàng)技術(shù)形成的表面膜層與基體的結(jié)合力較強(qiáng)、硬度高，耐磨性、耐蝕性、抗熱震性高，但是在深井、超深井環(huán)境下性能不夠強(qiáng)，可能會(huì)較快的發(fā)生剝落和磨穿。
[0008]專利2012103756558公開了一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，屬于鋁合金表面處理技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過在鋁合金微弧氧化過程中同時(shí)施加方波脈沖電壓及高頻載波而得以實(shí)現(xiàn)，其配套電解液主要由基礎(chǔ)組成、輔助添加劑和致密化添加劑組成。通過特定的外部電參數(shù)及相關(guān)配套優(yōu)化電解液相互配合，針對(duì)應(yīng)用的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)了鋁合金微弧氧化膜的超強(qiáng)耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性、良好的隔熱性、超薄性、超厚性、超硬性及良好的光潔度。該方法能制備一個(gè)性能不錯(cuò)的微弧氧化層，但是鋁合金鉆桿工作條件苛刻，微弧氧化層可能很快就會(huì)剝落，因而需要尋求降低基體內(nèi)應(yīng)力和增強(qiáng)膜基結(jié)合力的方法，使微弧氧化層更加致密且不易剝落。
[0009]因此，本發(fā)明中選用特定工藝參數(shù)，把兩種技術(shù)良好的結(jié)合起來，加工簡單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，產(chǎn)生的保護(hù)層性能優(yōu)異，既提高了抗摩減磨性能，又提高了抗腐蝕性能，提高了深井和超深井鉆探的鉆桿使用壽命和鉆探效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有的鋁合金鉆桿在地質(zhì)深井和超深井鉆探過程中硬度低，易磨損，高溫力學(xué)性能差，抗鹽腐蝕能力差，并且容易在使用過程中產(chǎn)生劃痕，磨痕和拉斷等失效形式，使得鉆桿使用壽命較短的不足，本發(fā)明提供了一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，該方法加工簡單，過程環(huán)保，加工使晶粒得到細(xì)化，發(fā)生晶格畸變和大量位錯(cuò)，通過調(diào)節(jié)載荷，頻率和進(jìn)給速度等參數(shù)制備出晶粒尺寸呈梯度變化，硬度可控并也呈梯度變化的性能優(yōu)異的塑性變形層。然后在超聲冷鍛技術(shù)產(chǎn)生的塑性變形層上采用微弧氧化技術(shù)，再形成一個(gè)微弧氧化陶瓷膜層，其結(jié)構(gòu)致密，且電解質(zhì)溶液會(huì)與少量鋁發(fā)生反應(yīng)，生成Y-Al2O3和Ct-Al2O3兩種相，這兩種相均能提高微弧氧化層的硬度，進(jìn)一步提高耐磨性。與直接在基體上微弧氧化相比，塑性變形層中的晶格畸變和大量位錯(cuò)，降低了基體的內(nèi)應(yīng)力，增大了膜基結(jié)合力，使基體與微弧氧化層結(jié)合牢固，塑性變形層提高了微弧氧化層的摩擦學(xué)性能，微弧氧化層又提高了鋁合金鉆桿的抗腐蝕性能。采用兩種技術(shù)對(duì)鋁合金鉆桿進(jìn)行復(fù)合處理可以有效解決鋁合金鉆桿硬度低，易磨損，高溫力學(xué)性能差，抗鹽腐蝕能力差等缺點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，包含以下步驟:
(1)將鋁合金鉆桿在丙酮溶液中清洗，之后再用無水乙醇超聲清洗10?30min，之后自然風(fēng)干；
(2)將風(fēng)干后的鋁合金鉆桿夾持在超聲冷鍛設(shè)備上，采用分段加工的方法對(duì)鋁合金鉆桿進(jìn)行超聲冷鍛處理，產(chǎn)生一個(gè)厚度約50?300μπι厚的硬質(zhì)塑性變形層；
(3)將超聲冷鍛處理后的鋁合金鉆桿超聲清洗10~30min，并烘干；
(4)將烘干后的鋁合金鉆桿放入微弧氧化設(shè)備中，配制微弧氧化電解質(zhì)溶液，并調(diào)節(jié)微弧氧化設(shè)備的參數(shù)，采用分段加工的方法對(duì)鋁合金鉆桿進(jìn)行微弧氧化30?90 min，形成一個(gè)5?40μπι厚疏松多孔硬質(zhì)陶瓷微弧氧化層； (5)將微弧氧化后的鋁合金鉆桿用清洗沖洗，并采用熱水進(jìn)行封閉，增強(qiáng)膜的耐蝕性，之后自然風(fēng)干，即在鋁合金鉆桿表面制備出耐磨和抗腐蝕的表面強(qiáng)化層。
[0012]優(yōu)選的，步驟(I)中使用的鋁合金鉆桿所用的材料為2024、2219、2618、和7075等多種常見的鋁合金。
[0013]優(yōu)選的，步驟(2)中超聲冷鍛設(shè)備的相關(guān)參數(shù)為:振動(dòng)頻率為15?22 KHz，振幅1?45 um，載荷50?400 N，主軸轉(zhuǎn)速50?250 ^1^11，進(jìn)給速度0.01~0.03 mm/rev，沖頭直徑4?10mm，加工4?24次。采用上述參數(shù)進(jìn)行加工后，鋁合金鉆桿表面產(chǎn)生了一個(gè)厚度約80?450um的硬質(zhì)塑性變形層，該變形層晶粒尺寸呈梯度變化且被細(xì)化，因此硬度提高且也呈梯度變化，產(chǎn)生了適度的晶格畸變，位錯(cuò)增加，使微弧氧化層與塑性變形層間的滲透作用大大加強(qiáng)，增大了層間的結(jié)合力，能夠?qū)ξ⒒⊙趸瘜佑懈玫闹?，與其他參數(shù)相比，
【申請(qǐng)人】使用的優(yōu)化后的工藝參數(shù)使微弧氧化層與硬質(zhì)塑性變形層結(jié)合的更加緊密，不易脫落，也使微弧氧化層更加致密，更加耐磨、耐腐蝕。
[0014]優(yōu)選的，步驟(2)中的分段加工的方法為:將鋁合金鉆桿分段加工，每段加工30cm，每加工5段后調(diào)換方向繼續(xù)加工，以此類推，并在數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌上安裝頂尖，以減少加工過程中的離心。
[0015]優(yōu)選的，步驟(4)中微弧氧化設(shè)備采用的電解質(zhì)溶液為2?10 g/L NaS13和0.2?1.2 g/L Κ0Η，溫度為15?40 °C，陰極材料為316L不銹鋼，電流密度為2?12 A/dm2，頻率為250?750 Hz。該電解液配置方案，與一般工藝參數(shù)不同，是和上述超聲冷鍛工藝參數(shù)共同反復(fù)實(shí)驗(yàn)所優(yōu)化得出的，制備的微弧氧化層與普通的在合金上制備的相比，由于其基體的特定工藝，硬度可由載荷和沖擊次數(shù)的參數(shù)來控制，形成一個(gè)硬度可控且呈梯度變化的變形層，加上特定的微弧氧化參數(shù)，使制備的微弧氧化層更加致密，硬度也更高，約為基體2?4倍。此外，電解質(zhì)溶液會(huì)與少量鋁發(fā)生反應(yīng)，生成Y-Al2O3和Ct-Al2O3兩種相，這兩種相均能提高微弧氧化層的硬度，提高耐磨性。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)本發(fā)明中先對(duì)鋁合金鉆桿采用超聲冷鍛技術(shù)作為預(yù)處理，產(chǎn)生了一個(gè)塑性變形層，該塑性變形層平均晶粒尺寸25?35nm，產(chǎn)生了晶格畸變和大量位錯(cuò)，晶粒尺寸呈梯度漸變，導(dǎo)致硬度也呈梯度變化，基體硬度約為100?120HV，加工后硬度約為120?185HV，極大地提高了鋁合金鉆桿表面性能，降低了內(nèi)應(yīng)力，增大了膜基結(jié)合力，在此塑性變形層上進(jìn)行微弧氧化處理，與原有的直接微弧氧化處理相比，微弧氧化層很好的滲透到塑性變形層中，二者間的結(jié)合力大大提高，超聲冷鍛塑性變形層給予微弧氧化層良好的支撐，使微弧氧化層結(jié)構(gòu)更加致密，與直接微弧氧化相比，本發(fā)明中特定工藝參數(shù)的復(fù)合處理，使微弧氧化層表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和耐腐蝕性，經(jīng)后期實(shí)驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)，采用該工藝參數(shù)制備的復(fù)合保護(hù)層，在同溫度下能夠極大降低磨損率，磨痕深度和寬度都要更小，腐蝕性能與未處理鉆桿相比也有很大提升，對(duì)基體有良好的保護(hù)作用，提高了鉆桿的摩擦學(xué)和耐腐蝕性能；
(2)本發(fā)明中將超聲冷鍛和微弧氧化技術(shù)復(fù)合處理應(yīng)用于鋁合金鉆桿，能有效解決鋁合金鉆桿硬度低，易磨損，高溫力學(xué)性能差，抗鹽腐蝕能力差等缺點(diǎn)，減少在使用過程中產(chǎn)生劃痕，磨痕和拉斷等失效形式，使其在深井、超深井等復(fù)雜環(huán)境中的使用壽命提高2~3倍左右；
(3)本發(fā)明中對(duì)鋁合金鉆桿采用的超聲冷鍛和微弧氧化復(fù)合處理，過程簡單環(huán)保，價(jià)格低廉，沒有對(duì)人體有害成分，能夠在大大提尚鉆桿性能的基礎(chǔ)上減少成本，能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017]圖1為采用本發(fā)明的方法制備出的強(qiáng)化層的切面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為UCFT處理前后2618鋁合金樣品橫截面硬度分布圖；
圖3為MAO處理和MA0+UCFT處理2618鋁合金樣品橫截面硬度分布圖；
圖4為在不同的溫度條件下，未處理與UCFT處理2618鋁合金樣品磨損率對(duì)比圖；
圖5為在不同的溫度條件下，MAO處理和MA0+UCFT處理2618鋁合金樣品的磨損率對(duì)比圖；
圖6為經(jīng)過超聲冷鍛處理和未處理2618鋁合金樣品在25 °C、80 °C、160 °C、200 °C下與Al2O3球?qū)δズ竽ズ郾砻鍿EM圖；
圖7為采用微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理后2618鋁合金樣品在25°C、80°C、160°C、200°C下與Al2O3球?qū)δサ哪ズ郾砻鍿EM圖。
[0018]圖中符號(hào)說明:1、微弧氧化層;2、塑性變形層;3、鋁合金基體。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
實(shí)施例1:
(1)首先采用丙酮溶液清洗2618鋁合金基體3表面污染物，之后用無水乙醇超聲清洗1min，然后在流動(dòng)空氣中自然風(fēng)干；
(2)將清理好的鋁合金基體3夾持到超聲冷鍛設(shè)備上，調(diào)節(jié)超聲冷鍛設(shè)備的參數(shù)振動(dòng)頻率為18KHz，振幅25um，載荷200N，主軸轉(zhuǎn)速150r/min，進(jìn)給速度0.0 lmm/rev，沖頭直徑Imm，每平方毫米沖擊次數(shù)18000次。設(shè)定程序，加工10遍，待加工完成后取下鋁合金基體3;
(3)再次對(duì)鋁合金基體3超聲清洗1min，烘干；
(4)將鋁合金基體3放入微弧氧化設(shè)備的微弧氧化槽中，采用電解質(zhì)溶液為4g/LNaS13和0.4 g/L Κ0Η，溫度為20 °C，陰極材料316L不銹鋼，電流密度4A/dm2，頻率450Hz，加工40min;
(5)取出鋁合金基體3，進(jìn)行清水沖洗，然后熱水封閉，最后自然干燥。
[0020]經(jīng)超聲冷鍛處理后的2618鋁合金基體3表面生成了平均晶粒尺寸約35nm及厚度約160um的塑性變形層2，表面硬度由120HV上升到175HV;超聲冷鍛和微弧氧化結(jié)合處理的2618鋁合金基體3后，表面形成了厚度約為19um的疏松多孔的硬質(zhì)陶瓷微弧氧化層I，表面硬度由120HV上升到416 HV。其他參數(shù)相同情況下，復(fù)合處理有更加優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性會(huì)K。
[0021]實(shí)施例2:
(1)首先采用丙酮溶液清洗2024鋁合金基體3鉆桿表面污染物，之后用無水乙醇超聲清洗20min，然后在流動(dòng)空氣中自然風(fēng)干；
(2)將清理好的鋁合金基體3夾持到超聲冷鍛設(shè)備上，調(diào)節(jié)超聲冷鍛設(shè)備的參數(shù)振動(dòng)頻率為20KHz，振幅30um，載荷250N，主軸轉(zhuǎn)速200r/min，進(jìn)給速度0.02mm/rev，沖頭直徑lmm，每平方毫米沖擊次數(shù)20000次。設(shè)定程序，加工15遍，待加工完成后取下鋁合金基體3;
(3)再次對(duì)招合金基體3超聲清洗20min，烘干；
(4)將鋁合金基體3放入微弧氧化設(shè)備的微弧氧化槽中，采用電解質(zhì)溶液為5g/LNaS13和0.5 g/L Κ0Η，溫度為20 °C，陰極材料316L不銹鋼，電流密度5A/dm2，頻率500Hz，加工50min;
(5)取出鋁合金基體3，進(jìn)行清水沖洗，然后熱水封閉，最后自然干燥。
[0022]經(jīng)超聲冷鍛處理后2024鋁合金基體3表面生成了平均晶粒尺寸約29nm及厚度約200um的塑性變形層2，表面硬度由135HV上升到190HV;超聲冷鍛和微弧氧化結(jié)合處理的2024鋁合金基體3表面形成了厚度約為20um的疏松多孔的硬質(zhì)陶瓷微弧氧化層I，表面硬度由135HV上升到420 HV。其他參數(shù)相同情況下，復(fù)合處理有更加優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性能。
[0023]實(shí)施例3:
(1)首先采用丙酮溶液清洗2219鋁合金基體3鉆桿表面污染物，之后用無水乙醇超聲清洗25min，然后在流動(dòng)空氣中自然風(fēng)干；
(2)將清理好的鋁合金基體3夾持到超聲冷鍛設(shè)備上，調(diào)節(jié)超聲冷鍛設(shè)備的參數(shù)振動(dòng)頻率為22KHz，振幅35um，載荷300N，主軸轉(zhuǎn)速250r/min，進(jìn)給速度0.03mm/rev，沖頭直徑lmm，每平方毫米沖擊次數(shù)22000次。設(shè)定程序，加工20遍，待加工完成后取下鋁合金基體3;
(3)再次對(duì)招合金基體3超聲清洗30min，烘干；
(4)將鋁合金基體3放入微弧氧化設(shè)備的微弧氧化槽中，采用電解質(zhì)溶液為6g/LNaS13和0.6 g/L Κ0Η，溫度為20 °C，陰極材料316L不銹鋼，電流密度6A/dm2，頻率550Hz，加工60mino
[0024](5)取出鋁合金基體3，進(jìn)行清水沖洗，然后熱水封閉，最后自然干燥。
[0025]經(jīng)超聲冷鍛處理后2219鋁合金表面生成了平均晶粒尺寸約27nm及厚度約220um的塑性變形層，表面硬度由115HV上升到186HV;超聲冷鍛+微弧氧化處理的2618鋁合金表面形成了厚度約為21um的疏松多孔的硬質(zhì)陶瓷微弧氧化層，表面硬度由115HV上升到422HV。其他參數(shù)相同情況下，復(fù)合處理有更加優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性能。
[0026]樣品表征:
1、硬度分析
采用MH-6型顯微硬度計(jì)測量樣品表面硬度和橫截面硬度，加載力為50 g，加載5 S，測量五次取平均值。此外，利用樣品硬度沿橫截面深度變化來表征影響層的厚度，影響層厚度義為當(dāng)橫截面硬度開始小于等于樣品心部硬度的110%時(shí)對(duì)應(yīng)的深度。圖2為超聲冷鍛技術(shù)處理前后2618鋁合金樣品橫截面硬度分布圖，圖3為嫩0處理和1^0+1^^1'處理2618鋁合金樣品截面硬度分布圖。
[0027]從圖2中可以看出，未處理樣品的表面硬度為120HV左右，超聲冷鍛處理樣品的表面硬度為185HV左右。經(jīng)過超聲冷鍛處理后，樣品的硬度由表面到芯部逐漸降低，且超聲冷鍛處理前后2618鋁合金芯部硬度基本不變，說明經(jīng)超聲冷鍛技術(shù)處理后2618鋁合金表面形成了厚度約為200um的塑性變形層，且由表層到芯部硬度呈梯度遞減。
[0028]從圖3可以看出，微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理后表面硬度值相同，都是420HV。只采用微弧氧化處理的鋁合金樣品，截面硬度隨深度增加而迅速降低，直到深度為50um時(shí)，硬度值基本保持不變。采用超聲冷鍛+微弧氧化處理后，鋁合金樣品的截面硬度由表面到基體隨深度增加而迅速降低，在距離表面約50um處到200um處，超聲冷鍛+微弧氧化處理鋁合金樣品的硬度明顯高于微弧氧化處理鋁合金樣品。復(fù)合處理后的樣品當(dāng)深度大于200um左右時(shí)硬度與微弧氧化處理的鋁合金樣品的硬度基本相同，表明此時(shí)深度都已到達(dá)基體處，超聲冷鍛處理后形成的塑性變形層厚度約為200um，硬度由表及里呈現(xiàn)遞減趨勢。
[0029]2、磨損率分析
在不同的溫度條件下，未處理與超聲冷鍛處理2618鋁合金樣品磨損率對(duì)比如圖4所示，微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理樣品的磨損率如圖5所示。
[0030]從圖4可以看出，在相同溫度下，未處理樣品的磨痕寬度和深度要比超聲冷鍛處理樣品的大。未處理樣品與超聲冷鍛處理樣品的磨損率都隨溫度升高而增大，但是在同一溫度下，超聲冷鍛處理樣品與未處理樣品相比，前者的磨損率要明顯低于后者。綜合超聲冷鍛處理與未處理樣品的二維磨痕截面圖與磨損率對(duì)比圖，可得出超聲冷鍛處理后的形成的硬質(zhì)塑性變形層可能對(duì)樣品的耐磨性有所提高。從圖5可以看出，微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理樣品的磨損率都隨著溫度的升高而增大，但在相同溫度下，后者磨損率要低于前者。
[0031]3、磨痕形貌SEM圖分析如圖6所示，為經(jīng)過超聲冷鍛處理和未處理2618鋁合金樣品在25°(:、80°(:、160°(:、2001€
下與Al203球?qū)δズ竽ズ郾砻鍿EM圖，圖中(a，c，e，g)和(b，d，f，h)分別為25°C、80°C、160°C、200 V下未處理樣品和UCFT樣品。如圖7所示，為采用微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理后2618鋁合金樣品在25°(:、80°(:、160°(:、200°(:四個(gè)不同溫度下與41203球?qū)δサ哪ズ郾砻鍿EM圖，圖中(a，c，e，g)和(b，d，f，h)分別為25°(:、80°(:、160°(:、200°(:下]\^0處理與]\^0+1^卩丁處理樣品。圖中的SD表示滑動(dòng)方向。
[0032]從圖6中可以看出，可能是因?yàn)锳l2O3對(duì)磨球硬度較高，未處理樣品和超聲冷鍛處理樣品在四種溫度下對(duì)磨過程中均發(fā)生了程度不同的塑性變形，而且塑性變形的程度隨著溫度的升高也越來越大。對(duì)于未處理樣品來說，從圖中可以看出，隨著溫度升高，樣品表面形成的犁溝和塊狀凸起越嚴(yán)重，當(dāng)溫度達(dá)到160°C和200°C時(shí)磨痕表面不規(guī)則凸起十分明顯，同時(shí)也可以從圖中看到對(duì)磨過程中有少量磨肩剝落，說明發(fā)生了較為嚴(yán)重的塑性變形，黏著磨損和一定程度的磨粒磨損。對(duì)于超聲冷鍛處理后的樣品，塑性變形程度也隨著溫度升高而變大，但是相比于同溫度下未處理樣品其塑性變形程度明顯較小，且超聲冷鍛樣品磨痕表面沒有出現(xiàn)明顯的凸起，只有較為明顯的犁溝，表面也有少量磨肩剝落，因此超聲冷鍛處理后的樣品發(fā)生了相比于未處理樣品程度較低的塑性變形，黏著磨損和磨粒磨損。從圖7可以看出，兩種處理的表面磨損狀況都隨溫度升高而有所加重，硬質(zhì)多孔陶瓷層被壓塌，表面幾乎看不到原有的微孔，磨痕處有犁溝出現(xiàn)，當(dāng)溫度較高時(shí)磨痕處會(huì)有輕微層片狀凸起，兩種樣品磨損機(jī)制主要為黏著磨損和磨粒磨損。超聲冷鍛+微弧氧化處理后樣品的磨損程度要低于微弧氧化處理的樣品。
[0033]結(jié)果與討論:
對(duì)于未處理2618鋁合金樣品，由于其表面硬度比較低，當(dāng)與Al2O3對(duì)磨球?qū)δミ^程中，由于對(duì)磨球硬度高，二者對(duì)磨后鋁合金樣品表面會(huì)產(chǎn)生塑性變形，且塑性變形程度會(huì)隨著溫度升高而趨于嚴(yán)重，磨粒經(jīng)過多次碾壓，最后依附于樣品表面形成凸起，進(jìn)一步增大了樣品平均摩擦系數(shù)和磨損率。而對(duì)于超聲冷鍛處理樣品，由于在處理過程中表面形成了硬質(zhì)塑性變形層，該變形層能夠抵御一部分對(duì)磨過程中對(duì)樣品表面的損傷，但是其硬度還是不及Al2O3對(duì)磨球，因此表面也會(huì)產(chǎn)生一定程度塑性變形。而且塑性變形程度也隨著溫度升高而增大，但是相比于同溫度下未處理樣品，超聲冷鍛處理樣品磨痕表面未形成明顯凸起，磨損程度也較小，平均摩擦系數(shù)和磨損率也較低。
[0034]總之，未處理樣品磨損機(jī)制主要是較為嚴(yán)重的塑性變形，黏著磨損和磨粒磨損，而超聲冷鍛處理后樣品磨損機(jī)制是程度較低的塑性變形，黏著磨損和磨粒磨損。超聲冷鍛處理后的樣品高溫摩擦學(xué)性能要比未處理樣品的好，在一溫度下，超聲冷鍛處理樣品的平均摩擦系數(shù)和磨損率都要低于未處理樣品。
[0035]采用微弧氧化處理和超聲冷鍛+微弧氧化處理后2618鋁合金樣品，隨著溫度的升高，由于作為基體的Al在高溫條件下承載能力會(huì)下降，因此都容易被磨損，磨損時(shí)剝落的細(xì)小顆粒物更容易被壓平，因此樣品平均摩擦系數(shù)會(huì)逐漸降低。而且微弧氧化形成的陶瓷膜的脆性會(huì)隨溫度升高而變大，所以兩種處理的樣品表層的疏松多孔結(jié)構(gòu)也越來越容易被壓平，近而被磨掉，所以兩種處理的磨損率都是隨溫度升高而變大的。但是由于超聲冷鍛預(yù)處理會(huì)在鋁合金樣品表面形成一個(gè)硬質(zhì)塑性變形層，其承載能力要高于未進(jìn)行超聲冷鍛預(yù)處理的樣品，所以在同一溫度下超聲冷鍛+微弧氧化處理樣品的磨損率要低于直接微弧氧化處理的樣品。
[0036]綜上所述，兩種處理方式的磨損機(jī)制都是黏著磨損和磨粒磨損，但是超聲冷鍛+微弧氧化處理的樣品高溫摩擦學(xué)性能要好于微弧氧化處理樣品。同一溫度下，超聲冷鍛+微弧氧化處理樣品的平均摩擦系數(shù)和磨損率都要遠(yuǎn)低于微弧氧化處理樣品。
[0037]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，其特征在于，所述的方法包含以下步驟: (1)將鋁合金鉆桿在丙酮溶液中清洗，之后再用無水乙醇超聲清洗10?30min，之后自然風(fēng)干； (2)將風(fēng)干后的鋁合金鉆桿夾持在超聲冷鍛設(shè)備上，采用分段加工的方法對(duì)鋁合金鉆桿進(jìn)行超聲冷鍛處理； (3)將超聲冷鍛處理后的鋁合金鉆桿超聲清洗10~30min，并烘干； (4)將烘干后的鋁合金鉆桿放入微弧氧化設(shè)備中，配制微弧氧化電解質(zhì)溶液，并調(diào)節(jié)微弧氧化設(shè)備的參數(shù)，采用分段加工的方法對(duì)鋁合金鉆桿進(jìn)行微弧氧化30?90 min； (5)將微弧氧化后的鋁合金鉆桿用清洗沖洗，并采用熱水進(jìn)行封閉，之后自然風(fēng)干，SP在鋁合金鉆桿表面制備出耐磨和抗腐蝕的表面強(qiáng)化層。2.如權(quán)利要求1所述的一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，其特征在于，步驟(I)中使用的鋁合金鉆桿所用的材料為2024、2219、2618、和7075等多種常見的鋁I=IO3.如權(quán)利要求1所述的一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，其特征在于，步驟(2)中超聲冷鍛設(shè)備的相關(guān)參數(shù)為:振動(dòng)頻率為15?22 KHz，振幅10?45 um，載荷50?400 N，主軸轉(zhuǎn)速5CK250 r/min，進(jìn)給速度0.01?0.03 mm/rev，沖頭直徑4?10 mm，加工次數(shù)4?24次。4.如權(quán)利要求1所述的一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，其特征在于，步驟(2)中的分段加工的方法為:將鋁合金鉆桿分段加工，每段加工30cm，每加工5段后調(diào)換方向繼續(xù)加工，以此類推。5.如權(quán)利要求1所述的一種耐磨和抗腐蝕鋁合金鉆桿表面強(qiáng)化層的制備方法，其特征在于，步驟(4)中微弧氧化設(shè)備采用的電解質(zhì)溶液為2?10 g/L NaS13和0.2?1.2 g/L KOH,溫度為15?40 °C，陰極材料為316L不銹鋼，電流密度為2?12 A/dm2，頻率為250?750 Hz。
【文檔編號(hào)】C22F1/04GK106048687SQ201610619267
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月2日
【發(fā)明人】梁健, 岳 文, 伊鵬, 孫建華, 張永勤, 付志強(qiáng), 劉秀美, 劉俊秀
【申請(qǐng)人】中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所, 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）