高铬铸铁缸套表面改性探究.pdfVIP

高铬铸铁缸套表面改性研究 曾宪贤 李风婷 茅居里 陈平贵 (新一工学院，乌●束弄驺∞∞’ f新●贝青工业发展有艉公司。乌鲁丰齐s，∞11) 纂蔓详细描述了离子注入技术在泥浆泵虹套表面改性中研究和应用。提出了离子注入高铬 ，。?镉离子注入’高黼难套’工业应飞‘ 引言 石油钻机配套设备泥浆泵中缸套活塞的工作条件恶劣．受疲劳磨损、磨料磨损、介质腐 蚀等多重作用，是主要的易损件。 1缸套失效机制分析 据缸套的运动特性、泥浆成份分析可知，高铬铸铁缸套的失效是三种磨损共同作用的结 果。在初始阶段，表面磨损主要是疲劳磨损，继而为磨粒磨损，后期由于缸套内部不可避免 地存在疏松、孔洞、夹杂物等缺陷，以及疲劳磨损、磨粒磨损造成的裂纹，加速了腐蚀作用。 2离子注入高铬铸铁材料表面改性工艺实验 2．】实验安排 在进行缸套离子注入改性前，先进行样品离子注入改性实验．样品材料选用与缸套同牌 号的高铬铸铁，加工成不同的形状，进行与缸套相同的热处理，后经抛光、清洗、烘干，进 行离子注入改性处理。然后将注入样品与未注入样品进行显微硬度、疲劳磨损、磨粒磨损、 摩擦系数和x衍射测试对比分析。 2．2实验结果及分析 (1)通过对实验数据统计分析得表面显檄硬度与氮离子注入剂量关系，。在注入剂量8x 10-W．cm4处有一极值Hvl530，与未注入样品相比提高3倍。磨粒磨损量最少。 f2诳6×10”N+．锄。2注入剂量时．磨损失重最低．耐磨性提高3倍。 a)通过实验对单元、双元注入剂量与摩擦系数下降率的关系分析说明：摩擦系数的下 降辜不但与离子种类有关，且与总的注入剂量有关。 (4)从x衍射物相分析得出：经单元氯或双元注入后，表面层出现了金属氮化物(crN) 的新相；基体内的间隙化合物(cH岛)不但未减少．反而不同程度地有所增加；Fec渗碳 体经离子注入后平均下降2~4倍；a．Fe增加2—3倍，对于单元钛注入，一部分形成了周溶体， 另一部分形成非晶碳氟台金化合物【l】。 2．3 离子注入矗铬铸铁缸套表面改性机制 r fd五 根据疲劳磨损方程嗍 j 也 可知降低裂纹深度d和平均裂纹长大速率五可降低疲劳磨损率船，』为突点间距，t 为裂纹问距．而d与摩擦系数成正比，五与内部位错有关。由于高能离子的注入．可在高铬 615 铸铁的近表层内产生大量的晶格缺陷，使位错密度大大提高，起到“钉扎”的作用，阻止裂 纹的增长速率，对于大量的点缺陷，又可阻止位错的移动以及它们的凝聚而形成可塑型态的 表面层，使表面强度加大{同时注入所产生的淀积物存在于近表面层，其尺寸分布要比普通 冶金过程中发现的淀积物小得多【2】，从而降低了摩撩系数。因此，经适当的离子注入的高铬 铸铁．能提高其抗疲劳音损能力。 据磨粒磨损理论Dl，磨损率与表面硬度吃成反比，同时与磨粒硬度风有关。当也风。 时，材料磨损很小，当玩tl_3￡‘时．很少发生磨粒磨损；当风(甄．时，材料被剧烈磨损。 根据显教硬度测试结果，注入前金属材料硬度风为50|m枷，磨料石英砂硬度凰1100左右- 在高磨损区。当注入剂量为8×101’Ⅳ-cm-2时，硬度提高到风1530．满足玩≈1-3风， 使材料磨损由高磨损区转移到低磨损区，提高了缸套的耐磨料磨损能力。 腐蚀磨损舳作用机理主要是微电池的作用。首先氮离子注入高铬铸铁．可提高表面抗疲 劳性能和磨粒磨损性能，从而抑制裂纹、沟槽的产生、扩展．阻止腐蚀介质的流八和阳离子 向外扩散。提高耐腐蚀性能。其次，注入钝化电位极低的钛离子形成的固溶体和非晶态的钛 合金氮化物、碳化物具有较高的抗腐蚀能力Ⅲ。所以．采用双元注入更有效地提高缸套的使 用寿命。 总之，三种磨损相辅相成。缸套失效往往在剧烈的磨料磨损到来之前．就因疲劳磨损而 破坏。缸套注入改性使抗疲劳磨损阶段增长．从而提高了缸套的使用寿命。经样品实验，得 TI+cm～，35keV。 ×10。N+．cm-2，75keV+(1～2)×1017 3离子注入缸套现场对比实验 样品改性工艺研究完成后．进入离子注入高铬铸铁缸套试验阶段，按样品最佳注入参数 进行注入。注入参数如表I。