石油鉆井市場內(nèi)，對于內(nèi)孔需要較高耐磨性和良好抗蝕性能的零件，傳統(tǒng)工藝一般采用鍍鉻處理，將零件其他部位加工到成品尺寸后包覆絕緣層，再進行鍍鉻處理，鍍鉻工藝采用含量高、氧化性強的鉻酸酐，危害人體和污染環(huán)境，且鍍鉻溶液的陰極效率低，大量電流消耗于析出氫氣的反應，浪費能源。現(xiàn)有的激光熔覆技術，通過熔融合金粉，可以對零件外表面或內(nèi)表面端部進行耐磨防腐處理，但對于零件內(nèi)孔的中間部位，若孔徑深且小，操作極難，也無法滿足要求。因此，必須采用一種環(huán)保高效的工藝，來解決零件內(nèi)孔的耐磨防腐問題。
1.試驗研究
本文采用氮碳共滲鹽浴復合處理技術，即在一定溫度下，將零件放入氮化爐鹽浴中，氮化鹽中的氰酸根分解產(chǎn)生的N、C原子可在零件表面形成鐵的化合物層和擴散層，然后再將零件放入氧化爐鹽浴中以形成黑色氧化膜層，因此零件表面為由金屬元素的氮化物和氧化物組成的復合滲層，表面硬度大幅度提高，摩擦系數(shù)低，表面的電極電位也得到提高，使產(chǎn)品表面形成耐磨防腐層。
零件原材料選用調(diào)質(zhì)中碳鋼42CrMo，投料尺寸Ф140mm×676mm，進行以下加工：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→第一次粗加工，車去氧化皮→半精加工，將零件耐磨防腐處理部位加工成型→氮碳共滲鹽浴復合處理→第二次粗加工→精加工→檢驗。氮碳共滲鹽浴復合處理技術工藝路線為：清洗去油→裝夾→預熱→鹽浴氮化→鹽浴氧化→空冷→水洗。
其中，調(diào)質(zhì)前尺寸為Ф136mm×孔Ф60mm×674mm，調(diào)質(zhì)處理參數(shù)如下：840～855℃淬火加熱保溫120～140min，在水基淬火液中冷卻3～5min后轉(zhuǎn)油冷卻，590～610℃回火加熱保溫150～170min后水冷，調(diào)質(zhì)處理后表面硬度為318～331HBW。進行氮碳共滲鹽浴復合處理的溫度必須低于調(diào)質(zhì)處理的回火溫度，以保證氮碳共滲鹽浴復合處理后，零件的基體性能滿足工具使用要求。因其他部位具有高的硬度易引起產(chǎn)品失效，所以零件為半成品進行氮碳共滲鹽浴復合處理，處理完后進行第二次粗加工，用超硬刀具車去不需要耐磨防腐處理部位的氮碳共滲硬化層。零件配帶同爐試料塊，進行相關性能檢測。
2.性能檢測
（1）對氮碳共滲鹽浴復合處理后的零件進行力學性能檢測，檢測結(jié)果見表1，結(jié)果表明，嚴格控制好調(diào)質(zhì)回火溫度及氮碳共滲鹽浴復合處理溫度，經(jīng)過氮碳共滲鹽浴復合處理后，零件的基體材料力學性能優(yōu)良，仍能滿足產(chǎn)品使用要求。
表1 零件氮碳共滲鹽浴復合處理后的力學性能
抗拉強度Rm/MPa | 屈服強度RP0.2/MPa | 斷后伸長率A（%） | 斷面收縮率Z（%） | 硬度HBW |
1050 | 975 | 16.5 | 56.5 | 285～297 |
1060 | 990 | 17.0 | 56.5 |
（2）檢測零件氮碳共滲鹽浴復合處理后的硬度，首先測試表面硬度，三個硬度值分別為896.51HV0.1、918.93HV0.1、907.59HV0.1，平均硬度值為907.68HV0.1。對斷面用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，金相顯微鏡400×下觀察可知化合物深度為20μm左右，見圖1，檢測斷面梯度硬度，整個硬化層大約為0.5mm，見圖2。
圖1 氮碳共滲鹽浴復合處理斷面金相
圖2 氮碳共滲鹽浴復合處理斷面梯度硬度
（3）按ASTM Bll7標準對氮碳共滲鹽浴復合處理后的試樣進行連續(xù)噴霧試驗，鹽霧試驗溫度35℃±2℃，相對濕度>95%，5% NaCl水溶液噴霧。試驗結(jié)果表明，經(jīng)氮碳共滲鹽浴復合處理后的零件抗蝕性優(yōu)良，經(jīng)168h后無明顯銹蝕，圖3所示為鍍鉻試樣與氮碳共滲鹽浴復合處理試樣鹽霧試驗后的效果對比。
圖3 鍍鉻與氮碳共滲鹽浴復合處理試樣鹽霧試驗后
3.應用實施
將零件裝配在產(chǎn)品上，該零件內(nèi)腔充滿液體，錐體活塞在其內(nèi)部運動，利用液壓工作原理來進行作業(yè)，其中，錐體活塞表面進行了強化，表面硬度為45～50HRC。裝配后在試驗架上進行耐磨性檢測，高噸位550kN下作業(yè)300次，總共裝配了兩件零件進行測試，作業(yè)過程無任何故障，效果良好。作業(yè)后檢測零件內(nèi)孔工作部位尺寸，直徑上變化了0.01～0.03mm，尺寸變化極小，觀察零件內(nèi)孔表面，光滑無任何毛刺；錐體活塞對磨面光滑，無任何擦痕，即零件耐磨性優(yōu)良。
4.結(jié)語
石油鉆井市場內(nèi)，對于內(nèi)孔需要較高耐磨性和良好抗蝕性能的零件，可采用將零件加工為半成品進行氮碳共滲鹽浴復合處理，后續(xù)再進行車削，嚴格控制好調(diào)質(zhì)回火溫度及氮碳共滲鹽浴復合處理溫度，即可保證零件基體力學性能達到產(chǎn)品使用要求，且內(nèi)孔表面具有較高的硬度，良好的耐磨抗蝕性能。該種加工方法經(jīng)濟效益高，且對人體無危害，無環(huán)境污染，有效地解決了零件內(nèi)孔的耐磨防腐問題。
作者：梁柔
單位：貴州高峰石油機械股份有限公司
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