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(yīng)，浪費能源。現(xiàn)有的激光熔覆技術(shù)，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(fù)合處理技術(shù)，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(fù)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(fù)合處理→第二次粗加工→精加工→檢驗。氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理技術(shù)工藝路線為：清洗去油→裝夾→預(yù)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(fù)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(fù)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(fù)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(guān)性能檢測。
2.性能檢測
（1）對氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的零件進行力學(xué)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(fù)合處理溫度，經(jīng)過氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后，零件的基體材料力學(xué)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(fù)合處理后的力學(xué)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(fù)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(fù)合處理斷面金相
圖2 氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理斷面梯度硬度
（3）按ASTM Bll7標(biāo)準(zhǔn)對氮碳共滲鹽浴復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合處理試樣鹽霧試驗后
3.應(yīng)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(fù)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(fù)合處理溫度，即可保證零件基體力學(xué)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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