爆炸喷涂涂层研究及在螺杆钻具中的应用

图 +! $%&%’ 涂层的 ;<= 图谱
分别对 2" - %" 3" 为 +# ". 和 +# 56 的涂层进行分 析，结果表明： 2" - %" 3" 为 +# 56 时涂层的 $" % 相 衍射峰相对强一些，表明其脱碳现象比 2" - %" 3" 为 +# ". 时严重。图 " 为不同 2" - %" 3" 时的涂层截面 形貌，当 2" - %" 3" 从 +# +4 （ 图 "> ） 增 加 到 +# 56 （ 图 "?） 时，涂层中的孔隙率增大，氧化物含量增 加。由表 " 还可看出：当 2" - %" 3" 较高时， $%&%’ 涂层的磨损量也增大。由此可见，当对 $% 进行喷 涂时，采用还原性气氛比较理想。其主要原因是在 喷涂过程中，高温（ 4 ,,, @ 以上） 时 $% 会产生 下列反应 "$% & $" % A % $" % & "$ A % （+） （"）
表 "! 不同喷涂工艺下的涂层性能
! ! 由表 " 可看出：涂层的孔隙率随 2" - %" 3" 的增 大而增高；当 2" - %" 3" 超过 +# ". 以后，涂层的孔 隙率增 幅 增 大，当 2" - %" 3" 从 +# ". 增 加 到 +# 56 时，孔隙率增加约 +# . 倍。 对不同工艺下的涂层进行衍射仪分析时发现：喷 涂前，$%&%’ 粉末主要为 $% 相和 %’ 单相；而喷涂 后的 ;<= 图谱可见，除了 $% 相和 %’ 相外，还有少 量的 !&$" % 相、%’6 $6 % 相和 $ 相（见图 +） 。
水润滑条件下的磨损表面形貌。比较图 +,、- 可以 看出：&$"’ 铬镀层的磨损表面形貌呈现粘着特征 及伴随着磨损粒子，而 !"#"$ 涂层的磨损表面仅 呈轻微磨损形貌。显然，在水润滑条件下 !"#"$ 涂层的耐磨性比 &$"’ 铬镀层要高。
图 %( !"#"$ 涂层和 &$"’ 镀层磨损率对比
由图 % 可看出： &$"’ 铬镀层在油润滑条件下 的磨损率比在水润滑条件下低得多，这表明 &$"’ 铬镀层适用于油润滑 工 况。而 对 于 !"#"$ 涂 层， 在 ) 种工况下都有良好的耐磨性。图 * 为 !"#"$ 喷涂层的摩擦系数测量曲线，图中曲线 ! 为水润 滑情况，曲线 " 为油润滑情况。
表 %& 爆炸喷涂工艺气体流量参数
气体类型 ,’ " ’ *’ O’ , ’ + " ’ *’ !% >’ (M ’? %) %% !’ >’ (( ’? %) ’/ !( >’ ’N ’? %) >’ 气体流量 + （ K・5A8 < % ） !> !/ (M (( ’? %) %( (M (2 ’? %) ’/ !L (( ’/ ’? %) (( !? ’N ’2 ’? %) >L
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石$ 油$ 机$ 械
.<<% 年$ 第 44 卷$ 第 % 期
喷涂的涂层厚度数据；图 !" 是喷枪对称喷涂的涂 层厚度数据。比较图中的数据，可以看出：采用文 中所述的方法可有效地使喷涂后的螺杆不同位置涂 层尺寸与期望范围非常接近。
为了获得高质量的 *+,+- 涂层，应控制喷涂工艺 参数，使涂层在制备时处于还原性气氛中，在笔者 的试验范围内，选择 +. /. 0 1. 在 )2 )3 )4 5 )2 )3 .% 之间为佳。 （ . ） 爆炸喷涂 *+,+- 涂层以其高硬度和高结 合强度而显示出良好的摩擦学性能。研究表明，基 于最佳工艺参数制备的 *+,+- 涂层，在水和油润 滑状态下的耐磨性明显优于 6-+7 铬镀层，因此可 以用来取代 6-+7 铬镀层而应用在工程中。
［ +］ 应导致的氧化而产生 ，这个氧化过程随火焰中
氧含量和通入的空气量而变化。 "% A 2" & "%2 （ 9>G） （4） ! ! 当气体流量一定时， 2" - %" 3" 值对涂层质量和 耐磨性影响较大。因此，当 2" - %" 3" 控制在一定范 围内，$" % 相较少，有利于提高涂层的质量，而 使其表现出良好的耐磨性。在笔者的试验中，选取 2" - %" 3" 值为 +# ". - + H +# +4 - + 的范围为喷涂气体 参数理想的控制范围。
图 "! 不同 2" - %" 3" 值下涂层截面形貌
! ! BCDECF 等认为涂层中的碳损失伴随着火焰反
"# 涂层摩擦学性能研究
)22+ 年( 第 %% 卷( 第 + 期
石成刚等：爆炸喷涂 !"#"$ 涂层研究及在螺杆钻具中的应用
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为了使 !"#"$ 涂层满足螺杆钻具的使用要求， 使其取代硬铬镀层，必须进一步研究 !" 涂层的摩 擦学性能。图 % 为 !"#"$ 涂层材料与 &$"’ 铬镀层 在水和油润滑条件下的耐磨性比较。
爆炸喷涂 $%&%’ 涂层的研究
+# 涂层工艺研究 表 " 为不同 2" - %" 3" 数值下的涂层质量及摩擦wk.baidu.com学性能比较。
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& & 摘要& 对爆炸喷涂 !"#"$ 涂层的工艺研究表明：采用还原性气氛，即 "’ *’ + ,’ 值为 %- %) %( . % - %) ’/ 范围内，可获得最佳质量涂层。对 !"#"$ 涂层和 0$"1 铬镀层的摩擦学性能研究表明：在水 润滑条件下，!"#"$ 涂层的耐磨性是 0$"1 铬镀层的 %2 倍以上。爆炸喷涂 !"#"$ 在螺杆钻具表面涂 层的应用表明：对于形状复杂的螺杆型面，采用喷枪对称布置喷涂的方法可获得理想厚度的均匀涂 层，喷涂后的螺杆表面仅经过珩磨抛光，不需要磨削加工即可满足工程应用。 & & 关键词& 螺杆钻具& 爆炸喷涂& !"#"$ 涂层& 试验研究& 应用 磨损、滑动磨损、冲蚀磨损等工况，已广泛地应用
& & ’22/ 年& 第 (( 卷& 第 / 期 !专题研究"
石& 油& 机& 械
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爆炸喷涂 !"#"$ 涂层研究及在螺杆钻具中的应用
石成刚% & 马卫国% & 陈定玺’ & 刘& 锋% & 谭文锋% & 刘佐民(
（ %) 江汉机械研究所& ’) 河南许昌烟草机械有限责任公司& () 武汉理工大学）
%) 涂层制备 试验在爆炸喷涂设备上进行，喷枪为第聂伯— ；喷涂材料为 !"#%’; "$（ 粒度 !（ 789:9—!） < ’/2 . = (’2 目）；基体材料 >/ 号钢；喷涂距离 %?2 55；点火次数 >6 < % 。不同 !" 涂层的喷涂气 体参数见表 % 。涂层成分通过 @ABCDE—7 + 5CF—(G 型 H 射线衍射仪进行分析。涂层测厚由 "IJ—%2 型测厚仪测量。
引& & & 言
传统的螺杆钻具通常采用镀硬铬工艺。虽然该 工艺能满足螺杆钻具的工况要求，但该工艺除了需 要大的电镀槽、镀铬后的烘烤和异型件镀铬层厚薄 不均匀等技术问题外，工艺过程所产生的六价铬的 毒性还可导致环境污染。为此，近年来替代镀铬工 艺的研究正迅猛发展，热喷涂是替代工艺的可选方 案之一，如等离子喷涂纺织零件已取得一定成效， 轧光辊、球阀、液压支柱等已经用 *3,4 （ 超音速 火焰喷涂） 喷涂碳化物涂层取代了镀硬铬。 爆炸喷涂是利用氧乙炔混合发生爆炸所产生的 能量使被熔化的材料以高速喷向工件的热喷涂新工 艺。由于其火焰速度可达 ( /22 5 + 6，颗粒飞行速 度达 % ’22 5 + 6，因此可以获得优质涂层。例如， 当采用爆炸喷涂制备 !" 涂层时，具有氧化物含量 低、与基体结合牢固且涂层表面呈现压应力等特 征。爆炸喷涂涂层的这种优异性能特别适合于磨粒
在宇航、机械工程、造纸、钢铁和石油化工等工业 中。此外，爆炸喷涂喷枪的方便运动使其喷涂角度 易于调整，可方便地改进螺杆不同型面的尺寸均匀 性，降低后续加工成本。 笔者采用爆炸喷涂工艺，在螺杆钻具表面制备 !"#"$ 涂层，对涂层做了耐磨性能综合评价并对 控制螺杆型面尺寸均匀性进行了工艺分析。
试& 验& 条& 件
虽然 ) 种润滑状态下的摩擦系数都比较平稳； 但水润滑情况下的摩擦系数大约是油润滑情况下的 + 倍。基于摩擦学理论，摩擦系数 # $ % & ’ （ 式中 % 表示摩擦力，’ 表示载荷） ，由于 ) 种试验所加的 载荷相同，因此，在水润滑条件下的材料界面所受 的摩擦力远大于在油润滑条件下的。已有的研究表 明，对于层状结构的涂层材料，涂层间微粒的结合 强度直接影响到涂层在摩擦过程中的摩擦抗力，进
样品号 2 " - % " 3" 涂层厚度 - )) 孔隙率 - 8 磨损量 - )9 $+ +# ++ ,# 47 +# 7 "# 7 $" +# ". ,# 46 +# 4 "# 4. $4 +# 5" ,# 6( +# ( 4# 7
+ - +, . ） ；摩擦系数采用在线测量方法测量。磨损后 的表面采用 /01 分析其形貌。
图 #$ 螺杆喷涂示意图
（ 4 ） 采用笔者提出的喷枪与螺杆相对位置的 设计，可大幅度改善螺杆喷涂层尺寸的均匀性，满 足工业化生产的要求。
参$ 考$ 文$ 献 )$ 第 )% 届国际热喷涂大会论文编写组 3 第 )% 届国际热喷 涂大会（ 89:+’ (; ） 论文集 3 北京：机械工业出版社， )((( ：)%< 5 )%! .$ &=> ’>-?=@3 A"7BC=DE FEB7 G-@H7-I JEC=K@ -L HME7?BI CN7BO G-BH=@K B@J =HC BNNI=GBH=-@3 97="-I-KO 8@HE7@BH=-@BI ，)((P ， .! （ P ） ：.)( 5 ..% 作者简介：石成刚，高级工程师，生于 )(#P 年，)(;P 年毕业于华中理工大学金属材料专业，西安交通大学工程
图 +( 两种涂层在水润滑条件下的磨损表面形貌
图 *( !"#"$ 涂层摩擦系数测量曲线
!"#"$ 涂层应用于螺杆的研究
由于螺杆钻具螺杆是一个单头或多头蛇形型面 杆件，复杂的工件表面形状易在螺杆的型面上形成 粗糙的不均匀涂层，即波谷涂层的厚度会比波峰 厚，侧面涂层最薄，大致呈现 *. ). / 的厚度差。 由于螺杆工作要求其型面公差尺寸很严，且 !" 涂 层的硬度高，这为后续加工带来极大困难，因此喷 涂 !" 陶瓷螺杆在喷涂结束时必须达到期望的型线 尺寸精度。为此，笔者根据螺杆型线特点，设计喷 涂位置如图 0- 所示。将喷枪射流与螺杆的直径调 节到一定偏差，而不是正对螺杆中心（ 图 0, ） ，因 此在任一时刻，仅喷涂齿面的一部分。其具体步骤 如下：首先，将喷枪位于螺杆的上方，螺杆绕轴线 正向旋转喷涂；然后，喷枪移于螺杆下方与第一位 置对称的位置，螺杆反向旋转喷涂。对于不同直 径、螺杆头数的螺杆，调节不同偏移量。图 1 为螺 杆喷涂涂层厚度数据纪录，其中图 1, 是喷枪正对
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本课题为中国石油天然气集团公司项目“ 高性能陶瓷涂层的研究和开发” 的部分内容。
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石! 油! 机! 械
",,. 年! 第 44 卷! 第 . 期
! ! "# 摩擦磨损试验 摩擦磨损试验是在销盘磨损试验机上完成的。 上试样：$%&%’ 涂层，尺寸 ( )) * ( )) * ( ))。 下试样：涂层 工 艺 试 验 时，采 用 碳 化 硅 磨 盘 （ 粒度 +", 目） ；在 进 行 涂 层 摩 擦 学 性 能 比 较 时， 基于匹配材料的要求制备试样。 磨损失重采用称重法（ 数字电子天平精度为
［ )］ 而影响 其 磨 损 。这 意 味 着，在 水 润 滑 条 件 下，
爆炸喷涂 !"#"$ 涂层的界面微观结构抗摩擦能力 比 &$"’ 铬镀层的高。此外，影响材料滑动磨损另 一重要因素是材料的抗黏着能力，相对 &$"’ 铬镀 层而言，!"#"$ 涂层的硬度较高，抗黏着能力强。 由此可见，对于 !"#"$ 涂层，只要涂层间微粒的 结合强度足够抵抗界面的摩擦阻力，涂层的耐磨性 将明显优于 &$"’ 铬镀层。 图 +,、- 分别为 !"#"$ 涂层与 &$"’ 铬镀层在