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钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究

钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究 2011年12月04日 来源： 轴承组件是牙轮钻头、涡轮钻具最关键和最薄弱的环节，其主要的失效形式是胶合，亦即严重的粘着磨损。胶合的特征是轴承滑动面沿摩擦方向形成撕痕、刮擦、涂抹和粘焊。粘着磨损一开始可能是轻微的和局部的，如果引起胶合的因素未解除并继续恶化，则胶合将迅速扩展。胶合开始发生在轴承组件摩擦面润滑油膜遭到破坏而形成金属直接接触的部位，摩擦面粘着区沿摩擦方向受到剪切而撕伤、咬焊甚至卡死，造成井下涡轮钻具或牙轮钻头彻底失效。胶合的条件首先是油膜破裂，然后才是两金属面的接触粘焊。在苛刻严酷的工况条件下，受尺寸和结构的严格限制，牙轮钻头、涡轮钻具的轴承组件无法得到充分润滑，这是胶合初始发生和扩展的主要原因之一。现文拟对牙轮钻头、涡轮钻具轴承组件表面进行MoS2滑化处理，在轴承表面形成优异而特殊的滑化薄膜，在高速重载下发挥其优异的减摩及抑制胶合的功效。1 滑化处理前试件的准备试件采用牙轮钻头和涡轮钻具轴承组件常用的优质合金渗碳钢，其化学成分见表1。

表1试件及化学成分%

用优质合金渗碳钢制造的试件参照GB12444.1-90《金属摩擦磨损试验方法MM型试验机试样规范》。上、下试样滑化处理前进行渗碳渗硼处理，这是为了考察MoS2滑化处理对其他处理的影响，并使试件得到初始强化。上、下试件预备处理规程如下。a)渗碳RJJ-75型井式炉，930℃，12h渗碳，入石棉箱自然冷却。渗碳层深1.5～2.0 mm，表层碳浓度0.90%～1.05%，表面硬度HRC59～62。b)回火180～190℃，保温4h。c)渗硼气氛炉内910℃，6h固体渗硼，渗硼层深0.08～0.10mm，渗硼组织为单相Fe2B。d)淬火保护气氛炉中加热至820 ～830℃，保温2h，淬入90℃油中。e)回火180℃，3h回火。f)清理性喷砂。2 MoS2滑化处理的依据滑化处理是在轴承组件试件表面形成结合牢固，摩擦学性能优异的MoS2滑化膜，发挥减摩和抑制胶合发生的功效。MoS2滑化处理有其试验基础，也有其理论依据。首先，对牙轮钻头滑动轴承及涡轮钻具止推轴承粘着磨损的研究表明，摩擦因数f、粘着摩擦总力F、载荷、速度、摩擦热温升与胶合是逻辑相关的；粘着摩擦力主要由摩擦表面凸峰变形阻力、磨损颗粒及硬质点压碾犁削力、凸峰粘焊亲合力及滑动表面的粘着剪切力组成［1］。F=Aτ，(1)式中，A为实际接触面积；F为粘着摩擦总力；τ为粘着点的总剪应力。粘着凸峰的形变为塑性变形，于是有：A=F′/σm，（2）式中，F′为载荷；σm为材料的塑性流变应力。而摩擦因数f=F/F′。结合式(1)和式(2)有f=τ/σm。可见，材料的抗剪切强度愈低，抗压强度愈高，则摩擦因数愈小。这也是近年牙轮钻头轴承材料由软向硬过渡的依据，如硬质合金材料的应用［2］，钢结构硬质合金的应用［5］，H13钢的应用［3］。MoS2的抗压强度与合金钢接近，而抗剪强度却低得多，所以MoS2滑化膜的摩擦因数极小。MoS2的减摩与其内在结构联系密切。MoS2晶体结构和石墨一样。属六方晶系鳞片状晶体，如图1所示，为层状结构，每个MoS2分子层又分为3个原子层，中间是Mo原子层，上下是S原子层，每个Mo原子被6个S原子包围，只有S原子暴露在分子层的表面，每个分子层的厚度为6.26。

图1MoS2结构情况

由于Mo原子与S原子结合力强，而S原子之间相互结合力弱。故MoS2分子层之间产生一个剪切力平面，当分子之间受到切应力时，沿分子层很容易产生断裂，形成滑移面，如图2所示。每微米的MoS2滑化膜存在1 660个分子层。这些众多的滑移面使得金属表面的直接摩擦运动转化为MoS2分子层之间的相对滑动，层序减缓了摩擦剪切力，降低了摩擦因数，抑制了胶合，减轻了磨损。其功能类似于动物关节接合处的骨头膜的软组织，故称做MoS2滑化处理。

图2MoS2滑化膜受剪切时产生的层滑移

研究表明，MoS2和轴承试件之间不是化学结合，而是机械锚固缔合。在分子层相对滑移和摩擦过程中，MoS2能自动被离析而挤入对磨表面的凹坑。又因S原子与金属有较强的亲合力，故可使MoS2与金属表面产生较强的吸附作用。在润滑条件下，摩擦因数会更低。 MoS2润滑膜可耐pmax为35 MPa的极限压力和vmax为40 m/s的极限速度［4］，表现出极高的pv值和较好的高速重载性。MoS2在室温至350 ℃区间，物理、化学及摩擦学特征很稳定，400 ℃时开始氧化，温度更高时性能才开始恶化。而牙轮钻头、涡轮钻具轴承工作温度远低于350 ℃，故处于良好的润滑状态。3 MoS2滑化处理MoS2滑化处理的工艺流程为去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸渍。目前较成熟的滑化处理工艺有喷涂法、水煮法和刷涂法3种。3.1喷涂法80g的MoS2粉末，7g石墨粉末，50g水玻璃和60mL水配成滑化液，用喷枪喷至经喷砂及清洗的试件表面，喷厚0.3mm。入箱烘干2h，然后升温至140℃烘烤2h。出炉后再清洗并浸入CS2液中。得到蓝色光泽的MoS2滑化膜，即完成喷涂滑化处理。3.2水煮法取100g的MoS2粉末，纱布包裹，置于瓷制煮皿，加水400mL，将试件浸入其中。加热至95～100℃，1h，清洗后浸入CS2液中，并在热气氛中干燥，即完成水煮法滑化处理。3.3刷涂法将MoS2粉末用丙酮调成糊状，用毛刷涂在试件表面，刷厚1.5 mm，晾干刷去疏松层，入箱115 ℃，1h烘干，清洗后入CS2液中，即完成刷涂滑化处理。4 滑化膜性能测试4.1滑化膜厚度测定及分析试件经不同滑化处理方法处理后，用磁阻法测定滑化膜厚度，其结果列于表2

表2不同材料不同工艺滑化处理的膜厚μm

由表2可知，刷涂滑化处理可得到较厚的MoS2滑化膜，对试件W18Cr4V滑化膜测试及分析表明，试件成膜的厚度和材料中W、Cr、Ni、V等合金元素的含量有关。这是因为这些合金元素的电负性均小于铁，与硫原子之间有更强的亲合力。4.2硬度测试及分析用维氏显微硬度仪测试经MoS2滑化处理后试件的表面硬度，测定结果与滑化处理前的硬度值无差异。这是因为1～4 μm厚的滑化膜不至于影响试件预处理所获得的硬度值。滑化处理对其他处理方法无排它性。然而，正是那极薄的MoS2滑化膜，乃是一层性能优良的固体润滑膜，具有优异的减摩抗粘功能。4.3MM-200型磨损机试验结果以不同材料，经不同工艺处理的上、下试件装于MM-200型摩擦磨损试验机上进行试验，20号机油点滴润滑。试验结果见表3。可见，经MoS2滑化处理的试件表现出优异的摩擦学性能。经MoS2滑化处理的试件，在Falex试验机和Amsler试验机上同样表现出优良的减摩性和抗胶合性。

表3在MM-200型试验机上的试验结果

5 结语对于优质合金渗碳钢滑动轴承或止推轴承，经渗碳、渗硼或其他硬化强化处理后，通过MoS2滑化处理，在其表面形成厚约1～4 μm的MoS2滑化薄膜，由于其特异的结构和性质，表现出优异的摩擦学特性。它的摩擦因数极小，耐高压、耐高速及具有较高的极限pv值，而且对原处理无任何影响。类似于骨关节接头硬骨端部的软质薄层，是一种极好的固体润滑膜。与基体材料有较强的吸附成膜能力，而且层间有较低的剪切强度，使摩擦发生在润滑膜内部。其优异的减摩抗粘着性能，必然能有效地保障牙轮钻头滑动轴承及涡轮钻具止推轴承的润滑性、可靠性和使用寿命，相应提高了钻具的耐用度和使用寿命。这点对于机械钻速和钻井时效的提高均具有积极的意义。 作者简介：贾文杰（1969-），男，陕西韩城人，塔西南勘控开发公司助理工程师，从事石油钻采机械失效分析及其对策研究。作者单位：贾文杰郑权方：塔西南勘探开发公司 安全环保部，新疆 泽普 844804；李庆梅：西安石油学院 机械系，陕西 西安 710065参考文献：［1］吴宗泽.高等机械设计［M］.北京：清华大学出版社，1991.63-153.［2］谭春飞.新型高速牙轮钻头滑动轴承的试验研究［J］.石油机械，1996，24(2)：12-16.［3］贾文杰，吴金祥.牙轮钻头滑动轴承材料磨损性能的正交试验［J］.西安石油学院学报，1997，12(5)：43-45.［4］石淼森.固体润滑剂［J］.新技术新工艺，1993(3)：4-5.［5］谢金稳，贾文杰.牙轮钻头轴承用GW50合金渗硼及性能分析［J］.石油机械，1998，26(11)：12-14.(end)

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