低碳球鐵復合缸套關(guān)鍵技術(shù)研究

許 可 劉敬平

（1.焦作錦標機械制造有限公司 河南焦作 2.焦作大學機電工程學院 河南焦作）

一、引言

泥漿泵中缸套和活塞是一對摩擦副，是泥漿泵的核心配件，具有儲存泥漿，承受壓力和完成吸、排泥漿的功能。因與泥漿接觸，缸套的工作條件十分惡劣，始終處于高壓摩擦狀態(tài)，內(nèi)表面不僅受到摩擦磨損、磨粒磨損，而且還受泥漿強烈腐蝕，工作過程中出現(xiàn)摩擦磨損、表面劃痕、表面層剝落和塑性塌陷等損壞形式，因此．研究開發(fā)適應泥漿泵工況的缸套材料及相關(guān)產(chǎn)品是非常有價值的工作。

二、缸套材料的選擇和工藝安排

缸套失效的主要原因是由于鉆井液中含有硬度超過缸套的硬質(zhì)砂粒和活塞的偏磨，缸套以磨損失效為主、腐蝕失效為輔。從長期的研究和現(xiàn)場使用情況來看，缸套的硬度、耐磨性和耐腐蝕性是決定其使用壽命的兩個關(guān)鍵因素，因此合理選擇材料，正確安排工藝，對延長缸套使用壽命有著重要意義。

目前泥漿泵缸套廣泛采用的是雙層復合缸套，缸套外套采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造，內(nèi)套采用耐磨鑄鐵材料離心澆注而成，具有高硬度，表面加工精細、抗腐蝕、耐高壓等優(yōu)點。目前常用的耐磨鑄鐵主要有離子注入高鉻鑄鐵、球墨鑄鐵、硼白口耐磨鑄鐵等。研究選用的缸套內(nèi)套為低碳球鐵，低碳球鐵是指含碳量在1.2%～2.0%的球鐵，低碳球鐵生產(chǎn)中可使用大量廢鋼代替低硫磷優(yōu)質(zhì)生鐵，并在生產(chǎn)中省去了傳統(tǒng)的球化處理及熱處理工序，具有成本低、工藝簡單的優(yōu)點，在鑄態(tài)條件下可獲得較好的耐磨性、耐腐蝕性和良好的綜合性能。

缸套的生產(chǎn)工藝：澆鑄復合套→保溫退火→毛坯→粗加工→調(diào)質(zhì)→半成品加工→內(nèi)表面強化處理→精加工→珩磨→拋光→成品。

針對缸套的失效形式，采用表面化學熱處理、表面化學鍍、激光表面二次強化、激光熔覆強韌性兼?zhèn)涞哪湍ネ繉拥榷喾N工藝措施來提高缸套的硬度和耐磨性。本文所述缸套內(nèi)表面采用激光表面強化處理的方法。另外，在原有工藝的基礎(chǔ)上增加了拋光工序，可以提高缸套內(nèi)表面的表面質(zhì)量，工作中減小與活塞的摩擦力，從而減小缸套的摩擦磨損。

三、缸套激光表面強化

缸套內(nèi)套低碳球鐵組織主要為正火態(tài)的珠光體母體，其成分如表1所示。由于加工出的缸套在大氣范圍長時間暴露，涂層制備前應對缸套表面進行除油除銹處理。除油除銹處理后在缸套的內(nèi)表面上涂覆事先配好的鉻鐵活性炭纖維素液，使涂層厚度要均勻，保持在0.3 mm 左右。

表1 珠光體低碳球鐵成分

采用DL-HL-T50O0型SKW橫流CO2激光器，功率5 kW，光斑直徑2 mm，掃描速度2 m/min，掃描花樣為直條形，在母體上形成寬2.5 mm，最大深度1 mm的硬化層。

低碳球鐵在激光照射下組織發(fā)生變化，分為熔化區(qū)、過渡區(qū)和熱影響區(qū)。涂覆鉻鐵活性炭纖維素液經(jīng)過激光表面處理后的熔化區(qū)組織如圖1所示，圖2為過渡區(qū)及熱影響區(qū)組織。照片是用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，掃描電鏡上的影像。

圖1 涂層中炭鉻鐵熔化區(qū)組織（4500×）

圖2 過渡區(qū)及熱影響區(qū)組織（1600×）

由圖1可知，熔化區(qū)激光處理后的組織變得非常細小，熔化區(qū)組織為細小再結(jié)晶枝狀物和胞狀物組織，組織較為均勻致密，有微細枝晶和胞晶，枝晶間有很多塊狀物。該區(qū)域的組織主要是固熔組織，該區(qū)域的存在保證了熔覆層與母體良好的冶金結(jié)合。

由圖2可知，過渡區(qū)和熱影響區(qū)珠光體母體低碳球鐵激光表面處理熱影響區(qū)組織中有大量的板條狀組織和塊狀組織，還有石墨球。由于加熱速度和冷卻速度極快，致使所獲得的各種組成相都極為細小，細小的組織、高度彌散分布的碳化物和大量存在的位錯，使得激光相變硬化組織具有比常規(guī)淬火更為優(yōu)異的性能。

涂覆Cr-Fe合金元素的試樣經(jīng)激光處理后表面硬度自熔化區(qū)中心向兩側(cè)的值如圖3所示，圖中橫坐標的0代表熔化區(qū)中心，其他數(shù)字代表距熔化區(qū)中心的距離，單位為mm?？v坐標代表該點的維氏硬度值，自熔化區(qū)中心向一側(cè)每隔0.25 mm打一點來測定硬度。

由3可以看出，激光表面處理后的表面層（熔化層）的硬度分布還是比較均勻的，整體硬度比母體的硬度有了很大的提高，從300 HV左右提高到850 HV左右，在熔化層和過渡層之間有一個最大硬度1200 HV出現(xiàn)，比沒有經(jīng)過激光處理的母體硬度高約4倍。

圖3 涂覆鉻鐵的試樣經(jīng)激光處理后表面硬度分布

四、缸套內(nèi)表面拋光

提高泥漿泵缸套內(nèi)表面質(zhì)量，可以減小缸套摩擦磨損，延長缸套的使用壽命，同時可以減小活塞劃傷和磨損，提高活塞的使用壽命。

拋光機是由普通車床進行改造而成，其結(jié)構(gòu)見圖4。由電機、傳動部分、拋光桿及拋光輪3部分組成，使用時將其安裝在車床刀架托盤上，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝迅速的特點。

圖4 拋光機結(jié)構(gòu)示意圖

通過反復試驗，確定了拋光時車床的最佳轉(zhuǎn)速105～115 r/min。拋光劑選用氧化鉻綠，拋光后使缸套內(nèi)套表面達到了鏡面效果，產(chǎn)品的光亮度、清潔度都令人滿意。

五、結(jié)論

低碳球鐵復合缸套內(nèi)套選用低碳球鐵，成本低，經(jīng)激光表面強化處理和拋光處理后，具有很好的硬度和耐磨性，有效地提高了鋼套的使用壽命，實際使用中壽命可達800 h以上。