超聲波冷鍛與陽極氧化處理鋁合金鉆桿摩擦學(xué)性能研究

梁 健，岳 文，孫建華，佘丁順，侯斌斌，尹 浩

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

超聲波冷鍛與陽極氧化處理鋁合金鉆桿摩擦學(xué)性能研究

梁 健1，岳 文2，孫建華1，佘丁順2，侯斌斌2，尹 浩1

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

恰當(dāng)?shù)谋砻婀こ碳夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)長壽命、高可靠性、高耐磨性鋁合金鉆桿的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文選用超聲波冷鍛技術(shù)(Ultrasonic Cold Forging Technology，UCFT)和陽極氧化技術(shù)(Anodic Oxidation，AO)對鋁合金鉆桿材料(7E04)進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。在球盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對UCFT和AO處理前后鋁合金的摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征，選取ZrO2硬質(zhì)材料的對磨球。結(jié)果表明，經(jīng)UCFT處理后樣品表面形成了約為100 μm的塑性變形層，表面晶粒細(xì)化至56 nm；經(jīng)AO處理后樣品表面生成了多孔的氧化物層，其厚度約60 μm；UCFT處理與AO處理均不同程度地提高了樣品的表面硬度和耐磨性；且AO處理能有效降低樣品的摩擦系數(shù)；與未處理的樣品表面發(fā)生了磨料磨損、粘著磨損和塑性形變不同，UCFT處理的樣品呈現(xiàn)出典型的粘著磨損形貌，AO處理的樣品主要為疲勞磨損形式。

鋁合金鉆桿 超聲波冷鍛 陽極氧化 摩擦磨損

Liang Jian，Yue Wen，Sun Jian-hua，She Ding-shun，Hou Bin-bin，Yin Hao.Study on the tribological properties of aluminum drill pipes under ultrasonic cold forging and anodic oxidation treatment[J].Geology and Exploration，2016，52(3):0576-0583.

0 引 言

鋁合金鉆桿具有重量輕、比強(qiáng)度高、鉆進(jìn)深度深、能耗小等特點(diǎn)(表1)，使其成為難進(jìn)入地區(qū)鉆探、大位移井、定向井、超深井及深部科學(xué)鉆探中鉆柱設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案(Gelfgatetal.，2007；ACME Inc，2009；呂拴錄等，2009；鄢泰寧等，2010)。鋁合金鉆桿技術(shù)作為前蘇聯(lián)СГ-3科學(xué)超深井三大特色技術(shù)之一，為提高人類向地下空間進(jìn)軍的能力做出了巨大的貢獻(xiàn)(王達(dá)等，1995)。同時，使用鋁合金鉆桿替代鋼鉆桿在塔里木油田哈拉哈塘區(qū)塊哈15井順利完成進(jìn)尺4983 m，解決了鋼鉆桿氫脆化斷裂的問題。在西伯利亞834R/87水平井中，與鋼鉆柱相比，鋁合金復(fù)合鉆柱體系具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(Gelfgatetal.，2007)。中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的鋁合金鉆桿，應(yīng)用于高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)若爾蓋鈾礦田ZK3-1鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺達(dá)854 m，表現(xiàn)出降低鉆機(jī)動力消耗，降低施工難度，提高鉆探效率，減輕工人勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

表1 不同鉆柱體系的性能對比

雖然鋁合金鉆桿表現(xiàn)出優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢，但鋁合金鉆桿的材料硬度較低，大約是鋼鉆桿的1/2～2/3(ACME Inc，2009)，在鉆進(jìn)過程中鋁合金鉆柱與井筒頻繁地摩擦磨損，導(dǎo)致鉆桿產(chǎn)生偏磨以及劃痕和壓痕等損傷，致使鉆具承載力降低，增加了井內(nèi)事故隱患(唐繼平等，2010；胡以寶，2011；王小紅等，2013)，鉆桿典型失效照片如圖1所示。前蘇聯(lián)СГ-3科學(xué)超深井研究表明，在井深7200 m～11500 m井段，鋁合金鉆桿的平均使用壽命是鋼鉆桿的1/2～4/5(ACME Inc，2009)，這意味著鉆桿磨損對鉆井安全影響至關(guān)重要。在我國塔里木油田克深7井應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)15根鋁合金鉆桿表面均產(chǎn)生了明顯的橫向、縱向及螺旋狀劃痕，部分鉆桿還出現(xiàn)了壓痕(唐繼平等，2010)。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，由于鋁合金鉆桿在鉆進(jìn)過程中，橫向位移較大，鉆桿大部分時間在接近井壁區(qū)域運(yùn)動并不斷與井壁發(fā)生碰撞和接觸，使得表面擦傷、磨損嚴(yán)重(胡以寶，2011)。綜上所述，如何進(jìn)行有效的防護(hù)成為鋁合金鉆桿技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

圖1 鋁合金鉆桿桿體磨損失效Fig.1 Wear failure of aluminum alloy drill rod

由于材料的耐磨性受環(huán)境因素(溫度、載荷、對磨副等)、材料組分、相組成及微觀組織等因素影響(Yuetal.，1996；Lepperetal.，1997；Raoetal.，2009)，特別是材料的表面組織結(jié)構(gòu)和表面硬度是提高其耐磨性能的關(guān)鍵。表面工程技術(shù)能有效提高鋁合金表面硬度、耐磨性能和力學(xué)性能(徐濱士等，2003；Villegasetal.，2005；Vissutipitukuletal.，2005；Suhetal.，2007；Sunetal.，2008；Lietal.，2009；陳歲元等，2011；Jiangetal.，2011；Alidokhtetal.，2012；Amanovetal.，2013；Louetal.，2013；Sheetal.，2015)，但表面強(qiáng)化技術(shù)是否有利于鋁合金鉆桿的磨損防護(hù)？鑒于鉆柱工況的特殊性，尚沒有明確的答案。本文通過研究經(jīng)超聲波冷鍛技術(shù)(UCFT)、陽極氧化(AO)處理前后鋁合金材料的摩擦學(xué)行為，探索表面處理方法對鋁合金鉆桿材料摩擦磨損性能的影響，為鋁合金鉆桿的磨損防護(hù)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)采用7E04鋁合金管材(高強(qiáng)度鋁合金鉆桿材料)，規(guī)格為φ52 mm × 7.5 mm，其化學(xué)成分見表2。利用鋁合金管材經(jīng)電火花切割成8 mm厚的圓環(huán)狀試樣。對其端面進(jìn)行磨拋后，使用丙酮超聲清洗15 min。干燥后，對試樣進(jìn)行超聲波冷鍛處理和陽極氧化處理。

表2 7E04鋁合金化學(xué)成分

超聲波冷鍛技術(shù)(UCFT)的原理和裝置，如圖2所示。將頻率為20 kHz 的超聲振動能通過沖頭(球)作用在材料表面，使材料表面發(fā)生劇烈塑性變形以實(shí)現(xiàn)表面納米化，具體工藝參數(shù)詳見表3。

表面陽極氧化技術(shù)(AO)的原理和裝置，如圖3所示。將鋁鉆桿本體材料置于酸性電解液中，與外接電源作用下作為陽極(具體工藝參數(shù)詳見表4)，在試件表面形成與基體結(jié)合牢固的氧化層，通過改性工藝形成的氧化層具有較高硬度與基體結(jié)合牢固。

表3 超聲波冷鍛處理技術(shù)參數(shù)

圖2 超聲波表面強(qiáng)化設(shè)備原理示意圖Fig.2 Configuration of ultrasonic cold forging processing device

表4 陽極氧化處理技術(shù)參數(shù)

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)采用MS-T3000型球盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用類礦物巖石的陶瓷相ZrO2球?yàn)閷δデ颍淠嫌捕却笥?。選用未處理樣品、UCFT樣品與AO樣品，并根據(jù)文獻(xiàn)(胡以寶，2011)模擬鋁合金鉆桿孔內(nèi)工況與井壁的接觸和相對運(yùn)動結(jié)果，確定具體試驗(yàn)參數(shù)，見表5。試驗(yàn)結(jié)束后，采用白光三維形貌干涉儀、掃描電鏡及其附帶能譜儀分別對試樣進(jìn)行磨損體積、磨痕表面形貌與元素組成進(jìn)行表征。

表5 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)

圖3 陽極氧化設(shè)備原理示意圖Fig.3 Sketch of anodic oxidation processing device

1.3 微觀分析測試方法

利用D/max X-ray型X射線衍射分析儀(X-ray diffractmeter，XRD)進(jìn)行相結(jié)構(gòu)的表征；采用JSM-6010型掃描電鏡(Scanning electron microscope，SEM)及其附帶能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)對樣品表面形貌與元素組成進(jìn)行表征；使用Nano-Map-D 3D型白光三維形貌干涉儀觀察樣品表面形貌和計(jì)算表面粗糙度；橫截面樣品用義齒基牙托粉鑲樣，磨光拋光后用Keller’s金相腐蝕液(95ml H2O + 2.5ml HNO3+1.5ml HCl+1.0ml HF)腐蝕，通過奧林巴斯BX51M金相顯微鏡(Optical microscopem，OM)觀察其組織形貌；用MH-6型顯微硬度計(jì)測量樣品表面硬度和橫截面硬度，測量過程中按照ASTM E384-11e1標(biāo)準(zhǔn)，硬度數(shù)據(jù)值均取5次測量的平均值。

2 結(jié)果及討論

2.1 組織與結(jié)構(gòu)

未處理樣品和UCFT樣品的XRD衍射圖譜如圖4所示。從圖中可以看出，經(jīng)過UCFT處理的衍射峰相對強(qiáng)度明顯降低且衍射峰趨于寬化；此外，最強(qiáng)峰由Al(200)晶面對應(yīng)的衍射峰轉(zhuǎn)變?yōu)锳l(111)晶面的衍射峰。利用德拜-謝樂公式可以算出，經(jīng)過UCFT處理后7E04鋁合金表面的平均晶粒大小約為56 nm，衍射峰的寬化是由于表層晶粒尺寸減小和微觀應(yīng)變增加造成的。最強(qiáng)峰峰位角轉(zhuǎn)變可能是由于未處理樣品本身的條狀織構(gòu)中存在明顯擇優(yōu)取向，而經(jīng)UCFT處理后，劇烈塑性形變使表層晶粒細(xì)化并呈隨機(jī)分布所致。另外，由于AO樣品表面極為粗糙，且形成多孔結(jié)構(gòu)的氧化膜表層，表面無法有效進(jìn)行XRD物相分析，但可通過SEM附帶EDS分析，如圖5所示。并可知AO處理后樣品表面形成了多孔的由鋁的氧化物組成的氧化物層。

圖4 超聲波冷鍛處理前后試樣XRD衍射圖譜Fig.4 XRD spectra of sample before and after UCFT processing

三種樣品的橫截面光學(xué)照如圖6所示。由圖可知，未處理樣品呈現(xiàn)出明顯的帶狀織構(gòu)；UCFT樣品的表面形成了厚度約為100 μm 的塑性形變層(晶粒取向隨機(jī)分布)；AO樣品表面生成了厚度約60 μm的氧化層。

圖5 陽極氧化處理前后試樣的EDS分析Fig.5 EDS analysis of sample before and after AO processing a-未處理樣品；b-AO樣品a-untreated sample;b-AO treated sample

圖6 樣品橫截面金相組織Fig.6 Metallographic structure of sample cross section a-未處理樣品；b-UCFT樣品；c-AO樣品a-untreated sample；b-UCFT treated sample；c-AO treated sample

三種樣品的表面三維形貌如圖7所示。從圖中可以看出，UCFT樣品表面形成微觀犁溝，經(jīng)表面粗糙度Ra由處理前的約10 nm轉(zhuǎn)變?yōu)?2 nm；而OA樣品表面呈明顯塊狀凸起，表面粗糙度Ra升高至5.62 μm，與圖5(b)中的SEM結(jié)果相吻合，說明生成了多孔的Al2O3結(jié)構(gòu)。

2.2 顯微硬度

樣品的表面硬度如圖8所示。UCFT樣品表面硬度由處理前的120 HV左右提升至約200 HV，提高了1.7倍左右；AO樣品表面硬度提升至約500 HV，提高了4.2倍左右。UCFT樣品表面硬度的提高是因?yàn)榫Я＜?xì)化與加工硬化的效果，OA樣品表面硬度的提高因?yàn)樵诒砻嫔闪擞操|(zhì)的Al2O3陶瓷相，硬度的提高可有效地抑制磨損。

圖7 樣品的表面三維形貌Fig.7 Three-dimensional surface topography of samples a-未處理樣品；b-UCFT樣品；c-AO樣品a-untreated sample；b-UCFT sample；c-AO sample

2.3 摩擦磨損性能

三種樣品的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，UCFT樣品的摩擦系數(shù)較處理前變化不大，只是略有降低，平均摩擦系數(shù)由處理前樣品的0.60下降到0.56；OA樣品表面的摩擦系數(shù)大幅降低，平均摩擦系數(shù)約為0.35。

三種樣品表面磨痕的三維形貌圖見圖10所示。從圖中可以看出，樣品表面均發(fā)生了一定程度的磨損，未處理樣品表面的磨痕深度約為36.1 μm，而UCFT樣品的磨痕深度明顯變淺，約為16.8 μm，OA樣品的磨痕深度降低至5.1 μm。說明UCFT處理與OA處理可有效地提高鋁合金的耐磨性能。

圖8 樣品的表面硬度Fig.8 Surface hardness of samples

圖9 樣品的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線Fig.9 Variation curves of friction coefficient for different specimens

3 磨損機(jī)理討論

UCFT和AO處理均可提高鋁合金鉆桿抗磨性能，并一定程度地降低了摩擦系數(shù)。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，鋁合金鉆桿在接近井壁區(qū)域運(yùn)動并不斷與井壁發(fā)生碰撞和接觸，低磨損率可有效保護(hù)鋁合金鉆桿基體，延長服役壽命、提高服役的可靠性；同時，低摩擦系數(shù)意味著低能耗消耗，可降低起下鉆過程中鉆柱與井壁的摩阻，以及減小鉆進(jìn)過程中鉆井液的循環(huán)壓降。

三種樣品典型磨痕SEM形貌如圖11所示，可以看出，未處理樣品磨痕表面有大量犁溝和層狀舌形楔，即未處理的樣品表面發(fā)生了磨料磨損、粘著磨損和塑性形變；UCFT樣品表面呈現(xiàn)出典型的粘著磨損的形貌(層狀舌形楔)；AO樣品的磨損較為輕微，一些低洼的原始表面形貌仍然存在于磨痕形貌中，凸起的部分則被磨平，磨平的地方出現(xiàn)有鱗片狀的磨屑和剝落坑。對鱗片狀磨痕區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的高倍觀察可以看到明顯的微裂紋，說明發(fā)生的主要是疲勞磨損。

未處理樣品的硬度低于對磨球ZrO2的硬度，摩擦過程中易產(chǎn)生強(qiáng)烈的黏著，相對軟的材料容易產(chǎn)生磨料磨損，因此，未處理樣品磨痕表面有大量的犁溝和層狀舌形楔，并且導(dǎo)致較高的摩擦系數(shù)和磨損量。UCFT處理導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生納米晶，晶粒的細(xì)化提高了鋁合金表面的硬度，但仍低于ZrO2對磨球的硬度，相比未處理樣品能對ZrO2球起到有效的支撐作用，因?yàn)橄鄬浀牟牧先菀装l(fā)生磨損，摩擦過程中產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致鋁合金材料變軟，從而產(chǎn)生一定程度的層狀舌形楔，進(jìn)而摩擦系數(shù)得到了降低。AO處理在樣品表面生成了厚度約為60 μm的氧化層，該處理對表面硬度提高的最大，更容易對ZrO2球起到有效的支撐作用，但由于該氧化物層呈現(xiàn)明顯的塊狀凸起與多孔的形貌，并且由于氧化物為脆性相，在摩擦磨損的過程中凸起的部分容易被磨平，并且容易產(chǎn)生脆性剝落顆粒，再經(jīng)過反復(fù)碾壓，在磨平的地方就會出現(xiàn)有鱗片狀的磨屑和剝落坑，通過對對鱗片狀磨痕區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的高倍觀察可以看到明顯的微裂紋。因此AO處理的樣品發(fā)生的主要是疲勞磨損，由于幾乎沒有塑性形變和粘著磨損的發(fā)生，因此摩擦系數(shù)最小。

4 結(jié)論

通過選取ZrO2硬質(zhì)材料對磨球，與經(jīng)UCFT處理以及陽極氧化處理的7E04鋁合金鉆桿材料，在球盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試，并對其微觀組織結(jié)構(gòu)、表面形貌及表面粗糙度、相組成和硬度進(jìn)行表征。綜合可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)鋁合金鉆桿因其較低的硬度等因素，其表面摩擦系數(shù)較高，且極易發(fā)生由磨料磨損、粘著磨損和塑性形變共同作用而導(dǎo)致的嚴(yán)重磨損。

圖10 樣品磨痕三維形貌圖Fig.10 Three-dimensional morphology of wear scars a-未處理樣品；b-UCFT樣品；c-AO樣品a-untreated sample；b-UCFT sample；c-AO sample

(2)鋁合金鉆桿經(jīng)UCFT處理后，樣品表面形成了厚度約為100 μm的塑性變形層，表面的平均晶粒細(xì)化至為56 nm；改性層的形成能在一定程度上提升鉆桿的表面硬度，抑制磨料磨損的發(fā)生，從而提高鉆桿的耐磨性。

(3)陽極氧化處理后，樣品表面生成了約60 μm的多孔氧化層，氧化層的形成能有效提升其表面硬度，阻止鉆桿表面發(fā)生塑性形變和磨料磨損；氧化層的形成能有效阻止對磨球金屬表面直接接觸，抑制粘著磨損的發(fā)生，進(jìn)而使得鉆桿的耐磨性顯著提升，同時摩擦系數(shù)大幅降低。

圖11 樣品典型磨痕SEM形貌Fig.11 SEM micrographs of wear tracks on sample a-未處理；b-UCFT樣品；c-AO處理(低倍)；d-AO處理(高倍)a-untreated sample；b-UCFT sample；c-AO sample(low times)；d-AO sample(high times)

Alidokht S A，Abdollah-Zadeh A，Soleymani S，Saeid T，Assadi H.2012.Evaluation of microstructure and wear behavior of friction stir processed cast aluminum alloy [J].Materials Characterization，63:90-97

Amanov A，Sasaki S，Kim D E，Penkov O V，Pyun Y S.2013.Improvement of the tribological properties of Al 6061-T6 alloy under dry sliding conditions [J].Tribology International，64:24-32

Aquatic Company，Maurer Engineering Inc.1999.Development of aluminum drill pipe in Russia(Final Report TR99-23)[R].Implement Russian Aluminum Drill Pipe and Retractable Drilling Bits into the USA，Contract NO:DE-FG26-98FT40128

Chen Sui-yuan，Li Hai-xiong，Yang Mi-jun，Liu Chang-sheng.2011.Structure and performance of anode oxide films on the surface of aluminum alloy reinforced by nano-SiC [J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，32: 952-955(in Chinese with English abstract)

Gelfgat M Y，Basovich V S.2007.Aluminum vs.Steel: Preventing Drill String Buckling when Drilling Horizontally [J].Oil & Gas Eurasia，(6):32-38

Hu Yi-bao.2011.Finite element analysis of dynamic characteristics of drill string based on actual well path [D].Shanghai: SHANG HAI UNIVERSITY:1-18(in Chinese with English abstract)

Jiang Yong-feng，Zhang Ying-yue，Bao Ye-feng，Yang Hua-shan.2011.Dry sliding wear behaviours of intrinsically sintered micro-arc oxidation coatings on pure aluminum [J].Advanced Materials Research，154-155: 1000-1003

Lepper K，James M，Chashechkina J.1997.Sliding behavior of selected aluminum alloys [J].Wear，203-204: 46-56

Li D，Chen H N，Xu H.2009.The effect of nanostructured surface layer on the fatigue behaviors of a carbon steel [J].Applied Surface Science，255: 3811-3816

Lv Shuan-lu，Luo Fa-qian，Zhou Jie，Liu Yuan-yang，Su Jian-wen，Lu Qiang.2009.Prospects of aluminum alloy drill pipe in Tarim oilfield [J].PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES，37(3):74-77(in Chinese with English abstract)

Lou Bai-yang，Zhu Guo，Li Pei-hua，Dong Han-shan.2013.Study on corrosion wear behavior of 70 aluminum alloy anodic oxide coating [C].Advanced Materials Research，652-654:1735-1738

Rao R N，Das S，Mondal D P，Dixit G.2009.Dry sliding wear behaviour of cast high strength aluminum alloy(Al-Zn-Mg)and hard particle composites [J].Wear，267:1688-1695

S.Y.Yu，H.Ishii，T.H.Chuang.1996.Corrosive wear of SiC whisker-and particulate-reinforced 6061 aluminum alloy composites [J].Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science，27(9):2653-2662

Suh C M，Song G H，Suh M S，Pyoun Y S.2007.Fatigue and mechanical characteristics of nanostructured tool steel by ultrasonic cold forging technology [J].Materials Science and Engineering A，443(1-2):101-106

Sun H Q，Shi Y N，Zhang M X.2008.Wear behaviour of AZ91D magnesium alloy with a nanocrystalline surface layer [J].Surface & Coatings Technology，202:2859-2864

She Ding-shun，Yue Wen，Du Ying-jun，F(xiàn)u Zhi-qiang，Wang Cheng-biao，Liu Jia-jun.2015.Vacuum tribological properties of titanium with a nano-crystalline surface layer[J].Tribology Letters，57(1): 1-12

She Ding-shun，Yue Wen，F(xiàn)u Zhi-qiang，Wang Cheng-biao，Yang Xing-kuan，Liu Jia-jun.2015.Effects of nitriding temperature on microstructures and vacuum tribological properties of plasma-nitrided titanium[J].Surface Coatings and Technology，264:32-40

Tang Ji-ping，Di Qin-feng，Hu Yi-bao，Wang Wen-chang，Liang Hong-jun，Yang Cheng-xin.2010.Analysis on dynamic characteristics and wear mechanism of aluminum alloy drill pipe[J].ACTA PETROLEI SINICA，31(4):684-688(in Chinese with English abstract)

Vissutipitukul P，Aizawa T.2005.Wear of plasma-nitrided aluminum alloys [J].Wear，259: 482-489

Villegas J C，Shaw L L，Dai K，Yuan W，Tian J，Liaw P K，Klarstrom D L.2005.Enhanced fatigue resistance of a nickel-based hastelloy induced by a surface nanocrystallization and hardening process [J].Philosophical Magazine Letters，85:427-438

Wang Da，Zhang Wei，Tang Song-ran.1995.General situation and characteristics of Russian science deep drilling technology-Report four [J].Exploration Engineering，(4):53-56(in Chinese)

Wang Xiao-hong，Guo Jun，Yan Jing，Luo Liang，Ye Min，Lin Yuan-hua.2013.Research progress on the material production process and wear of aluminum alloy drilling rods [J].Transactions of Materials and Heat Treatment，34:1-6(in Chinese with English abstract)

Xu Bin-shi，Liu Shi-can，Liang Xiu-bing.2003.Progress and prospect of Nano-materials surface engineering [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，39(10):21-26(in Chinese with English abstract)

Yan Tai-ning，Xue Wei，Lu Chun-hua.2010.Superiorities of aluminum alloy drilling pipe and its application prospects in deep holes for geological exploration [J].Exploration Engineering(Rock & Soik Drilling and Tunneling)，37(2): 27-29(in Chinese with English abstract)

[附中文參考文獻(xiàn)]

陳歲元，李海雄，楊彌珺，劉常升.2011.納米SiC增強(qiáng)鋁合金表面陽極氧化膜的組織與性能[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，32: 952-955

胡以寶.2011.基于實(shí)際井眼軌跡的鉆柱動力學(xué)特性有限元分析[D].上海:上海大學(xué): 1-18

呂拴錄，駱發(fā)前，周 杰，劉遠(yuǎn)揚(yáng)，蘇建文，盧 強(qiáng).2009.鋁合金鉆桿在塔里木油田推廣應(yīng)用前景分析[J].石油鉆探技術(shù)，37(3):74-77

唐繼平，狄勤豐，胡以寶，王文昌，梁紅軍，楊成新.2010.鋁合金鉆桿的動態(tài)特性分析及其磨損機(jī)制[J].石油學(xué)報(bào)，31(4): 684-688

王 達(dá)，張 偉，湯松然.1995.俄羅斯科學(xué)深鉆技術(shù)概況和特點(diǎn)—技術(shù)考察系列報(bào)道之四[J].探礦工程，(4): 53-56

王小紅，郭 俊，閆 靜，羅 亮，葉 敏，林元華.2013.鋁合金鉆桿材料生產(chǎn)工藝及磨損研究進(jìn)展[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，34:1-6

徐濱士，劉世參，梁秀兵.2003.納米表面工程的進(jìn)展與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，39(10): 21-26

鄢泰寧，薛 維，盧春華.2010.鋁合金鉆桿的優(yōu)越性及其在地探深孔中的應(yīng)用前景[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，37(2):27-29

Study on Tribological Properties of Aluminum Drill Pipes under Ultrasonic Cold Forging and Anodic Oxidation Treatment

LIANG Jian1，YUE Wen2，SUN Jian-hua1，SHE Ding-shun2，HOU Bin-bin2，YIN Hao1

(1.InstituteofExplorationTechniques，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Langfang，Hebei065000; 2.SchoolofEngineeringandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083)

Appropriate surface processing is one of the key techniques for realization of the long lifetime，high reliability，and high wear resistance of aluminum drill pipes.Ultrasonic cold forging technology( UCFT) and anodic oxidatio (AO) were applied to strengthen the surface of aluminum (7E04) drill pipes in this work.The tribological performances of the UCFT and AO samples were characterized by the ball-on-disk wear tester，and the hard material ZrO2was selected as the counter ball.The results show that a plastically deformed layer with a thickness of about 100 μm and a refined grain size of 56 nm on the top surface was formed on the surface of the UCFT sample.After AO treatment，a porous oxidized layer with a thickness about 60 μm has been formed.The surface hardness and wear resistance of both the UCFT and AO samples are improved to some degree，and the friction coefficient of AO sample is effectively decreased.The untreated sample presents a co-action of the abrasive wear，adhesion wear and plastic deformation.Whereas，the wear mechanism of the UCFT sample is the typical adhesive wear;and the dominant wear mechanism of the AO sample is the fatigue wear.

aluminum drill pipe，ultrasonic cold forging，anodic oxidation,wear

2015-11-29；

2016-04-23；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51404217)、中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目(編號 ：12120113016800)共同資助。

梁 健(1980年-)，男，碩士，高級工程師，長期從事鉆探工程和鉆具研發(fā)工作。E-mail: raul9942718@163.com。

P634.5

A

0495-5331(2016)03-0576-08