一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法。涂层主要是按照合适的配比，制成的镍基涂层，在感应熔覆技术下使抽油杆表面获得高性能耐磨防腐涂层。具体实施方法如下：(1)基材表面进行预处理；(2)预制镍基涂层；(3)烘干处理；(4)感应熔覆涂层的制备。通过该发明专利技术得到的镍基涂层，在涂层界面处形成良好的冶金结合，且涂层组织得到细化、未出现明显的裂纹、空隙等缺陷。从基材到涂层的显微硬度得到明显的提高，涂层硬度值高于基材近5倍，且在相同条件下涂层的磨损量及磨损系数远低于基材，使得抽油杆寿命大幅提高。该方法不仅能得到高性能涂层，而且具有生产成本低，效率高、生产过程环保、易于实现工业化等优势。

Nickel base coating on sucker rod surface and preparation method thereof

The invention discloses a nickel base coating on the sucker rod surface and a preparation method thereof. The nickel-based coating is mainly made according to the appropriate proportion. Under the induction cladding technology, high-performance wear-resistant and corrosion-resistant coating is obtained on the surface of sucker rod. Specific implementation methods are as follows: (1) substrate surface pretreatment; (2) prefabricated nickel-based coating; (3) drying treatment; (4) induction cladding coating preparation. The nickel-based coating obtained by the invention forms a good metallurgical bonding at the interface of the coating, and the microstructure of the coating is refined without obvious cracks and voids. The microhardness of the coating from the substrate to the coating is obviously improved. The hardness of the coating is nearly five times higher than that of the substrate. The wear loss and coefficient of wear of the coating are much lower than that of the substrate under the same conditions, which greatly increases the life of the sucker rod. The method can not only obtain high performance coatings, but also has the advantages of low production cost, high efficiency, environmental protection in production process and easy industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法
本专利技术涉及石油行业抽油杆基体材料表面改性领域，特别是涉及一种抽油杆表面镍涂层及其制备方法。
技术介绍
随着油气资源的不断开采，浅层油气资源逐渐枯竭，深层油气资源的开发在油气产量中的比重不断增加，采油方式也主要以机械式采油为主。抽油杆作为机械采油最重要的装置之一，其服役的安全性与产品质量的稳定性对于油气资源的开采有着至关重要的影响。但由于钻采工具在使用过程中,经常要承受各种拉、剪、摩擦和腐蚀等工况与环境磨损腐蚀因素，极易造成材料的损伤,引发重大事故，造成巨大的经济损失。且由于材料的磨损、腐蚀等破坏过程大都是从其表面开始的。因此，针对抽油杆在恶劣工况下表面附着一层强度高、耐磨、抗腐蚀的涂层材料的研究显得十分迫切。目前，在抽油杆基材表面制备防护涂层的现有技术包括：激光熔覆、热喷涂、氩弧熔覆等技术，但均存在生产成本大，涂层与基材结合力差、能耗大、产生的废气废液污染环境等诸多问题。感应熔覆技术具有加热速度快、热损失少、效率高、便于自动化、机械化且具有圆柱型工件的轴面上加工的独特优势等优点，因此具有良好的应用前景。专利CN101012560A(熊林勇，用感应加热熔涂合金技术强化火车钢轨和车轮表面方法)提供了一套合金类高强度钢种感应熔覆再强化制造的方法，但该材料主要针对铁轨、车轮用钢耐磨性能的研究，未考虑材料的耐蚀性能；专利CN107012461A(孟惠民；孙国征；甘培源；余泽沁；胡舸、一种高耐蚀镍基合金涂层的制备方法)提供了一种在工件外表面涂层超音频感应加热熔覆方法且涉及到在高酸性油气田环境下高耐蚀镍基合金的制备，该方法的熔覆电流高达1000-1300A，熔覆热输出大，基体材料热影响区增大，大大降低了基材性能。而本专利技术主要采用高频感应熔覆的方法，制备高性价比的耐磨防腐镍基合金涂层，该涂层不仅具有优良的耐磨防腐性能，而且可以极大的降低生产成本。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题，本专利技术是提供一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，该方法通过具体的混合镍基涂层配方以及感应熔覆温度和时间的精确控制，使涂层与基体材料快速形成冶金结合，从而获得高性能耐磨防腐涂层，提高抽油杆使用寿命。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：对基材表面进行预处理步骤二：将镍基合金粉末、硬质颗粒、粘结剂按一定比例均匀混合步骤三：采用“冷涂法”将步骤二所得到的混合的镍基涂层粉末预制到基体材料上，并将其放置于烘箱作烘干处理，保温2小时步骤四：对步骤三所述的混合镍基涂层进行感应熔覆处理，在所述基材表面制备得到抽油杆表面镍基涂层步骤五：对感应熔覆制备的涂层进行机械加工与性能检测优选的，步骤一中抽油杆基材为35CrMo优选的，步骤一具体实施方法为：首先采用机械加工的方法，对工件表面进行打磨处理，以去除表面氧化层、疲劳层、镀层等有害表面层；然后采用表面喷砂，提高基材表面粗化、净化效果，最后采用超声辅助清洗表面杂物优选的，步骤二中镍基合金粉末为球状NiCrBSi自熔性合金粉末，其成分(wt％)包含：0.5-1.1C，3.5-5.5B，3.0-4.5Si，15-20Cr，Fe≤5.0，余量为Ni优选的，步骤二中硬质颗粒为平均粒度约为500目，形状不规则的TiC颗粒，粘接剂为模数(氧化钠与二氧化硅摩尔比)为3.1-3.4的水玻璃胶体优选的，步骤二中首先将镍基合金粉与TiC颗粒按照质量比为9:1的比例均匀混合，然后加入质量比为7％-9％水玻璃粘结剂均匀混合，制成膏状物并涂覆1.2mm～1.5mm到工件表面优选的，步骤三中烘箱的烘干温度在180℃优选的，步骤四中，将步骤三制成的工件放置在工作台上，工件与多扎感应线圈同轴，工件表面与感应线圈的间隙为2～4mm，打开循环水，使用CX2030C高频感应熔覆设备通过调节感应电流的大小，控制熔覆温度在1000-1100℃范围内，熔覆时间为25-40s，对抽油杆基材表面混合镍基合金粉末进行感应加热熔覆，获得高性能涂层结构后，结束加热，关闭电源优选的，所述步骤五具体为：将制备的镍基合金涂层机械加工到合适尺寸，通过SEM测试涂层冶金结合程度，通过显微硬度、摩擦磨损测试材料的耐磨性能，通过电化学测试材料的耐蚀性能。本专利技术的有益效果是：本专利技术有益效果：1、该专利技术采用高频感应熔覆技术，具有如下优势：a、具有在圆柱型工件的轴面上加工的独特优势；b、运行成本低，比激光熔覆、氩弧熔覆等技术成本都低；c、生成过程环保、无废气、废渣、废液产生；d、生产速度快、生产效率高、涂层能与基体达到很好的冶金结合；e、感应熔覆技术加热深度浅，对基材的影响小，有利于减小工件变形倾向。2、该专利技术利用混合自熔性镍基合金粉末，使得涂层组织的形态呈典型的柱状晶且分布较为均匀，晶界处弥散分布有细小的灰黑色第二相，细化了涂层组织，且涂层与基体的结合面处存在一条明显的元素扩散迁移带(DTB)，说明涂层与基体达到了良好的冶金结合。3、该专利技术在较低成本条件下，成功的实现了在抽油杆表面熔覆高强度耐磨耐蚀涂层。4、涂层材料高强度耐磨耐蚀性能主要表现在：通过该专利技术制造的抽油杆在显微硬度实验中显示，基材到涂层表面显微硬度从186.2HV提高到812.7HV，硬度值提高近5倍；在摩擦磨损实验中：相同实验压力下涂层材料的磨损量仅为基材的27.7％，相同转速条件下，涂层材料的摩擦系数仅为基体材料的40.3％。在电化学实验中涂层材料的自腐蚀电流仅为基材的36.8％，说明通过该专利技术再制造的抽油杆能大幅提高材料性能，增强了其寿命，具有极佳的经济效应。附图说明图1是本专利技术制备镍基涂层的过程图；图2是本专利技术较佳的感应熔覆制备镍基涂层的的示意图；图3是本专利技术抽油杆横截面取样测试示意图；图4是本专利技术较佳的抽油杆表面镍基涂层金相组织图；图5是本专利技术较佳的抽油杆表面镍基涂层SEM形貌图；图6是本专利技术较佳的抽油杆表面镍基涂层XRD图谱；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。实施例1：本实施例一种抽油杆表面镍基涂层感应熔覆方法，采用35CrMo基材，取Φ35mm×50mm工件尺寸，预覆涂层厚度为1.2mm～1.5mm，包括如下步骤：(1)对基材表面进行预处理首先采用机械加工的方法，对工件表面进行打磨处理，以去除表面氧化层、疲劳层、镀层等有害表面层；然后采用表面喷砂，提高基材表面粗化、净化效果，最后采用超声辅助清洗去除表面夹杂。(2)制备镍基涂层将NiCrBSi自熔性合金粉末与TiC颗粒按照质量比为9:1的比例均匀混合，然后在混合合金粉末中混入质量比为7％-9％水玻璃粘结剂，并均匀搅拌，利用“冷涂法”制成膏状。将获得的膏状混合物均匀涂于(1)步骤所到的试样基材上，厚度在1.2mm～1.5mm范围内。(3)烘干处理将步骤(2)中所得的试样放入烘箱中，在180℃的烘干温度下，保温两小时，使涂层中的水玻璃充分挥发。使用的镍基合金粉末为粒度为-100目～+300目的球状NiCrBSi自熔性合金粉末，其成分(wt％)包含：0.5-1.1C，3.5-5.5B，3.0-4.5Si，15-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法；其特征在于，包括：步骤一：对基材表面进行预处理；步骤二：将镍基合金粉末、硬质颗粒、粘结剂按一定比例均匀混合；步骤三：采用“冷涂法”将步骤二所得到的混合的镍基涂层粉末预制到基体材料上，并将其放置于烘箱作烘干处理，保温2小时；步骤四：对步骤三所述的混合镍基涂层进行感应熔覆处理，在所述基材表面制备得到抽油杆表面镍基涂层；步骤五：对感应熔覆制备的涂层进行机械加工与性能检测。

【技术特征摘要】
1.一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法；其特征在于，包括：步骤一：对基材表面进行预处理；步骤二：将镍基合金粉末、硬质颗粒、粘结剂按一定比例均匀混合；步骤三：采用“冷涂法”将步骤二所得到的混合的镍基涂层粉末预制到基体材料上，并将其放置于烘箱作烘干处理，保温2小时；步骤四：对步骤三所述的混合镍基涂层进行感应熔覆处理，在所述基材表面制备得到抽油杆表面镍基涂层；步骤五：对感应熔覆制备的涂层进行机械加工与性能检测。2.根据权利要求1所述的一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，其特征在于，步骤一中抽油杆基材为35CrMo。3.根据权利要求1所述的一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，其特征在于，步骤一具体实施方法为：首先采用机械加工的方法，对工件表面进行打磨处理，以去除表面氧化层、疲劳层、镀层等有害表面层；然后采用表面喷砂，提高基材表面粗化、净化效果，最后采用超声辅助清洗表面杂物。4.根据权利要求1所述的一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，其特征在于，步骤二中镍基合金粉末为球状NiCrBSi自熔性合金粉末，其成分(wt％)包含：0.5-1.1C，3.5-5.5B，3.0-4.5Si，15-20Cr，Fe≤5.0，余量为Ni。5.根据权利要求1所述的一种抽油杆表面镍基涂层及其制备方法，其特征在于，步骤二中硬质...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄本生，李光文，文雄，李天宁，高钰枭，陈鹏，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51