长寿命柱塞及其制备方法与流程

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1.本发明涉及石油机械设备制造领域，尤其涉及一种长寿命柱塞及其制备方法。

背景技术：

2.往复泵液力端柱塞是压裂泵的重要部件之一，安装于压裂泵动力端和液力端之间，它在运动的过程中一方面受到来自动力端的交变作用力，另一方面直接耐受液力端的高压冲击，工作条件复杂恶劣，是容易损坏的部件之一。
3.目前国内外压裂往复泵柱塞，多采用柱塞本体表面烧结合金强化层的方法如镍基合金等来提高柱塞耐磨性，但大量证据表明，一方面由于柱塞表面涂层耐磨性或冶金结合力不足，导致表面涂层出现划痕和剥落；另一方面，由于本体软而涂层硬，在使用时会导致沟槽的产生(非涂层损坏，见图1)。
4.现有技术中，cn 109253080 a公开了一种用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞，其包括柱塞本体与两层涂层，两层涂层分别为基体强化层和硬面工作层。其基体强化层由喷焊重熔或表面感应淬火得到，硬面工作层为金属陶瓷复合涂层并且通过超音速火焰热喷涂工艺在基体强化层基础上得到。但其缺陷在于，层间冶金结合力效果较差，较难硬度均匀分布要求，因此在防止涂层脱落方面还存在进一步改善空间。

技术实现要素：

5.本发明提供一种长寿命柱塞及其制备方法，用以解决现有技术中柱塞涂层耐磨性差以及寿命较短的缺陷，实现柱塞的长寿命连续作业。
6.根据本发明提供的一种柱塞，其包括柱塞本体和两层以上的涂层，且所述涂层的硬度沿柱塞本体向涂层侧逐渐增加，所述柱塞本体与接触设置的涂层之间以及两层接触设置的涂层之间的硬度差均为hrc15～20；其中，所述涂层包括中间层和强化层，所述中间层设置在所述柱塞本体与所述强化层之间，所述强化层的厚度≥中间层。
7.根据本发明提供的一种柱塞，所述中间层的材料为碳化铬、碳化钨、ni基合金和co基合金的一种或几种，所述强化层的材料为非晶合金。
8.根据本发明提供的一种柱塞，所述中间层的硬度为hrc50～55；所述强化层的硬度为hrc60～70。
9.根据本发明提供的一种柱塞，所述中间层的层数为1～2层，所述中间层的总厚度为0.3～0.4毫米。
10.根据本发明提供的一种柱塞，所述强化层的层数为1～2层，所述强化层的总厚度为0.5～0.6毫米。
11.根据本发明提供的一种柱塞，所述非晶合金包括如下质量份数的元素：50～60份fe，0.3～3份si，1～3份b，0.5～3份ni，0.05～0.5份mn，0.05～0.5份cu，14.5～25.5份mo，14.5～25.5份cr，0.001～0.003份w，0.015～0.03份p，0.15～0.2份bi。
12.根据本发明提供的一种柱塞，所述柱塞本体的材质为中碳钢，硬度为hrc30～40。
13.本发明还提供上述柱塞的制备方法，包括：在所述柱塞本体表面依次制备硬度递增的涂层，涂层的制备方法包括超音速火焰喷涂技术或激光熔覆技术。
14.根据本发明提供的柱塞的制备方法，当通过所述超音速火焰喷涂技术制备强化层时，条件参数为：煤油流量为22～25升/小时，氧气流量为800～1000升/分钟，送粉速率30～50克/分钟，喷涂距离为300～400毫米，喷涂间隔3～4毫米。
15.当通过所述激光熔覆技术制备强化层时，条件参数为：激光功率1300～1500瓦，激光扫描速度8～12毫米/秒，送粉量1.8～2.9克/分钟，光斑直径1.8～3.0毫米。
16.根据本发明提供的柱塞的制备方法，所述制备方法中使用激光熔覆技术前，先将柱塞基体加热至150～250摄氏度。
17.本发明还提供一种泵，其含有前述的柱塞。
18.本发明还提供上述柱塞在泵中的应用。
19.本发明提供的一种长寿命柱塞及其制备方法，通过将具有硬度梯度的多层涂层运用于柱塞，既能保持表面非凡的耐磨性，又能预制表面硬度梯度，对柱塞机体起到良好的保护，从而大幅提高柱塞的寿命和连续作业能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是背景技术所述的柱塞常见失效模式图；
22.图2是本发明实施例1提供的在柱塞本体上仅烧结中间层的样件示意图；
23.图3是本发明实施例1提供的在柱塞本体上烧结中间层与强化层并进行磨削处理后的样件示意图；
24.附图标记：
25.1：柱塞本体；2：中间层；3：强化层。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.下面结合图2至图3描述本发明的柱塞，所述柱塞包括柱塞本体和两层以上的涂层，且所述涂层的硬度沿柱塞本体向涂层侧逐渐增加；所述柱塞本体与接触设置的涂层之间以及两层接触设置的涂层之间的硬度差均为hrc15～20；其中，所述涂层包括中间层和强化层，所述中间层设置在所述柱塞本体与所述强化层之间；所述强化层的厚度≥中间层。
28.本发明发现，将具有硬度梯度的复合涂层运用于柱塞中，且当强化层的厚度≥中间层时，能够显著提高柱塞本体与涂层的结合能力；同时，能够在提高表明硬度与抗磨性的同时，有效避免柱塞工作中软基体效应，导致的沟槽以及点腐蚀、涂层脱落等情况。
29.根据本发明的一个优选实施例，当所述强化层的厚度大于中间层的厚度时效果更好。
30.根据本发明的一个优选实施例，所述中间层的材料为碳化铬、碳化钨、ni基合金和co基合金的一种或几种，所述强化层的材料为非晶合金。
31.根据本发明的一个优选实施例，所述中间层的硬度为hrc50～55，所述强化层的硬度为hrc60～70。
32.在本发明中，所述中间层的合金纯度在99.9％以上。
33.根据本发明的一个优选实施例，所述中间层的层数为1～2层，所述中间层的总厚度为0.3～0.4毫米。
34.根据本发明的一个优选实施例，所述强化层的层数为1～2层，所述强化层的总厚度为0.5～0.6毫米。
35.本发明发现，当中间层与强化层的层数在上述范围内时，能够使硬度梯度分布更加均匀，进一步发现，所述中间层与强化层的厚度为上述范围时，能够更好地满足层间冶金结合力，且硬度分布更加均匀。
36.根据本发明的一个优选实施例，所述非晶合金包括如下质量份的元素：50～60份fe，0.3～3份si，1～3份b，0.5～3份ni，0.05～0.5份mn，0.05～0.5份cu，14.5～25.5份mo，14.5～25.5份cr，0.001～0.003份w，0.015～0.03份p，0.15～0.2份bi。本发明发现，所述强化层为上述元素配比的非晶合金涂层时，微观上其原子长程无序、短程有序的特点，无晶界缺陷；且宏观上硬度能够高达hrc70，具有超高硬度和良好的耐磨性能。
37.根据本发明的一个优选实施例，所述柱塞本体的材质为中碳钢，硬度为hrc30～40。
38.本发明还提供上述柱塞的制备方法，包括：在所述柱塞本体表面依次制备硬度递增的涂层，涂层的制备方法包括超音速火焰喷涂技术或激光熔覆技术。
39.在具体实施中，本领域技术人员能够根据需要，使用本领域常规材料搭配不同工艺，制备出硬度沿柱塞本体向涂层侧逐渐增加的多层涂层。
40.根据本发明的一个优选实施例，所述涂层的制备包括：中间层的制备和强化层的制备；
41.在使用所限定材料制备中间层时，本领域技术人员能够根据需要使用热烧结等常规的技术得到较佳的制备效果。
42.根据本发明的一个优选实施例，当使用热烧结技术制备中间层时，热烧结的温度为1200～1400摄氏度。
43.根据本发明的一个优选实施例，当所述超音速火焰喷涂技术应用于中间层时，其条件参数为：煤油流量为800～1000升/小时，氧气流量为4000～5000升/分钟，送粉速率120～150克/分钟，喷涂距离为300～400毫米，喷涂间隔3～4毫米。
44.根据本发明的一个优选实施例，当通过所述超音速火焰喷涂技术制备强化层时，条件参数为：煤油流量为22～25升/小时，氧气流量为800～1000升/分钟，送粉速率30～50克/分钟，喷涂距离为300～400毫米，喷涂间隔3～4毫米。
45.根据本发明的一个优选实施例，当所述激光熔覆技术应用于中间层时，其条件参数为：激光功率1300～2000瓦，激光扫描速度5～8毫米/秒，送粉量1.5～4.5克/分钟，光斑
直径1.8～3.0毫米。
46.根据本发明的一个优选实施例，当通过所述激光熔覆技术制备强化层时，条件参数为：激光功率1300～1500瓦，激光扫描速度8～12毫米/秒，送粉量1.8～2.9克/分钟，光斑直径1.8～3.0毫米。
47.本发明发现，使用激光熔覆技术与超音速火焰喷涂技术制备强化层时，能够使中间层与强化层间以及强化层之间结合更紧密。进一步发现，在上述限定的条件参数范围时，结合本发明所述非晶合金的元素配比能够制备得到硬度效果更高的非晶合金。
48.根据本发明的一个优选实施例，在烧结涂层前，对所述柱塞本体表面进行毛化处理。
49.根据本发明的一个优选实施例，所述毛化处理为喷砂毛化处理，砂粒粒径为1～3毫米。
50.根据本发明的一个优选实施例，在使用所述激光熔覆技术前，先将柱塞基体加热至150～250摄氏度。
51.本发明发现，当基材在上述温度范围时，在热影响区会因基体的预热促进元素扩散和交融，使原本成分差异较大的熔覆粉末和基体材料变得成分相对均匀，成分均匀在某种程度上会形成均匀的显微组织，因此熔覆层的性能会通过均匀组织有效的传递，所以在热影响区中该实验条件下测得显微硬度最好；而当温度超过上述范围的最高温度时，基材内应力会变大，残余应力增加，导致涂层硬度不升反降。
52.根据本发明的一个具体实施例，所述柱塞包括柱塞本体、1层中间层以及1层强化层，所述柱塞的制备方法包括如下步骤：
53.(1)柱塞本体为中碳钢，硬度为hrc30～40；
54.(2)将柱塞本体表面进行喷砂毛化处理，砂粒粒径为1～3毫米；
55.(3)将柱塞基体加热至150～200摄氏度；
56.(4)通过热烧结技术将合金粉末烧结在柱塞本体表面，形成0.3～0.4mm的中间层，硬度为hrc50～55；所述合金粉末为碳化铬合金粉末。
57.(5)将非晶合金粉末按比例进行配比，通过激光熔覆技术将非晶合金粉末烧结在中间层表面，将柱塞进行精加工磨削后，形成0.5～0.6mm的强化层，硬度为hrc60～70，进而得到符合设计尺寸的柱塞。
58.本发明还提供一种泵，其含有前述的柱塞。
59.本发明还提供上述柱塞在泵中的应用。
60.实施例1
61.本实施例提供一种柱塞，所述柱塞包括柱塞本体、1层中间层以及1层强化层，其制备方法包括如下步骤：
62.(1)柱塞本体为40cr，硬度为hrc35，按柱塞设计尺寸进行初加工，在柱塞往复运行区域单边留出0.8毫米涂层余量；
63.(2)将柱塞本体表面进行喷砂毛化处理，砂粒粒径为2毫米；
64.(3)将柱塞基体加热至200摄氏度；
65.(4)将纯度超过99.9％的碳化铬合金粉末在1100摄氏度下进行热烧结，形成在柱塞本体往复运行区域表面，烧结厚度0.3毫米，硬度为hrc50，烧结后的样件示意图见图2。
66.(5)将非晶合金粉末按设定元素配比充分混合，加入送粉器中，利用激光熔覆技术在上述碳化铬涂层表面形成非晶合金涂层，硬度为hrc68。
67.其中，所述非晶合金涂层包括如下质量份的元素：
68.fesibnimncumocrwpbi54.720.312.001.330.130.2922.9714.50.0020.0250.18
69.所述激光熔覆技术的条件参数为：激光功率1400瓦，激光扫描速度8毫米/秒，送粉量1.8克/分钟，光斑直径2毫米；涂层厚度为0.6毫米；
70.(6)使用磨床对喷涂后的柱塞进行磨削处理，磨削减量0.1毫米，磨削后柱塞各项参数达到柱塞设计要求；处理完成后用酒精擦拭柱塞表面，经最终检验，各项技术指标达到设计要求后加工过程结束，样件示意图见图3。
71.经过样件试制10件，已完成工业试验，结果表明，此实施例方法制得的柱塞在压裂作业高压区的平均工作寿命为600小时。
72.实施例2
73.本实施例提供一种柱塞，所述柱塞包括柱塞本体、1层中间层以及1层强化层，其制备方法包括如下步骤：
74.(1)柱塞本体为40cr，硬度为hrc35，按柱塞设计尺寸进行初加工，在柱塞往复运行区域单边留出0.8毫米涂层余量；
75.(2)将柱塞本体表面进行喷砂毛化处理，砂粒粒径为2毫米；
76.(3)将纯度超过99.9％的碳化铬合金粉末在1300摄氏度下进行烧结，形成在柱塞本体往复运行区域表面，烧结厚度0.3毫米，硬度为hrc50。
77.(4)将非晶合金粉末按设定元素配比充分混合，加入送粉器中，利用大气超音速火焰喷涂技术在上述碳化铬涂层表面形成非晶合金涂层，硬度为hrc68。
78.其中，所述非晶合金涂层包括如下质量份的元素：
79.fesibnimncumocrwpbi54.730.31.941.220.130.3121.7515.030.0020.0270.18
80.所述大气超音速火焰喷涂技术的条件参数为：空气压力为90磅/平方英寸，燃气压力为100磅/平方英寸，氮气流量为20标准公升/分钟，氢气流量为25标准公升/分钟，喷涂距离为200毫米；强化层涂层厚度0.6毫米。
81.(5)使用磨床对喷涂后的柱塞进行磨削处理，磨削减量0.1毫米，磨削后柱塞各项参数达到柱塞设计要求；处理完成后用酒精擦拭柱塞表面，经最终检验，各项技术指标达到设计要求后加工过程结束。
82.经过样件试制10件，已完成工业试验，结果表明，此实施例方法制得的柱塞在压裂作业高压区的平均工作寿命为580小时。
83.实施例3
84.本实施例提供一种柱塞，所述柱塞包括柱塞本体、2层中间层以及1层强化层，其制备方法包括如下步骤：
85.(1)柱塞本体为40cr，硬度为hrc30，按柱塞设计尺寸进行初加工，在柱塞往复运行区域单边留出0.8毫米涂层余量；
86.(2)将柱塞本体表面进行喷砂毛化处理，砂粒粒径为2毫米；
87.(3)将碳化铬在1300摄氏度下烧结在柱塞本体往复运行区域表面，形成厚度为0.15毫米的第一中间层，硬度为hrc40。
88.(4)将ni60合金在1300摄氏度下烧结在第一中间层表面，形成厚度为0.15毫米的第二中间层，硬度为hrc50。
89.(5)将非晶合金粉末按设定元素配比充分混合，加入送粉器中，利用大气超音速火焰喷涂技术上述碳化铬涂层表面形成非晶合金涂层，硬度为hrc68。
90.其中，所述非晶合金涂层包括如下质量份的元素：
91.fesibnimncumocrwpbi52.110.312.101.570.130.2424.8914.580.0020.0180.19
92.所述大气超音速火焰喷涂技术的条件参数为：空气压力为90磅/平方英寸，燃气压力为100磅/平方英寸，氮气流量为20标准公升/分钟，氢气流量为25标准公升/分钟，喷涂距离为200毫米；涂层厚度为0.6毫米；
93.(6)使用磨床对喷涂后的柱塞进行磨削处理，磨削减量0.1毫米，磨削后柱塞各项参数达到柱塞设计要求；处理完成后用酒精擦拭柱塞表面，经最终检验，各项技术指标达到设计要求后加工过程结束。
94.经过样件试制10件，已完成工业试验，结果表明，此实施例方法制得的柱塞在压裂作业高压区的平均工作寿命为650小时。
95.对比例1
96.本实施例提供一种柱塞，其与实施例1的方法相同，区别仅在于：所述中间层采用碳化铬涂层，涂层厚度为0.5mm，硬度为hrc50；强化层采用非晶合金层，涂层厚度为0.3mm，硬度为hrc68。
97.经过样件试制10件，已完成工业试验，结果表明，此实施例方法制得的柱塞在压裂作业高压区的工作寿命为435小时。
98.对比例2
99.本对比例提供一种柱塞，其与实施例1的方法相同，区别仅在于：在使用所述激光熔覆技术前未将柱塞基体加热。经过样件试制10件，已完成工业试验，结果表明，此实施例方法制得的柱塞在压裂作业高压区的工作寿命为500小时。
100.实验结果表明，本发明所述制备方法制得的柱塞，在压裂作业高压区的工作寿命均超过550小时，且使用过程中未出现柱塞基体塌陷或变形的情况，较对比例1的寿命提升26％以上，较对比例2的寿命提升10％以上。
101.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种柱塞，其特征在于，包括柱塞本体和两层以上的涂层，且所述涂层的硬度沿柱塞本体向涂层侧逐渐增加；所述柱塞本体与接触设置的涂层之间以及两层接触设置的涂层之间的硬度差均为hrc15～20；其中，所述涂层包括中间层和强化层，所述中间层设置在所述柱塞本体与所述强化层之间，所述强化层的厚度≥中间层。2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述中间层的材料为碳化铬、碳化钨、ni基合金和co基合金的一种或几种，所述强化层的材料为非晶合金。3.根据权利要求1或2所述的柱塞，其特征在于，所述中间层的硬度为hrc50～55，所述强化层的硬度为hrc60～70。4.根据权利要求1～3任一项所述的柱塞，其特征在于，所述中间层的层数为1～2层，所述中间层的总厚度为0.3～0.4毫米；所述强化层的层数为1～2层，所述强化层的总厚度为0.5～0.6毫米。5.根据权利要求2～4任一项所述的柱塞，其特征在于，所述非晶合金包括如下质量份的元素：50～60份fe，0.3～3份si，1～3份b，0.5～3份ni，0.05～0.5份mn，0.05～0.5份cu，14.5～25.5份mo，14.5～25.5份cr，0.001～0.003份w，0.015～0.03份p，0.15～0.2份bi。6.根据权利要求1～5任一项所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞本体的材质为中碳钢，硬度为hrc30～40。7.权利要求1～6任一项所述的柱塞的制备方法，其特征在于，包括：在所述柱塞本体表面依次制备硬度递增的涂层，涂层的制备方法包括超音速火焰喷涂技术或激光熔覆技术。8.根据权利要求7所述的柱塞的制备方法，其特征在于，当通过所述超音速火焰喷涂技术制备强化层时，条件参数为：煤油流量为22～25升/小时，氧气流量为800～1000升/分钟，送粉速率30～50克/分钟，喷涂距离为300～400毫米，喷涂间隔3～4毫米；当通过所述激光熔覆技术制备强化层时，条件参数为：激光功率1300～1500瓦，激光扫描速度8～12毫米/秒，送粉量1.8～2.9克/分钟，光斑直径1.8～3.0毫米。9.根据权利要求7或8所述的柱塞的制备方法，其特征在于，在使用所述激光熔覆技术前，先将柱塞基体加热至150～250摄氏度。10.一种泵，其特征在于，所述泵中含有权利要求1～6任一项所述的柱塞。

技术总结

本发明涉及石油机械设备制造领域，尤其涉及一种长寿命柱塞及其制备方法。具体地，包括柱塞本体和两层以上的涂层，且所述涂层的硬度沿柱塞本体向涂层侧逐渐增加，在所述柱塞本体与接触设置的涂层之间以及两层接触设置的涂层之间的硬度差均为HRC15～20。其中，所述涂层包括中间层和强化层，所述中间层设置在所述柱塞本体与所述强化层之间，所述强化层的厚度≥中间层。本发明提供的一种长寿命柱塞及其制备方法，通过将具有硬度梯度的多层涂层运用于柱塞，既能保持表面非凡的耐磨性，又能预制表面硬度梯度，对柱塞机体起到良好的保护，从而大幅提高柱塞的寿命和连续作业能力。幅提高柱塞的寿命和连续作业能力。幅提高柱塞的寿命和连续作业能力。