低碳球铁复合缸套关键技术研究

许 可 刘敬平

（1.焦作锦标机械制造有限公司 河南焦作 2.焦作大学机电工程学院 河南焦作）

一、引言

泥浆泵中缸套和活塞是一对摩擦副，是泥浆泵的核心配件，具有储存泥浆，承受压力和完成吸、排泥浆的功能。因与泥浆接触，缸套的工作条件十分恶劣，始终处于高压摩擦状态，内表面不仅受到摩擦磨损、磨粒磨损，而且还受泥浆强烈腐蚀，工作过程中出现摩擦磨损、表面划痕、表面层剥落和塑性塌陷等损坏形式，因此．研究开发适应泥浆泵工况的缸套材料及相关产品是非常有价值的工作。

二、缸套材料的选择和工艺安排

缸套失效的主要原因是由于钻井液中含有硬度超过缸套的硬质砂粒和活塞的偏磨，缸套以磨损失效为主、腐蚀失效为辅。从长期的研究和现场使用情况来看，缸套的硬度、耐磨性和耐腐蚀性是决定其使用寿命的两个关键因素，因此合理选择材料，正确安排工艺，对延长缸套使用寿命有着重要意义。

目前泥浆泵缸套广泛采用的是双层复合缸套，缸套外套采用优质碳素钢制造，内套采用耐磨铸铁材料离心浇注而成，具有高硬度，表面加工精细、抗腐蚀、耐高压等优点。目前常用的耐磨铸铁主要有离子注入高铬铸铁、球墨铸铁、硼白口耐磨铸铁等。研究选用的缸套内套为低碳球铁，低碳球铁是指含碳量在1.2%～2.0%的球铁，低碳球铁生产中可使用大量废钢代替低硫磷优质生铁，并在生产中省去了传统的球化处理及热处理工序，具有成本低、工艺简单的优点，在铸态条件下可获得较好的耐磨性、耐腐蚀性和良好的综合性能。

缸套的生产工艺：浇铸复合套→保温退火→毛坯→粗加工→调质→半成品加工→内表面强化处理→精加工→珩磨→抛光→成品。

针对缸套的失效形式，采用表面化学热处理、表面化学镀、激光表面二次强化、激光熔覆强韧性兼备的耐磨涂层等多种工艺措施来提高缸套的硬度和耐磨性。本文所述缸套内表面采用激光表面强化处理的方法。另外，在原有工艺的基础上增加了抛光工序，可以提高缸套内表面的表面质量，工作中减小与活塞的摩擦力，从而减小缸套的摩擦磨损。

三、缸套激光表面强化

缸套内套低碳球铁组织主要为正火态的珠光体母体，其成分如表1所示。由于加工出的缸套在大气范围长时间暴露，涂层制备前应对缸套表面进行除油除锈处理。除油除锈处理后在缸套的内表面上涂覆事先配好的铬铁活性炭纤维素液，使涂层厚度要均匀，保持在0.3 mm 左右。

表1 珠光体低碳球铁成分

采用DL-HL-T50O0型SKW横流CO2激光器，功率5 kW，光斑直径2 mm，扫描速度2 m/min，扫描花样为直条形，在母体上形成宽2.5 mm，最大深度1 mm的硬化层。

低碳球铁在激光照射下组织发生变化，分为熔化区、过渡区和热影响区。涂覆铬铁活性炭纤维素液经过激光表面处理后的熔化区组织如图1所示，图2为过渡区及热影响区组织。照片是用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，扫描电镜上的影像。

图1 涂层中炭铬铁熔化区组织（4500×）

图2 过渡区及热影响区组织（1600×）

由图1可知，熔化区激光处理后的组织变得非常细小，熔化区组织为细小再结晶枝状物和胞状物组织，组织较为均匀致密，有微细枝晶和胞晶，枝晶间有很多块状物。该区域的组织主要是固熔组织，该区域的存在保证了熔覆层与母体良好的冶金结合。

由图2可知，过渡区和热影响区珠光体母体低碳球铁激光表面处理热影响区组织中有大量的板条状组织和块状组织，还有石墨球。由于加热速度和冷却速度极快，致使所获得的各种组成相都极为细小，细小的组织、高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错，使得激光相变硬化组织具有比常规淬火更为优异的性能。

涂覆Cr-Fe合金元素的试样经激光处理后表面硬度自熔化区中心向两侧的值如图3所示，图中横坐标的0代表熔化区中心，其他数字代表距熔化区中心的距离，单位为mm。纵坐标代表该点的维氏硬度值，自熔化区中心向一侧每隔0.25 mm打一点来测定硬度。

由3可以看出，激光表面处理后的表面层（熔化层）的硬度分布还是比较均匀的，整体硬度比母体的硬度有了很大的提高，从300 HV左右提高到850 HV左右，在熔化层和过渡层之间有一个最大硬度1200 HV出现，比没有经过激光处理的母体硬度高约4倍。

图3 涂覆铬铁的试样经激光处理后表面硬度分布

四、缸套内表面抛光

提高泥浆泵缸套内表面质量，可以减小缸套摩擦磨损，延长缸套的使用寿命，同时可以减小活塞划伤和磨损，提高活塞的使用寿命。

抛光机是由普通车床进行改造而成，其结构见图4。由电机、传动部分、抛光杆及抛光轮3部分组成，使用时将其安装在车床刀架托盘上，具有体积小，结构简单，拆装迅速的特点。

图4 抛光机结构示意图

通过反复试验，确定了抛光时车床的最佳转速105～115 r/min。抛光剂选用氧化铬绿，抛光后使缸套内套表面达到了镜面效果，产品的光亮度、清洁度都令人满意。

五、结论

低碳球铁复合缸套内套选用低碳球铁，成本低，经激光表面强化处理和抛光处理后，具有很好的硬度和耐磨性，有效地提高了钢套的使用寿命，实际使用中寿命可达800 h以上。