鉆頭及渦輪鉆具軸承組件MoS2滑化處理研究

軸承組件是牙輪鉆頭、渦輪鉆具最關(guān)鍵和最薄弱的環(huán)節(jié)，其主要的失效形式是膠合，亦即嚴(yán)重的粘著磨損。膠合的特征是軸承滑動(dòng)面沿摩擦方向形成撕痕、刮擦、涂抹和粘焊。粘著磨損一開(kāi)始可能是輕微的和局部的，如果引起膠合的因素未解除并繼續(xù)惡化，則膠合將迅速擴(kuò)展。

　　膠合開(kāi)始發(fā)生在軸承組件摩擦面潤(rùn)滑油膜遭到破壞而形成金屬直接接觸的部位，摩擦面粘著區(qū)沿摩擦方向受到剪切而撕傷、咬焊甚至卡死，造成井下渦輪鉆具或牙輪鉆頭徹底失效。膠合的條件首先是油膜破裂，然后才是兩金屬面的接觸粘焊。
　　在苛刻嚴(yán)酷的工況條件下，受尺寸和結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制，牙輪鉆頭、渦輪鉆具的軸承組件無(wú)法得到充分潤(rùn)滑，這是膠合初始發(fā)生和擴(kuò)展的主要原因之一?，F(xiàn)文擬對(duì)牙輪鉆頭、渦輪鉆具軸承組件表面進(jìn)行MoS2滑化處理，在軸承表面形成優(yōu)異而特殊的滑化薄膜，在高速重載下發(fā)揮其優(yōu)異的減摩及抑制膠合的功效。
　　1 滑化處理前試件的準(zhǔn)備
　　試件采用牙輪鉆頭和渦輪鉆具軸承組件常用的優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼。
用優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼制造的試件參照GB12444.1-90《金屬摩擦磨損試驗(yàn)方法MM型試驗(yàn)機(jī)試樣規(guī)范》。上、下試樣滑化處理前進(jìn)行滲碳滲硼處理，這是為了考察MoS2滑化處理對(duì)其他處理的影響，并使試件得到初始強(qiáng)化。上、下試件預(yù)備處理規(guī)程如下。
a)滲碳RJJ-75型井式爐，930℃，12h滲碳，入石棉箱自然冷卻。滲碳層深1.5～2.0 mm，表層碳濃度0.90%～1.05%，表面硬度HRC59～62。
b)回火180～190℃，保溫4h。
c)滲硼氣氛爐內(nèi)910℃，6h固體滲硼，滲硼層深0.08～0.10mm，滲硼組織為單相Fe2B。
d)淬火保護(hù)氣氛爐中加熱至820 ～830℃，保溫2h，淬入90℃油中。
e)回火180℃，3h回火。
f)清理性噴砂。
　　2 MoS2滑化處理的依據(jù)
　　滑化處理是在軸承組件試件表面形成結(jié)合牢固，摩擦學(xué)性能優(yōu)異的MoS2滑化膜，發(fā)揮減摩和抑制膠合發(fā)生的功效。MoS2滑化處理有其試驗(yàn)基礎(chǔ)，也有其理論依據(jù)。
　　首先，對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承及渦輪鉆具止推軸承粘著磨損的研究表明，摩擦因數(shù)f、粘著摩擦總力F、載荷、速度、摩擦熱溫升與膠合是邏輯相關(guān)的；粘著摩擦力主要由摩擦表面凸峰變形阻力、磨損顆粒及硬質(zhì)點(diǎn)壓碾犁削力、凸峰粘焊親合力及滑動(dòng)表面的粘著剪切力組成［1］。

F=Aτ，(1)

式中，A為實(shí)際接觸面積；F為粘著摩擦總力；τ為粘著點(diǎn)的總剪應(yīng)力。

粘著凸峰的形變?yōu)樗苄宰冃?，于是有?

A=F′/σm，（2）

式中，F(xiàn)′為載荷；σm為材料的塑性流變應(yīng)力。

而摩擦因數(shù)f=F/F′。結(jié)合式(1)和式(2)有f=τ/σm?？梢?jiàn)，材料的抗剪切強(qiáng)度愈低，抗壓強(qiáng)度愈高，則摩擦因數(shù)愈小。這也是近年牙輪鉆頭軸承材料由軟向硬過(guò)渡的依據(jù)，如硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用［2］，鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的應(yīng)用［5］，H13鋼的應(yīng)用［3］。
　　MoS2的抗壓強(qiáng)度與合金鋼接近，而抗剪強(qiáng)度卻低得多，所以MoS2滑化膜的摩擦因數(shù)極小。
　　MoS2的減摩與其內(nèi)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切。MoS2晶體結(jié)構(gòu)和石墨一樣。屬六方晶系鱗片狀晶體，如圖1所示，為層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)MoS2分子層又分為3個(gè)原子層，中間是Mo原子層，上下是S原子層，每個(gè)Mo原子被6個(gè)S原子包圍，只有S原子暴露在分子層的表面，每個(gè)分子層的厚度為6.26。
　　由于Mo原子與S原子結(jié)合力強(qiáng)，而S原子之間相互結(jié)合力弱。故MoS2分子層之間產(chǎn)生一個(gè)剪切力平面，當(dāng)分子之間受到切應(yīng)力時(shí)，沿分子層很容易產(chǎn)生斷裂，形成滑移面，如圖2所示。每微米的MoS2滑化膜存在1 660個(gè)分子層。這些眾多的滑移面使得金屬表面的直接摩擦運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為MoS2分子層之間的相對(duì)滑動(dòng)，層序減緩了摩擦剪切力，降低了摩擦因數(shù)，抑制了膠合，減輕了磨損。其功能類似于動(dòng)物關(guān)節(jié)接合處的骨頭膜的軟組織，故稱做MoS2滑化處理。
　　研究表明，MoS2和軸承試件之間不是化學(xué)結(jié)合，而是機(jī)械錨固締合。在分子層相對(duì)滑移和摩擦過(guò)程中，MoS2能自動(dòng)被離析而擠入對(duì)磨表面的凹坑。又因S原子與金屬有較強(qiáng)的親合力，故可使MoS2與金屬表面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用。在潤(rùn)滑條件下，摩擦因數(shù)會(huì)更低。
　　MoS2潤(rùn)滑膜可耐pmax為35 MPa的極限壓力和vmax為40 m/s的極限速度［4］，表現(xiàn)出極高的pv值和較好的高速重載性。
　　MoS2在室溫至350 ℃區(qū)間，物理、化學(xué)及摩擦學(xué)特征很穩(wěn)定，400 ℃時(shí)開(kāi)始氧化，溫度更高時(shí)性能才開(kāi)始惡化。而牙輪鉆頭、渦輪鉆具軸承工作溫度遠(yuǎn)低于350 ℃，故處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。
　　3 MoS2滑化處理
　　MoS2滑化處理的工藝流程為去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸漬。目前較成熟的滑化處理工藝有噴涂法、水煮法和刷涂法3種。
　　3.1噴涂法
　　80g的MoS2粉末，7g石墨粉末，50g水玻璃和60mL水配成滑化液，用噴槍噴至經(jīng)噴砂及清洗的試件表面，噴厚0.3mm。入箱烘干2h，然后升溫至140℃烘烤2h。出爐后再清洗并浸入CS2液中。得到藍(lán)色光澤的MoS2滑化膜，即完成噴涂滑化處理。
　　3.2水煮法
　　取100g的MoS2粉末，紗布包裹，置于瓷制煮皿，加水400mL，將試件浸入其中。加熱至95～100℃，1h，清洗后浸入CS2液中，并在熱氣氛中干燥，即完成水煮法滑化處理。
　　3.3刷涂法
　　將MoS2粉末用丙酮調(diào)成糊狀，用毛刷涂在試件表面，刷厚1.5 mm，晾干刷去疏松層，入箱115 ℃，1h烘干，清洗后入CS2液中，即完成刷涂滑化處理。
　　4 滑化膜性能測(cè)試
　　4.1滑化膜厚度測(cè)定及分析
　　試件經(jīng)不同滑化處理方法處理后，用磁阻法測(cè)定滑化膜厚度，
由表2可知，刷涂滑化處理可得到較厚的MoS2滑化膜，對(duì)試件W18Cr4V滑化膜測(cè)試及分析表明，試件成膜的厚度和材料中W、Cr、Ni、V等合金元素的含量有關(guān)。這是因?yàn)檫@些合金元素的電負(fù)性均小于鐵，與硫原子之間有更強(qiáng)的親合力。
　　4.2硬度測(cè)試及分析
　　用維氏顯微硬度儀測(cè)試經(jīng)MoS2滑化處理后試件的表面硬度，測(cè)定結(jié)果與滑化處理前的硬度值無(wú)差異。這是因?yàn)?～4 μm厚的滑化膜不至于影響試件預(yù)處理所獲得的硬度值?；幚韺?duì)其他處理方法無(wú)排它性。然而，正是那極薄的MoS2滑化膜，乃是一層性能優(yōu)良的固體潤(rùn)滑膜，具有優(yōu)異的減摩抗粘功能。
　　4.3MM-200型磨損機(jī)試驗(yàn)結(jié)果
　　以不同材料，經(jīng)不同工藝處理的上、下試件裝于MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，20號(hào)機(jī)油點(diǎn)滴潤(rùn)滑。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。可見(jiàn)，經(jīng)MoS2滑化處理的試件表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。經(jīng)MoS2滑化處理的試件，在Falex試驗(yàn)機(jī)和Amsler試驗(yàn)機(jī)上同樣表現(xiàn)出優(yōu)良的減摩性和抗膠合性。
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　對(duì)于優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼滑動(dòng)軸承或止推軸承，經(jīng)滲碳、滲硼或其他硬化強(qiáng)化處理后，通過(guò)MoS2滑化處理，在其表面形成厚約1～4 μm的MoS2滑化薄膜，由于其特異的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。它的摩擦因數(shù)極小，耐高壓、耐高速及具有較高的極限pv值，而且對(duì)原處理無(wú)任何影響。類似于骨關(guān)節(jié)接頭硬骨端部的軟質(zhì)薄層，是一種極好的固體潤(rùn)滑膜。與基體材料有較強(qiáng)的吸附成膜能力，而且層間有較低的剪切強(qiáng)度，使摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)部。其優(yōu)異的減摩抗粘著性能，必然能有效地保障牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承及渦輪鉆具止推軸承的潤(rùn)滑性、可靠性和使用壽命，相應(yīng)提高了鉆具的耐用度和使用壽命。這點(diǎn)對(duì)于機(jī)械鉆速和鉆井時(shí)效的提高均具有積極的意義。