一種螺桿鉆具轉子表面強化復合層及其加工工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于石油地質鉆探螺桿工具的材料技術領域，特別涉及一種螺桿鉆具轉子表面強化工藝。
【背景技術】
[0002]螺桿鉆具是以泥漿為動力的一種井下工具，其由傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成。螺桿鉆具的性能主要取決于馬達總成。馬達總成由定子和轉子組成，定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成，其橡膠內孔是具有一定幾何參數的螺旋，轉子是一根有硬層的螺桿。轉子與定子相互嚙合，用兩者的導程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉換。
[0003]馬達總成是衡量螺桿鉆具制造水平的核心部件，而馬達總成中轉子部件的表面強化是其關鍵點之一，轉子表面要求硬度高、耐磨粒磨損、耐沖蝕、耐泥漿腐蝕。目前國內外所生產的轉子的表面大都采用傳統電鍍硬鉻強化工藝，在轉子表面電鍍一層硬鉻層，硬鉻層具有硬度高、耐磨、耐蝕、成本低的優點，但其在具有腐蝕性的鹽水飽和泥漿介質、含硫化氫井段中長時間使用，鍍層極易出現大面積點蝕，甚至脫鉻現象，嚴重時導致整個馬達總成報廢，直接影響螺桿鉆具的使用壽命。其原因在于普通硬鉻層硬度高、硬鉻層內部微觀存在很多微裂紋，不可避免地會產生穿透性裂紋，導致腐蝕介質(如氯離子、硫離子)通過微裂紋從表面滲透至界面而腐蝕轉子基體(通常為鋼材料)，使得硬鉻層表面出現銹斑、點蝕甚至剝落現象。
[0004]美國專利US 5395221公開了一種表面涂覆強化碳化物或硼化物涂層的螺桿轉子，采用該技術處理的轉子能夠耐鹽水等腐蝕性介質的鉆井環境，同時具有更好的耐磨性，但缺點是成本高昂。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種螺桿鉆具轉子表面強化復合層及其加工工藝，其成本低廉、操作簡單，而且采用該工藝處理后的螺桿鉆具轉子具有良好的耐腐蝕性和耐磨性，適用于鹽水飽和泥漿介質的鉆井環境。
[0006]本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為:
[0007]提供一種螺桿鉆具轉子表面強化復合層，所述強化復合層從轉子表面往外依次分為底層、硬鉻層，所述底層為乳白鉻層或由半光亮鎳層和光亮鎳層組成的雙鎳層。
[0008]按上述方案，所述乳白鉻層厚度為0.001-0.30mm ;所述半光亮鎳層厚度為
0.02-0.05mm，光亮鎳層厚度為0.005-0.03mm，并且半光亮鎳層和光亮鎳層組成的雙鎳層厚度為0.03-0.08mm ;所述硬鉻層厚度為0.01-0.50mm。
[0009]優選的是，所述硬鉻層厚度為0.01-0.3mm。
[0010]優選的是，所述強化復合層厚度為0.15-0.35mm。
[0011]本發明還提供上述螺桿鉆具轉子表面強化工藝:先在轉子表面電鍍底層，底層為乳白鉻層或由半光亮鎳層和光亮鎳層組成的雙鎳層，再電鍍硬鉻層，底層與硬鉻層形成復合鍍層增強轉子表面強度。
[0012]為了獲得強度和耐腐蝕性良好的螺桿鉆具轉子，本發明對所述復合鍍層各層的厚度進行了優選。
[0013]按上述方案，所述雙鎳層制備工藝為先鍍半光亮鎳層，再鍍光亮鎳層，所述半光亮鎳層厚度為0.02-0.05mm,光亮鎳層厚度為0.005-0.03mm,并且半光亮鎳層和光亮鎳層組成的雙鎳層厚度為0.03-0.08mm。
[0014]按上述方案，所述電鍍半光亮鎳層的工藝條件為:電鍍槽液成分為:硫酸鎳280-320g/L、氯化鎳38-47g/L、硼酸45_50g/L、潤濕劑l_3ml/L、光亮劑適量，工藝參數為:溫度 52±2°C、陰極電流密度 2.5-4.5A/dm2、pH3.6-4.5 ；
[0015]電鍍光亮鎳層的工藝條件為:電鍍槽液成分為:硫酸鎳200_240g/L、氯化鎳75-150g/L、潤濕劑l_3mL/L、光亮劑5_40mL/L，工藝參數為:溫度52±2°C、陰極電流密度3-5A/dm2、pH3.5-4.4。
[0016]優選的是，所述潤濕劑為十二烷基硫酸鈉或2-乙基己基硫酸鈉。
[0017]優選的是，所述光亮劑為丙炔醇、丁炔二醇、丙氧基丁炔二醇中的一種。
[0018]按上述方案，所述乳白鉻層厚度為0.001-0.30mm ；
[0019]電鍍乳白鉻層工藝條件為:電鍍槽液成分為:鉻酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三價鉻(Cr3+) 2-8g/L，工藝參數為:溫度65-75°C、陰極電流密度15_35A/dm2;或
[0020]電鍍槽液成分為:鉻酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三價鉻2_8g/L、硬鉻添加劑20mL/L，工藝參數為:溫度80-85°C、陰極電流密度15_35A/dm2。
[0021]按上述方案，所述硬鉻層厚度為0.01-0.50mm，電鍍硬鉻層的工藝條件為:電鍍槽液成分為:鉻酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三價鉻2_8g/L，工藝參數為:溫度50_55°C、陰極電流密度30-45A/dm2;或
[0022]電鍍槽液成分為:鉻酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三價鉻3_8g/L、硬鉻添加劑20mL/L，工藝參數:溫度60-65°C、陰極電流密度35_40A/dm2。
[0023]優選的是，總的電鍍時間為7-10小時。
[0024]本發明還提供采用上述的螺桿鉆具轉子表面強化工藝處理其表面得到的螺桿鉆具轉子。
[0025]以及由上述的螺桿鉆具轉子組成的螺桿鉆具。
[0026]本發明在轉子最外層電鍍硬鉻層，它有以下特點:
[0027]①耐磨性好，鍍硬鉻層隨工藝不同，可獲得400?1200HV的硬度，滑動摩擦系數約為鋼與鑄鐵的50%，并有抗粘附性；
[0028]②耐腐蝕性較好，鍍鉻層在輕微的氧化作用下即表面鈍化，形成很薄且透明的鈍化膜，在常溫下長期不變色，對鍍鉻層起保護作用；
[0029]③鍍硬鉻層強度隨厚度增加而降低，鍍硬鉻層與基體結合強度高于自身晶體間結合強度，因而能夠有效抗剝落。
[0030]本發明的有益效果是:本發明底層與硬鉻層形成雙鎳-硬鉻復合鍍層或者乳白-硬鉻復合鍍層，乳白鉻層結晶細致、孔隙率低、耐腐蝕性強，雙鎳層耐腐蝕性強，硬鉻層本身具有硬度高、耐磨性強的特點，因此底層與硬鉻層形成的雙鎳-硬鉻復合鍍層或者乳白-硬鉻復合鍍層克服了單一硬鉻層空隙多、防腐蝕性差的缺點，既耐腐蝕又耐磨損，大大提高了螺桿鉆具轉子的綜合性能，因此顯著提高了螺桿鉆具的使用壽命，有效地解決了現有技術中螺桿鉆具轉子耐腐蝕性差，不適用于鹽水飽和泥漿介質的鉆井環境或成本高昂的問題，獲得多方面性能優異的螺桿鉆具轉子。采用本發明工藝制備的螺桿鉆具轉子耐腐蝕性和耐磨性良好、硬度高、使用壽命長(在鹽水環境下，使用傳統硬鉻層轉子螺桿壽命為150-200小時，而采用本發明工藝制備的復合鍍層轉子螺桿壽命達250-300小時)。
【附圖說明】
[0031]圖1為現有技術中采用傳統電鍍方法鍍硬鉻層的表面金相圖片；
[0032]圖2為本發明實施例1所得強化復合層的表面金相圖片。
【具體實施方式】
[0033]為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0034]實施例1電鍍強化復合層(乳白鉻層-硬鉻層)
[0035]電鍍乳白鉻層和硬鉻層的電鍍槽液的化學成分為:鉻酐230_280g/L、硫酸
2.3-2.8g/L、三價鉻3-8g/L。先在螺桿鉆具轉子表面電鍍乳白鉻層，電鍍乳白鉻層的工藝參數為:溫度70-75°C、陰極電流密度15-25A/dm2，鍍層厚度0.02-0.06mm。再在螺桿鉆具轉子表面電鍍硬鉻層，