低碳球鐵復合缸套關鍵技術研究

許 可 劉敬平

（1.焦作錦標機械制造有限公司 河南焦作 2.焦作大學機電工程學院 河南焦作）

一、引言

泥漿泵中缸套和活塞是一對摩擦副，是泥漿泵的核心配件，具有儲存泥漿，承受壓力和完成吸、排泥漿的功能。因與泥漿接觸，缸套的工作條件十分惡劣，始終處于高壓摩擦狀態，內表面不僅受到摩擦磨損、磨粒磨損，而且還受泥漿強烈腐蝕，工作過程中出現摩擦磨損、表面劃痕、表面層剝落和塑性塌陷等損壞形式，因此．研究開發適應泥漿泵工況的缸套材料及相關產品是非常有價值的工作。

二、缸套材料的選擇和工藝安排

缸套失效的主要原因是由于鉆井液中含有硬度超過缸套的硬質砂粒和活塞的偏磨，缸套以磨損失效為主、腐蝕失效為輔。從長期的研究和現場使用情況來看，缸套的硬度、耐磨性和耐腐蝕性是決定其使用壽命的兩個關鍵因素，因此合理選擇材料，正確安排工藝，對延長缸套使用壽命有著重要意義。

目前泥漿泵缸套廣泛采用的是雙層復合缸套，缸套外套采用優質碳素鋼制造，內套采用耐磨鑄鐵材料離心澆注而成，具有高硬度，表面加工精細、抗腐蝕、耐高壓等優點。目前常用的耐磨鑄鐵主要有離子注入高鉻鑄鐵、球墨鑄鐵、硼白口耐磨鑄鐵等。研究選用的缸套內套為低碳球鐵，低碳球鐵是指含碳量在1.2%～2.0%的球鐵，低碳球鐵生產中可使用大量廢鋼代替低硫磷優質生鐵，并在生產中省去了傳統的球化處理及熱處理工序，具有成本低、工藝簡單的優點，在鑄態條件下可獲得較好的耐磨性、耐腐蝕性和良好的綜合性能。

缸套的生產工藝：澆鑄復合套→保溫退火→毛坯→粗加工→調質→半成品加工→內表面強化處理→精加工→珩磨→拋光→成品。

針對缸套的失效形式，采用表面化學熱處理、表面化學鍍、激光表面二次強化、激光熔覆強韌性兼備的耐磨涂層等多種工藝措施來提高缸套的硬度和耐磨性。本文所述缸套內表面采用激光表面強化處理的方法。另外，在原有工藝的基礎上增加了拋光工序，可以提高缸套內表面的表面質量，工作中減小與活塞的摩擦力，從而減小缸套的摩擦磨損。

三、缸套激光表面強化

缸套內套低碳球鐵組織主要為正火態的珠光體母體，其成分如表1所示。由于加工出的缸套在大氣范圍長時間暴露，涂層制備前應對缸套表面進行除油除銹處理。除油除銹處理后在缸套的內表面上涂覆事先配好的鉻鐵活性炭纖維素液，使涂層厚度要均勻，保持在0.3 mm 左右。

表1 珠光體低碳球鐵成分

采用DL-HL-T50O0型SKW橫流CO2激光器，功率5 kW，光斑直徑2 mm，掃描速度2 m/min，掃描花樣為直條形，在母體上形成寬2.5 mm，最大深度1 mm的硬化層。

低碳球鐵在激光照射下組織發生變化，分為熔化區、過渡區和熱影響區。涂覆鉻鐵活性炭纖維素液經過激光表面處理后的熔化區組織如圖1所示，圖2為過渡區及熱影響區組織。照片是用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，掃描電鏡上的影像。

圖1 涂層中炭鉻鐵熔化區組織（4500×）

圖2 過渡區及熱影響區組織（1600×）

由圖1可知，熔化區激光處理后的組織變得非常細小，熔化區組織為細小再結晶枝狀物和胞狀物組織，組織較為均勻致密，有微細枝晶和胞晶，枝晶間有很多塊狀物。該區域的組織主要是固熔組織，該區域的存在保證了熔覆層與母體良好的冶金結合。

由圖2可知，過渡區和熱影響區珠光體母體低碳球鐵激光表面處理熱影響區組織中有大量的板條狀組織和塊狀組織，還有石墨球。由于加熱速度和冷卻速度極快，致使所獲得的各種組成相都極為細小，細小的組織、高度彌散分布的碳化物和大量存在的位錯，使得激光相變硬化組織具有比常規淬火更為優異的性能。

涂覆Cr-Fe合金元素的試樣經激光處理后表面硬度自熔化區中心向兩側的值如圖3所示，圖中橫坐標的0代表熔化區中心，其他數字代表距熔化區中心的距離，單位為mm。縱坐標代表該點的維氏硬度值，自熔化區中心向一側每隔0.25 mm打一點來測定硬度。

由3可以看出，激光表面處理后的表面層（熔化層）的硬度分布還是比較均勻的，整體硬度比母體的硬度有了很大的提高，從300 HV左右提高到850 HV左右，在熔化層和過渡層之間有一個最大硬度1200 HV出現，比沒有經過激光處理的母體硬度高約4倍。

圖3 涂覆鉻鐵的試樣經激光處理后表面硬度分布

四、缸套內表面拋光

提高泥漿泵缸套內表面質量，可以減小缸套摩擦磨損，延長缸套的使用壽命，同時可以減小活塞劃傷和磨損，提高活塞的使用壽命。

拋光機是由普通車床進行改造而成，其結構見圖4。由電機、傳動部分、拋光桿及拋光輪3部分組成，使用時將其安裝在車床刀架托盤上，具有體積小，結構簡單，拆裝迅速的特點。

圖4 拋光機結構示意圖

通過反復試驗，確定了拋光時車床的最佳轉速105～115 r/min。拋光劑選用氧化鉻綠，拋光后使缸套內套表面達到了鏡面效果，產品的光亮度、清潔度都令人滿意。

五、結論

低碳球鐵復合缸套內套選用低碳球鐵，成本低，經激光表面強化處理和拋光處理后，具有很好的硬度和耐磨性，有效地提高了鋼套的使用壽命，實際使用中壽命可達800 h以上。