一種鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石油鉆井用鋁合金鉆桿表面微弧氧化陶瓷膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，適用于在石油鉆井用鋁合金鉆桿表面制備含有與膜層冶金結合的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜。
【背景技術】
[0002]隨著現代經濟高速發展，我國淺層易開發石化能源存量迅速衰減，油氣資源勘探開發對象已更多面對深部復雜油氣藏。隨著深井與超深井、水平與大位移井、高含H2S等復雜特殊井大量出現，鉆柱工況條件嚴重惡化。鉆機負荷大，摩阻扭矩高，抗酸腐蝕能力差，鉆具事故頻發，鉆井效率低，已嚴重影響鉆井工程的安全、效率和經濟效益。利用材料工程技術對鉆具進行材質改善，可提高鉆具安全使用壽命及可靠性，充分發揮鉆機效能，提高鉆井效率。選用鋁合金鉆桿代替鋼鉆桿減少了鉆柱重量，是發揮鉆機效能的一種有效技術手段。但鋁質材料的表面硬度比鋼材表面硬度約低1-2倍，必須提高鋁合金鉆桿使用時的抗磨損性能，才能充分發揮其重量輕、強度高、抗酸蝕的優點。利用微弧氧化技術在普通鋁合金表面制備具有耐磨、耐蝕性能膜層的技術已基本成熟，但石油鉆井用鋁合金鉆桿表面制備微弧氧化陶瓷膜的研宄還不多見。目前在微弧氧化溶液中添加一種或多種經過靶向誘導處理的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉，在石油鉆井用鋁合金鉆桿表面制備含有碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜的研宄還未見報道。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，該方法原理可靠，操作簡便，直接在普通微弧氧化溶液中添加經過靶向誘導處理的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或多種，采用普通微弧氧化技術即可在石油鉆井用鋁合金鉆桿表面制備含有碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜。通過摻雜上述陶瓷微粉使在鋁鉆桿表面所制備的微弧氧化陶瓷膜層致密度提高，硬度增加，有利于提高鋁鉆桿表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延長鋁合金鉆桿的使用壽命。
[0004]為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。
[0005]一種鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，步驟如下:采用普通直流或交流微弧氧化電源，工件鋁合金鉆桿連接電源的陽極，陰極采用普通的鉛板或不銹鋼板，將工件和陰極一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液溫度控制在20-50°C，然后在微弧氧化溶液中加入經過靶向誘導處理的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或多種，采用可調速機械攪拌來保證碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉均勻分散、氧化溶液溫度均勻。在3-30A/dm2的電流密度下，陽極正電荷的電場吸引力使溶液中的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或多種陶瓷粉末到達鋁合金鉆桿表面，陶瓷粉末在微弧氧化電弧的瞬時高溫燒結重熔作用下與鋁合金鉆桿表面已形成的微弧氧化陶瓷膜形成冶金結合，從而在鉆桿表面制備出含有碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜。
[0006]所述微弧氧化溶液為微弧氧化領域通用的氫氧化鉀體系、硅酸鹽體系、磷酸鹽體系、氫氧化鈉體系溶液或上述溶液的混合體系。
[0007]所述靶向誘導處理為先將碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉用無水酒精清洗，晾干后在溫度為45-80°C的低溫等離子體中處理20-30分鐘。
[0008]所述碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉粒度及添加量為:
[0009]碳化鈦微粉，粒度3-5 μ m，添加量5_30g/L ；
[0010]碳化硼微粉，粒度10-35 μ m，添加量10_50g/L ；
[0011]氮化硼微粉，粒度1-3 μ m，添加量l-10g/L ；
[0012]氮化鉻微粉，粒度45-55 μ m，添加量5_20g/L。
[0013]所述可調速機械攪拌為20-400rpm，根據粉末配比及溶液配方確定。
[0014]本發明適用于在石油鉆井用鋁合金鉆桿表面制備含有與膜層冶金結合的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜，所制備的微弧氧化陶瓷膜層致密度提高，硬度增加，有利于提高鋁鉆桿表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延長鋁合金鉆桿的使用壽命。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例對本發明作進一步的說明，本發明所涉及的范圍并非僅限于這五個實施例。
[0016]實施例1
[0017]截取一根0.5m長的石油鉆井用鋁合金鉆桿，制備50 μ m厚的摻雜碳化鈦陶瓷微粉的微弧氧化陶瓷膜。采用100L去離子水配制好磷酸鹽溶液，氧化時加入粒度為4 μ m，添加量為20g/L的碳化鈦陶瓷微粉，靶向誘導處理等離子溫度50°C，時間20分鐘。采用普通直流微弧氧化電源，電流密度為6A/dm2，攪拌速度為30rpm。
[0018]實施例2
[0019]截取一根0.5m長的石油鉆井用鋁合金鉆桿，制備30 μ m厚的摻雜碳化硼陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去離子水配制好的硅酸鹽溶液，氧化時加入粒度為25 μ m，添加量為15g/L的碳化硼陶瓷微粉，靶向誘導處理等離子溫度70°C，時間25分鐘。采用普通直流氧化電源，電流密度為15A/dm2，攪拌速度為lOOrpm。
[0020]實施例3
[0021]截取一根0.5m長的石油鉆井用鋁合金鉆桿，制備35 μ m厚的摻雜氮化硼陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去離子水配制好的硅酸鹽和氫氧化鉀混合溶液，氧化時加入粒度為2 μπι，添加量為5g/L的氮化硼陶瓷微粉，靶向誘導處理等離子溫度45°C，時間20分鐘。采用普通交流氧化電源，電流密度為4A/dm2，攪拌速度為25rpm。
[0022]實施例4
[0023]截取一根0.5m長的石油鉆井用鋁合金鉆桿，制備55 μπι厚的摻雜氮化鉻陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去離子水配制好的硅酸鹽和氫氧化鈉混合溶液，氧化時加入粒度為50 μ m、添加量為20g/L氮化鉻陶瓷微粉，靶向誘導處理等離子溫度75°C，時間30分鐘。采用普通直流氧化電源，電流密度為30A/dm2，攪拌速度為300rpm。
[0024]實施例5
[0025]截取一根0.5m長的石油鉆井用鋁合金鉆桿，制備45 μ m厚的摻雜碳化鈦、氮化鉻陶瓷微粉的微弧氧化膜。采用100L去離子水配制好的硅酸鹽和磷酸鹽混合溶液，氧化時加入粒度為3 μ m、添加量為10g/L碳化鈦陶瓷微粉，粒度為45 μ m、添加量為20g/L的氮化鉻陶瓷微粉，靶向誘導處理等離子溫度75°C，時間25分鐘。采用普通直流氧化電源，電流密度為25A/dm2，攪拌速度為200rpm。
【主權項】
1.一種鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，步驟如下:采用普通直流或交流微弧氧化電源，工件鋁合金鉆桿連接電源的陽極，陰極采用普通的鉛板或不銹鋼板，將工件和陰極一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液溫度控制在20-50 °C，然后在微弧氧化溶液中加入經過靶向誘導處理的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或多種，在3-30A/dm2的電流密度下，陽極正電荷的電場吸引力使溶液中的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉中的一種或多種陶瓷粉末到達鋁合金鉆桿表面，陶瓷粉末在微弧氧化電弧的瞬時高溫燒結重熔作用下與鋁合金鉆桿表面已形成的微弧氧化陶瓷膜形成冶金結合，從而在鉆桿表面制備出含有碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜。
2.如權利要求1所述的鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，其特征在于，所述微弧氧化溶液為微弧氧化領域通用的氫氧化鉀體系、硅酸鹽體系、磷酸鹽體系、氫氧化鈉體系溶液或上述溶液的混合體系。
3.如權利要求1所述的鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，其特征在于，所述靶向誘導處理為先將碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉用無水酒精清洗，晾干后在溫度為45-80°C的低溫等離子體中處理20-30分鐘。
4.如權利要求1所述的鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，其特征在于，所述碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉粒度及添加量為: 碳化鈦微粉，粒度3-5 μ m，添加量5-30g/L ； 碳化硼微粉，粒度10-35 μ m，添加量10-50g/L ； 氮化硼微粉，粒度1-3 μ m，添加量l-10g/L ； 氮化鉻微粉，粒度45-55 μ m，添加量5-20g/L。
【專利摘要】本發明公開了一種鋁合金鉆桿表面微弧氧化膜摻雜陶瓷微粉的制備方法，步驟如下：采用普通直流或交流微弧氧化電源，工件鋁合金鉆桿連接電源的陽極，陰極采用普通的鉛板或不銹鋼板，將工件和陰極一起完全放入微弧氧化溶液中，氧化溶液溫度控制在20-50℃，加入經過靶向誘導處理的碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或多種，在3-30A/dm2的電流密度下，溶液中的陶瓷粉末到達鋁合金鉆桿表面，在鉆桿表面制備出含有碳化鈦、碳化硼、氮化硼和氮化鉻陶瓷微粉的一種或幾種的微弧氧化陶瓷膜，該微弧氧化陶瓷膜層致密度提高，硬度增加。本發明有利于提高鋁鉆桿表面微弧氧化陶瓷膜的耐磨性，延長鋁合金鉆桿的使用壽命。
【IPC分類】C25D11-04
【公開號】CN104775144
【申請號】CN201510194995
【發明人】王平, 伍婷, 郭小陽, 程小偉, 李早元, 李明, 張春梅
【申請人】西南石油大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月22日