| 钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究 |
| 贾文杰 郑权方 李庆梅 |
轴承组件是牙轮钻头、涡轮钻具最关键和最薄弱的环节，其主要的失效形式是胶合，亦即严重的粘着磨损。胶合的特征是轴承滑动面沿摩擦方向形成撕痕、刮擦、涂抹和粘焊。粘着磨损一开始可能是轻微的和局部的，如果引起胶合的因素未解除并继续恶化，则胶合将迅速扩展。 表1试件及化学成分% a)渗碳RJJ-75型井式炉，930℃，12h渗碳，入石棉箱自然冷却。渗碳层深1.5～2.0 mm，表层碳浓度0.90%～1.05%，表面硬度HRC59～62。 b)回火180～190℃，保温4h。 c)渗硼气氛炉内910℃，6h固体渗硼，渗硼层深0.08～0.10mm，渗硼组织为单相Fe2B。 d)淬火保护气氛炉中加热至820 ～830℃，保温2h，淬入90℃油中。 e)回火180℃，3h回火。 f)清理性喷砂。 2 MoS2滑化处理的依据 滑化处理是在轴承组件试件表面形成结合牢固，摩擦学性能优异的MoS2滑化膜，发挥减摩和抑制胶合发生的功效。MoS2滑化处理有其试验基础，也有其理论依据。 首先，对牙轮钻头滑动轴承及涡轮钻具止推轴承粘着磨损的研究表明，摩擦因数f、粘着摩擦总力F、载荷、速度、摩擦热温升与胶合是逻辑相关的；粘着摩擦力主要由摩擦表面凸峰变形阻力、磨损颗粒及硬质点压碾犁削力、凸峰粘焊亲合力及滑动表面的粘着剪切力组成［1］。 F=Aτ，(1) 式中，A为实际接触面积；F为粘着摩擦总力；τ为粘着点的总剪应力。 粘着凸峰的形变为塑性变形，于是有： A=F′/σm，（2） 式中，F′为载荷；σm为材料的塑性流变应力。 而摩擦因数f=F/F′。结合式(1)和式(2)有f=τ/σm。可见，材料的抗剪切强度愈低，抗压强度愈高，则摩擦因数愈小。这也是近年牙轮钻头轴承材料由软向硬过渡的依据，如硬质合金材料的应用［2］，钢结构硬质合金的应用［5］，H13钢的应用［3］。 MoS2的抗压强度与合金钢接近，而抗剪强度却低得多，所以MoS2滑化膜的摩擦因数极小。 MoS2的减摩与其内在结构联系密切。MoS2晶体结构和石墨一样。属六方晶系鳞片状晶体，如图1所示，为层状结构，每个MoS2分子层又分为3个原子层，中间是Mo原子层，上下是S原子层，每个Mo原子被6个S原子包围，只有S原子暴露在分子层的表面，每个分子层的厚度为6.26。
MoS2润滑膜可耐pmax为35 MPa的极限压力和vmax为40 m/s的极限速度［4］，表现出极高的pv值和较好的高速重载性。 MoS2在室温至350 ℃区间，物理、化学及摩擦学特征很稳定，400 ℃时开始氧化，温度更高时性能才开始恶化。而牙轮钻头、涡轮钻具轴承工作温度远低于350 ℃，故处于良好的润滑状态。 3 MoS2滑化处理 MoS2滑化处理的工艺流程为去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸渍。目前较成熟的滑化处理工艺有喷涂法、水煮法和刷涂法3种。 3.1喷涂法 80g的MoS2粉末，7g石墨粉末，50g水玻璃和60mL水配成滑化液，用喷枪喷至经喷砂及清洗的试件表面，喷厚0.3mm。入箱烘干2h，然后升温至140℃烘烤2h。出炉后再清洗并浸入CS2液中。得到蓝色光泽的MoS2滑化膜，即完成喷涂滑化处理。 3.2水煮法 取100g的MoS2粉末，纱布包裹，置于瓷制煮皿，加水400mL，将试件浸入其中。加热至95～100℃，1h，清洗后浸入CS2液中，并在热气氛中干燥，即完成水煮法滑化处理。 3.3刷涂法 将MoS2粉末用丙酮调成糊状，用毛刷涂在试件表面，刷厚1.5 mm，晾干刷去疏松层，入箱115 ℃，1h烘干，清洗后入CS2液中，即完成刷涂滑化处理。 4 滑化膜性能测试 4.1滑化膜厚度测定及分析 试件经不同滑化处理方法处理后，用磁阻法测定滑化膜厚度，其结果列于表2 表2不同材料不同工艺滑化处理的膜厚μm 4.2硬度测试及分析 用维氏显微硬度仪测试经MoS2滑化处理后试件的表面硬度，测定结果与滑化处理前的硬度值无差异。这是因为1～4 μm厚的滑化膜不至于影响试件预处理所获得的硬度值。滑化处理对其他处理方法无排它性。然而，正是那极薄的MoS2滑化膜，乃是一层性能优良的固体润滑膜，具有优异的减摩抗粘功能。 4.3MM-200型磨损机试验结果 以不同材料，经不同工艺处理的上、下试件装于MM-200型摩擦磨损试验机上进行试验，20号机油点滴润滑。试验结果见表3。可见，经MoS2滑化处理的试件表现出优异的摩擦学性能。经MoS2滑化处理的试件，在Falex试验机和Amsler试验机上同样表现出优良的减摩性和抗胶合性。 表3在MM-200型试验机上的试验结果 对于优质合金渗碳钢滑动轴承或止推轴承，经渗碳、渗硼或其他硬化强化处理后，通过MoS2滑化处理，在其表面形成厚约1～4 μm的MoS2滑化薄膜，由于其特异的结构和性质，表现出优异的摩擦学特性。它的摩擦因数极小，耐高压、耐高速及具有较高的极限pv值，而且对原处理无任何影响。类似于骨关节接头硬骨端部的软质薄层，是一种极好的固体润滑膜。与基体材料有较强的吸附成膜能力，而且层间有较低的剪切强度，使摩擦发生在润滑膜内部。其优异的减摩抗粘着性能，必然能有效地保障牙轮钻头滑动轴承及涡轮钻具止推轴承的润滑性、可靠性和使用寿命，相应提高了钻具的耐用度和使用寿命。这点对于机械钻速和钻井时效的提高均具有积极的意义。 |
( 该文章转自论坛：钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究 )
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