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抽油泵泵筒内壁激光/渗氮复合改性研究

程义远  
【摘要】: 随着国内大部分油田进入高含水开发期,由于高含砂、高含水、高矿化度、高温蒸汽稠油开采、注聚合物开采及强腐蚀介质等因素的影响,抽油泵的腐蚀磨损日趋严重,严重影响油田开发。目前渗氮泵由于耐磨损、耐腐蚀而在油田使用较多,但由于气体渗氮层的脆性较大易造成剥落而使其受到一定影响,本文采用激光淬火/渗氮复合处理技术成功制备出性能优异的复合渗氮层,并对渗氮层的相组成、微观组织结构、硬度、耐磨性、耐蚀性及脆性进行系统分析,研究了激光淬火对渗氮层组织及性能的影响和催渗机理。 激光淬火表面层晶粒细化,晶界增多,N原子的扩散通道数量和扩散速度增加,位错、孪晶等缺陷增加,这些缺陷处于较高的能量状态,为氮化物的形成提供额外的驱动力,使得生成ε相和γ’相的标准自由能减小,在未达到渗氮温度(530℃)的升温阶段形成氮化物,同时N原子沿晶界的扩散通道增多,扩散速度提高,表面N浓度较低,渗氮层中N分布较均匀,浓度降低趋势平缓,而气体渗氮层表面N浓度较高,N浓度降低趋势陡峭。激光淬火可显著提高渗氮速度,增加渗氮层厚度,渗氮层深度由气体渗氮的0.2mm增加至0.3mm。 激光淬火/渗氮处理后γ’相双向溶解速率大于ε相储氮速率,ε相和γ’相的阻碍扩散作用降低,白亮层厚度减小,白亮层均由;ζ-Fe2N相、ε-Fe3N相和Cr2N组成。气体渗氮层中的ζ-Fe2N相、ε-Fe3N相和Cr2N的体积分数分别为79.95%、14.74%和5.31%。激光淬火/渗氮层对应的体积分数分别为25.03%、69.45%和5.52%。其中Cr2N的含量基本不变激光淬火/渗氮层内脆性大的ζ-Fe2N相含量减少,脆性小的ε-Fe3N相含量增加,渗氮层脆断的临界压力由气体渗氮层的3N提高到激光淬火/渗氮层的6N。 激光淬火/渗氮扩散层的γ’相和α-Fe相晶粒细小,γ’-Fe4N中存在超点阵结构,Fe原子和N原子在γ’相中有序排列,γ’相和α-Fe相存在一定的位向关系,二者的共格性和相容性优良,二者的结合强度高,同时细小渗碳体分布在条状下贝氏体组织中。复合渗氮中优先生成的Cr2N颗粒细小,且数量增多,而气体渗氮中的ε相和Cr2N颗粒较粗大,由于激光淬火/渗氮层中的Cr2N颗粒的硬度较高,细小的Cr2N颗粒起钉扎作用,其渗氮层硬度较气体渗氮层提高约100HV0.2。 由于激光淬火/渗氮层中韧性较好的γ’相和ε相的数量增加,细小合金氮化物耐磨硬质点阻碍了磨痕的发展,其阻碍和钉扎行为在摩擦过程中发挥了强烈的阻磨作用,激光淬火/渗氮层的磨擦磨损量为普通气体渗层的1/8,摩擦系数由气体渗氮的0.35降为气体渗氮层的0.29。 激光淬火/渗氮复合处理的耐蚀性能提高,复合处理后的渗氮层致密度提高,组织品粒细化,表层的氧化物含量降低,自腐蚀电流由普通渗氮层的57.68μA/cm2减小到激光/渗氮层的3.166μA/cm,复合渗氮层的耐蚀性提高。 在腐蚀磨损试验中,激光淬火/渗氮层的腐蚀磨损失重约为气体渗氮层的1/2,腐蚀优先在晶界或相界处发生,削弱了Cr2N颗粒与基体的结合力。Cr2N颗粒在磨损作用下发生少量脱落,因此腐蚀加剧了磨损。腐蚀磨损形貌为切削犁沟和腐蚀坑,腐蚀磨损机制为腐蚀磨粒磨损。由于激光淬火/渗氮层白亮层组织致密、脆性低、Cr2N颗粒不易脱落,其腐蚀磨损性能优于普通气体渗氮层。


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