專利名稱：一種新型抽油機驢頭銷子及制備方法
技術領域：
本發明屬于石油設備領域，具體涉及一種抽油機驢頭銷子及其制備方法。
背景技術：
抽油機井一直以來都是國內外油田的主要采油方式，而驢頭則是抽油機的一個主要組成部分。抽油機驢頭與抽油機橫梁端部之間采用驢頭銷子來連接是最常見的一種固定方式。驢頭銷子通常為長半米左右、直徑數厘米不等的直插式“T”型結構銷子，上面的“一” 為銷子頂部，而下面的“ I ”為銷子的銷體部分。由于抽油機井在維修或測試等各種作業過程中，需要時常旋轉或者翻轉驢頭來讓位，因此驢頭銷子的性能對抽油機井的正常工作有著重要影響。而在安裝或者作業時通常需要操作工人爬上7米多高的驢頭用鐵錘砸打銷子來實現安裝和拆卸，工作強度和安全隱患都很大。驢頭銷子目前大都采用普通碳素結構鋼(如Q235等)制造，其力學性能可以滿足使用要求，但其耐磨耐蝕等性能并不是很好。在實際使用過程中，驢頭銷子的失效形式包括磨損、腐蝕和斷裂等三個主要方面。第一，驢頭銷子和銷孔之間應該是緊配合，但隨著使用時間的延長和驢頭反復轉動等原因，驢頭銷子會出現磨損的問題，使得銷子和銷孔間產生間隙而晃蕩并產生安全隱患；第二，由于長期暴露在大氣中和野外，風吹日曬雨淋使得銷子銷體部分極易生銹，而銹蝕較多較嚴重時就會出現銷子卡死銷孔的現象，導致驢頭無法轉動或者很難拆卸銷子，使得腐蝕成為驢頭銷子最常見的問題；第三，驢頭在采油過程中要承受抽油桿柱和原油液流等很大的載荷，作為連接部件的驢頭銷子同樣也要承受很大的載荷， 如果由于磨損和腐蝕在表面形成劃痕或點蝕坑等缺陷，則隨著時間延長這就容易在銷子表面產生疲勞源并最終發生斷裂。目前油田對驢頭銷子以上問題的解決主要集中在兩個方向上，一是改變驢頭銷子的結構，比如用空心結構來減輕銷子的重量或者采用可伸縮結構來減少由于銹蝕導致的銷子卡死現象的發生；二是開發驢頭銷子拆卸裝置，通過研制各種不同結構和原理的驢頭銷子拆卸裝置來降低該過程的工作強度和解決銷子拆卸難的問題。而以上現有的解決辦法并不能從根本上解決銷子的磨損、腐蝕和斷裂問題。材料的改進是徹底解決以上問題的有效途徑，但目前還沒有從驢頭銷子的材料角度出發來解決問題的研究和產品。

發明內容
本發明的所要解決的技術問題在于提供一種新型抽油機驢頭銷子，通過從銷子材料角度出發，采用制備表面涂層的方法，大幅提高驢頭銷子的耐腐蝕耐磨性能，從根本上有效解決驢頭銷子的磨損、腐蝕和斷裂問題。按照本發明提供的一種新型抽油機驢頭銷子，在銷子基體外表面制備一層MCr 合金涂層，在所述NiCr合金涂層表面制備一層Mc^2固體潤滑改性層。按照本發明提供的一種新型抽油機驢頭銷子還具有如下附屬技術特征 所述NiCr合金涂層的組分按照質量百分含量為鉻15% 30%，鎳85% 70%。
所述NiCr合金涂層采用噴焊工藝制備在銷子基體外表面，其厚度為0. IOmm 0. 50mmo噴焊所述NiCr合金涂層所采用NiCr合金粉末的粒度為20 μ m 102 μ m。所述固體潤滑改性層采用離子注入工藝制備在所述MCr合金涂層表面，其厚度為 0. 20μπι 0. 50 μ m。離子注入時，離子注入劑量為不小于2X IO17離子/cm2。所述固體潤滑改性層直接在所述MCr合金涂層表面注入，在注入厚度內與所述MCr合金涂層形成復合涂層，并在所述MCr合金涂層表面呈散點狀分布。所述MCr合金涂層與銷子基體之間為冶金結合，所述MO&固體潤滑改性層與所述NiCr合金涂層之間無明顯界限，注入離子沿所述NiCr合金涂層深度方向呈逐漸衰減趨勢。按照本發明提供的一種新型抽油機驢頭銷子的制備方法，包括如下步驟，
(1)、將驢頭銷子基體表面清洗干凈并吹干；
(2)、對驢頭銷子基體表面進行噴砂除銹、粗化和活化處理；
(3)、在驢頭銷子基體表面采用熱噴焊工藝制備一層0.10 0. 50mm厚度的NiCr合金涂層；
(4)、噴焊結束后，對驢頭銷子進行拋光處理；
(5)、采用離子注入工藝在所述NiCr合金涂層表面制備一層0.20 μ m 0. 50 μ m厚度的固體潤滑改性層。按照本發明提供的新型抽油機驢頭銷子制備方法進一步包括，噴焊所述MCr合金涂層后進行的拋光處理為最后一次拋光處理，在離子注入所述MO&固體潤滑改性層后， 不再進行拋光處理而直接使用。按照本發明提供的新型抽油機驢頭銷子及其制備方法與現有技術相比具有如下優點
1.首次從材料角度出發，通過兩種不同功能涂層的疊加制備，顯著提高了驢頭銷子的耐磨耐蝕性能，同時具有良好的減摩潤滑功能，使得本發明的驢頭銷子不會因磨損和銹蝕而失效或卡死，顯著延長其使用壽命，另外也使驢頭轉動讓位或銷子拆卸過程更為輕松簡便，降低操作工人的工作強度。2.本發明為行業內首次創造性的將離子注入和噴焊合金涂層結合起來，在NiCr 涂層表面制備離子注入改性層，將MCr合金涂層作為后續離子改性層的基體，而離子注入的呈散點狀分布在NiCr合金涂層的表面，這不僅可以充分體現底層NiCr合金涂層優異的耐磨耐蝕性能，也使厚度相對較薄的表層改性層可以較長時間實現減摩潤滑的作用，實現了不同功能涂層復合的雙贏效果。3.由于采用本發明中的驢頭銷子表面涂層進行了順序和厚度的優化處理，因此與普通驢頭銷子相比，其成本增加處在相對適度和合理的范圍，而且在解決驢頭銷子現有的問題和使用壽命方面具有很高的性價比，有助于很好地在油田進行推廣。


圖1為本發明一種新型MC驢頭銷子的結構示意圖。圖2為本發明一種新型MC驢頭銷子的涂層結構示意圖。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發明的一種新型抽油機驢頭銷子，是一個直插式T型結構銷子，其表面分別制備有兩種耐磨耐蝕和減摩潤滑的復合功能涂層。底層采用噴焊工藝在銷子基體1外表面制備一層NiCr合金涂層2，其厚度為0. 10 mm 0. 50mm ；表層采用離子注入工藝在所述NiCr合金涂層2表面制備一層MO&固體潤滑改性層3，其厚度為0. 20 μ m 0. 50 μ m0所述NiCr合金涂層2的成分按照質量百分含量為鉻15% 30%，鎳70% 85%。 噴焊所述NiCr合金涂層2所采用NiCr合金粉末的粒度為20 μ m 102 μ m。離子注入時，離子注入劑量為不小于2 X IO17離子/cm2。所述MO&固體潤滑改性層3直接在所述NiCr合金涂層表面注入，在注入厚度內與所述NiCr合金涂層2形成復合涂層，并在所述NiCr合金涂層2表面呈散點狀分布。所述NiCr合金涂層2與銷子基體1之間為冶金結合，所述Mc^2固體潤滑改性層3 與所述NiCr合金涂層2之間無明顯界限，注入離子沿所述NiCr合金涂層深度方向呈逐漸衰減趨勢。本發明給出一種新型抽油機驢頭銷子的制備方法，包括如下步驟，
(1)、將驢頭銷子基體1表面清洗干凈并吹干；
(2)、對驢頭銷子基體1表面進行噴砂除銹、粗化和活化處理；
(3)、在驢頭銷子基體1表面采用熱噴焊工藝制備一層0.10 0. 50mm厚度的NiCr合金涂層2 ；
(4)、噴焊結束后，對驢頭銷子進行拋光處理；將其銷頂和銷體的外圓表面與端面結合處倒角打磨圓滑，將銷頂和銷體連接處圓弧過渡。(5)、采用離子注入工藝在所述NiCr合金涂層2表面制備一層0. 20μπι 0. 50 μ m
厚度的固體潤滑改性層3。最后經檢驗合格后即可得到本發明中的新型MC驢頭銷子。本發明將首次從驢頭銷子的材料角度出發，通過各種涂層技術來有效提高銷子的耐磨耐蝕耐性能，有效解決銷子的磨損、腐蝕和斷裂問題，然后在此基礎上結合現有的驢頭銷子拆卸裝置，就能更好地實現操作工人工作強度的顯著降低和保障抽油機油井的長期安
全生產。首先，功能涂層的選擇。驢頭銷子需要解決的問題是磨損腐蝕和斷裂問題，其中磨損和腐蝕問題為實質所在，因此選擇具有非常優異的耐磨耐蝕性能的MCr合金涂層作為主要涂層；在驢頭轉動或拆卸過程中往往需要很大的力量來實現，特別是銷子出現銹蝕的時候，而如果在銷子表面增加一定的固體潤滑成分就可以顯著降低銷子和銷孔之間的摩擦阻力，因此將具有優異減摩潤滑效果的MO&固體潤滑改性層作為涂層之一。通過兩種功能涂層的復合作用有效解決銷子表面常常出現的磨損和腐蝕問題，防止疲勞源的出現，避免斷裂的發生。其次，功能涂層的制備方法和制備順序的確定。NiCr合金涂層的工業化噴焊工藝已經非常成熟，因此確定采用該噴焊工藝；MO&固體潤滑改性層的制備有很多種方法，如噴涂法、滲硫法、粘結法、固體潤滑顆粒添加噴涂法等，但在降低MCr涂層結合力以及對涂層質量致密影響方面均存在一定問題，而離子注入法由于是在高能粒子束的作用下“強行”擠入涂層的表面，可以在不影響合金涂層質量和結合力的前提下，顯著發揮MO&自身的減摩潤滑作用，因此選擇離子注入法作為MO&固體潤滑改性層的制備方法。本發明涂層的順序采用MCr涂層作為底層，MO&離子注入層作為表層的原因首先是MCr涂層厚度較厚，可以完全覆蓋驢頭銷子表面，確保驢頭銷子的耐磨耐蝕性能；其次是由于離子注入法制備的改性層并不是完全覆蓋層，而是在MCr涂層表層呈散點狀分布，即按單位面積上分布有多少個注入離子來衡量，本發明通過設定離子注入劑量不小于2 X IO17離子/cm2可實現對離子注入層表面減摩潤滑性能的有效控制，將離子注入層作為表層既可以發揮MCr涂層作為基體涂層的耐磨耐蝕性能，又可以集中優勢體現MO&固體潤滑改性層的減摩潤滑性能。第三，功能涂層厚度的確定。NiCr合金涂層和Mc^2固體潤滑改性層的厚度分別確定為0. 10 0. 50mm和0. 20 0. 50 μ m。其原因如下首先，NiCr合金涂層作為基體涂層必須有足夠的厚度才能保證對驢頭銷子基體表面的完全覆蓋和確保基體鋼材不被腐蝕，另外其制備工藝簡單，厚度控制成本低，但太厚的涂層則會引起材料的過剩和浪費，最終將其厚度確定為0. 10 0. 50mm ；其次，MoS2固體潤滑改性層主要起的是減摩潤滑作用，Mc^2離子呈散點狀分布在堅硬的NiCr涂層基體上，而由于NiCr基體耐磨性非常優異，可以對Mc^2 離子注入層形成有效保護，因此MO&不會被很快消耗，可以維持很長時間，加上只有在驢頭轉動或銷子拆卸時才需要減摩潤滑，因此MO&改性層的厚度不需要太厚，結合離子注入工藝對注入厚度的條件限制和成本因素，最終將其厚度確定為0. 20 0. 50 μ m。實施例一，本發明的一種新型抽油機驢頭銷子，是一個直插式T型結構銷子，其表面分別制備有兩種耐磨耐蝕和減摩潤滑的復合功能涂層。底層采用噴焊工藝在銷子外表面制備一層NiCr合金涂層，其厚度為0. IOmm ；表層采用離子注入工藝在NiCr合金涂層表面制備一層MW2固體潤滑改性層，其厚度為0. 2 μ m。實施例二，本發明的一種新型抽油機驢頭銷子，是一個直插式T型結構銷子，其表面分別制備有兩種耐磨耐蝕和減摩潤滑的復合功能涂層。底層采用噴焊工藝在銷子外表面制備一層NiCr合金涂層，其厚度為0. 30mm ；表層采用離子注入工藝在NiCr合金涂層表面制備一層MW2固體潤滑改性層，其厚度為0. 35 μ m。實施例三，本發明的一種新型抽油機驢頭銷子，是一個直插式“Τ”型結構銷子，其表面分別制備有兩種耐磨耐蝕和減摩潤滑的復合功能涂層。底層采用噴焊工藝在銷子外表面制備一層NiCr合金涂層，其厚度為0. 50mm ；表層采用離子注入工藝在NiCr合金涂層表面首先制備一層MW2固體潤滑改性層，其厚度為0. 50 μ m。在實驗室條件下對以上三個實施事例中的涂層進行腐蝕和磨損性能評價，與普通材料的驢頭銷子進行比較。對比試樣包括Q235 (代表普通銷子)、NiCr涂層、NiCr/Mo&涂層(代表本發明的 MC驢頭銷子)。腐蝕試驗在濃度lmol/L的HCl溶液和濃度3. 5%的NaCl溶液中進行13 不間斷浸泡。磨損試驗在MM-200型摩擦磨損試驗機上進行，摩擦副為環/塊，塊試樣采用調質態 45鋼，環試樣為以上三種不同材料的對比試樣，工況條件為400N的載荷，400轉/分的轉速，以及20分鐘時間和水潤滑條件。結果如表1所示，可見NiCr/Mo&涂層具有遠遠優于普通銷子的耐磨耐蝕性能，NiCr/Mo&復合涂層不僅耐磨耐蝕性能與MCr相當，而且具有更
6好的減摩潤滑作用，可以顯著降低摩擦表面的劇烈程度和摩擦阻力，獲得較為光滑的表面。 在實際使用中，將會顯著延長驢頭銷子的使用壽命，顯著降低磨損和腐蝕，有助于實現驢頭的輕松轉動和拆卸。
表 權利要求
1.一種新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，在銷子基體外表面制備一層MCr合金涂層，在所述MCr合金涂層表面制備一層固體潤滑改性層。
2.如權利要求1所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，所述MCr合金涂層的組分按照質量百分含量為鉻15% 30%，鎳85% 70%。
3.如權利要求1所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，所述MCr合金涂層采用噴焊工藝制備在銷子基體外表面，其厚度為0. IOmm 0. 50mm。
4.如權利要求3所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，噴焊所述MCr合金涂層所采用NiCr合金粉末的粒度為20 μ m 102 μ m。
5.如權利要求1所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，所述MO&固體潤滑改性層采用離子注入工藝制備在所述NiCr合金涂層表面，其厚度為0. 20 μ m 0. 50 μ m。
6.如權利要求5所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，離子注入時，離子注入劑量為不小于2 X IO17離子/cm2。
7.如權利要求5所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，所述MO&固體潤滑改性層直接在所述MCr合金涂層表面注入，在注入厚度內與所述MCr合金涂層形成復合涂層，并在所述MCr合金涂層表面呈散點狀分布。
8.如權利要求1所述的新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，所述MCr合金涂層與銷子基體之間為冶金結合，所述MO&固體潤滑改性層與所述MCr合金涂層之間無明顯界限，注入離子沿所述NiCr合金涂層深度方向呈逐漸衰減趨勢。
9.一種新型抽油機驢頭銷子的制備方法，其特征在于包括如下步驟，(1)、將驢頭銷子基體表面清洗干凈并吹干；(2)、對驢頭銷子基體表面進行噴砂除銹、粗化和活化處理；(3)、在驢頭銷子基體表面采用熱噴焊工藝制備一層0.10 0. 50mm厚度的NiCr合金涂層；(4)、噴焊結束后，對驢頭銷子進行拋光處理；(5)、采用離子注入工藝在所述NiCr合金涂層表面制備一層0.20 μ m 0. 50 μ m厚度的固體潤滑改性層。
10.如權利要求9所述的新型抽油機驢頭銷子的制備方法，其特征在于，噴焊所述MCr 合金涂層后進行的拋光處理為最后一次拋光處理，在離子注入所述MO&固體潤滑改性層后，不再進行拋光處理而直接使用。
全文摘要
一種新型抽油機驢頭銷子，其特征在于，在銷子基體外表面制備一層NiCr合金涂層，在所述NiCr合金涂層表面制備一層MoS2固體潤滑改性層。本發明的這種新型抽油機驢頭銷子，從材料角度出發，采用兩種復合功能涂層的疊加和優化，顯著提高了驢頭銷子耐磨耐蝕和自潤滑性能，很好地解決了驢頭銷子轉動讓位或拆卸中可能出現的銹蝕導致的卡死問題，不僅顯著延長了驢頭銷子的壽命，而且通過固體潤滑劑的引入，使得驢頭銷子的轉動和拆卸更為容易便捷。
文檔編號C23C14/06GK102506041SQ20111035224
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者劉斌, 李勇, 田斌, 黃錦濱 申請人:劉伯英, 黃錦濱