本文關(guān)鍵詞： 地質(zhì)鉆探 井底動(dòng)力機(jī)具 磨損失效 復(fù)合金剛石薄膜 改性機(jī)理　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：從改善超深鉆探井底動(dòng)力機(jī)具活動(dòng)部件的耐磨損性能出發(fā),采用復(fù)合表面改性技術(shù)對(duì)易磨損活動(dòng)部件表面進(jìn)行改性,中頻磁控濺射SiC過(guò)渡層,和熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜;探討了主要制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜成分結(jié)構(gòu)及其表面光潔度的影響,獲得晶面取向均一、金剛石相含量高和表面光潔度高的性能,并通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合金剛石薄膜在旋轉(zhuǎn)部件和往復(fù)部件表面沉積后的改性效果,構(gòu)建了復(fù)合金剛石薄膜的改性機(jī)理,為制備具備良好耐磨性能的井底動(dòng)力機(jī)具部件提供理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。主要結(jié)論有:(1)通過(guò)熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在優(yōu)質(zhì)合金鋼38CrMoAl基材上制備含SiC過(guò)渡層的復(fù)合金剛石薄膜。隨著氬氣體積、甲烷氫氣比和功率增大,金剛石薄膜呈現(xiàn)(111)晶向擇優(yōu)生長(zhǎng),并伴隨少量的(220)晶向晶粒。薄膜中sp3相含量先升高后降低,分別在30 vol.%Ar、1.0 vol.%CH4/H2和功率為7 KW時(shí)達(dá)到最大值。表征表面光潔度的表面粗糙度和粒徑呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),分別在30 vol.%Ar、1.5 vol.%CH4/H2和功率5 KW時(shí)表面光潔度最優(yōu)。(2)利用MS-T3000磨損試驗(yàn)機(jī)分析螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子樣品鍍膜前后摩擦學(xué)性能。在鉆井液中的螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)生以腐蝕磨損為主。隨著載荷由,薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率均隨著載荷增大(由1 N增大到7 N)而增大,磨損加劇;摩擦熱導(dǎo)致薄膜中的金剛石相向石墨相轉(zhuǎn)化。改性機(jī)理為:摩擦副接觸面平整化,摩擦熱導(dǎo)致接觸面石墨化起固體潤(rùn)滑,和金剛石碎片和石墨嵌入薄膜表面使得薄膜具備低的摩擦系數(shù)和高的耐磨性,高結(jié)合力的過(guò)渡層使得金剛石薄膜具備不易脫落的特性。(3)在利用CSM往復(fù)磨損試驗(yàn)機(jī)分析鉆井沖擊器活塞鍍膜前后摩擦學(xué)性能。在鉆井液中鉆井沖擊器活塞失效機(jī)理為磨粒磨損。隨著往復(fù)頻率增大,薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率均隨之增大(摩擦系數(shù)0.04~0.08,磨損率15~32×10-7mm3/N·mm),表面磨痕深度增加。薄膜中的石墨相增多,金剛石相減少。機(jī)理為:摩擦副接觸后,接觸面平整化;鉆井液削弱機(jī)械鎖合效應(yīng),起邊界潤(rùn)滑作用;形成轉(zhuǎn)移膜進(jìn)一步減小摩擦系數(shù)。
[Abstract]:In order to improve the wear resistance of the moving parts of ultra-deep drilled bottom power machine, the surface of wear-prone moving parts was modified by composite surface modification technology. The intermediate frequency magnetron sputtering SiC transition layer and hot filament chemical vapor deposition diamond films were used. The effects of main preparation parameters on the composition structure and surface finish of the films were discussed. The properties of uniform orientation of crystal plane, high content of diamond phase and high surface finish were obtained. The modified effect of the composite diamond film on the surface of the rotating and reciprocating parts was verified by friction and wear experiments. The modification mechanism of the composite diamond film was constructed. In order to provide theoretical basis and experimental basis for the preparation of bottom-hole power tool parts with good wear resistance, the main conclusions are as follows: (1) the composite containing SiC transition layer was prepared on high quality alloy steel 38CrMoAl substrate by hot-filament chemical vapor deposition system. Diamond films. With the volume of argon, With the increase of CH4 / H _ 2 ratio and power, the diamond film exhibits preferential growth in the crystal direction of 111), accompanied by a small amount of crystal grains in the direction of Ni _ (220). The content of sp3 phase in the film increases at first and then decreases. The maximum values of surface roughness and particle size were obtained at 30 vol.Aran 1.0 vol.%CH4/H2 and 7 KW power, respectively. The surface roughness and particle size of surface finish showed a tendency of first increasing and then decreasing. Using MS-T3000 wear tester to analyze the tribological properties of screw motor rotor sample before and after coating. The corrosion wear of screw motor rotor is dominant in drilling fluid. The friction coefficient and wear rate of the film increase with the increase of load (from 1 N to 7 N), and the friction heat results in the transformation of diamond phase to graphite phase in the film. Friction heat results in graphitization of the contact surface and solid lubrication, and diamond fragments and graphite embedded on the surface of the film make the film have low friction coefficient and high wear resistance. The transition layer with high adhesion makes diamond film easy to fall off. (3) the tribological properties of drilling percussion piston before and after coating are analyzed by using CSM reciprocating wear tester. Drilling impactor piston invalidation machine in drilling fluid. Abrasive wear. As the reciprocating frequency increases, The friction coefficient and wear rate of the film increased (friction coefficient 0.04 ~ 0.08, wear rate 1532 脳 10 ~ (-7) mm ~ (3) N 路mm ~ (-1)), wear depth increased, graphite phase increased and diamond phase decreased. The drilling fluid weakens the mechanical locking effect and plays the role of boundary lubrication, and the formation of transfer film further reduces the friction coefficient.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P634.4;TG174.4

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