空心抽油杆扶正器摩擦副材料和工艺

空心抽油杆扶正器摩擦副材料和工艺

马云凌 李向久 伞金福 刘清伟

摘要 在空心抽油杆扶正器外圈采用镶嵌自润滑复合材料、自润滑涂层或自润滑镀层，可以减小空心抽油杆上下冲程阻力，防止套管磨损，提高整个抽油系统的效率。介绍了镍基、铁基、铝合金基等金属基自润滑复合材料，浸渍金属碳石墨自润滑材料和聚合物基自润滑复合材料的摩擦学性能及制备工艺过程，以及两种自润滑复合材料的镶嵌方式。列举了具有良好耐磨性和减摩性的等离子喷涂、真空熔结、高压静电喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂，以及自润滑镀层等技术。

主题词 空心抽油杆 抽油杆扶正器 材料 工艺

在小井眼油井中应用空心抽油杆采油技术可节约井下设备成本25%，作业时间减少近一半。但在空心抽油杆内流动的液体使抽油杆的受力状态发生变化，下冲程阻力变大，抽油杆易产生弯曲变形，造成空心抽油杆和套管之间的干摩擦［1］，使套管与空心抽油杆磨损，为解决此问题，必须安装空心抽油杆扶正器。若在扶正器外圈采用自润滑材料作为摩擦副，既可降低摩擦系数，减小上下冲程的阻力，提高整个抽油系统效率，又可防止套管磨损。为此，可在扶正器外圈采用镶嵌自润滑材料或自润滑涂(镀)层技术来实现。

镶嵌自润滑复合材料

自润滑复合材料分为金属基自润滑复合材料和聚合物基自润滑复合材料。

1.金属基自润滑复合材料

金属基自润滑复合材料是由金属基体(连续相)、润滑相和耐磨相组成的复合材料。固体润滑剂作为组元加入到金属基体中，在摩擦过程中所含的固体润滑剂析出和弥散分布，在摩擦表面之间发生转移，形成润滑薄膜，从而降低摩擦副的摩擦系数，防止磨件磨损。

Ni基和Fe基自润滑复合材料是常用的金属基自润滑复合材料。Ni-WC-PbO、Ni-SiC-Co-Mo-PbO、Ni-WS2、Ni-CaF2、Ni-MoS2、Ni-SiC-Ag-石墨、Ni-Mo-Fe-Co-Cr-S-C和Ni-Mo-MoS2等金属基自润滑材料不仅具有良好的机械性能和自润滑性，而且具有较高的极限PV值，摩擦系数为0.12～0.35。这些材料一般采用粉末冶金法制造，热压温度1000℃～1250℃，热压压力10～20MPa，保温时间5～20min［2～7］。在铁-石墨、铁-青铜-石墨、铁-青铜-MoS2-石墨、铁-青铜-Pb-石墨等自润滑材料的孔隙中浸入润滑油，可提高耐磨性，摩擦系数小于0.12。用粉末冶金法制造铁－石墨系含油自润滑复合材料，可以在较宽范围内调节组元和孔隙率，又能实现多组元化、合金化和弥散强化等，制备工艺是：配料→混料→压制→烧结→整形（或机加工）→浸油→包装［8］。此外，采用粉末冶金法还可制备Al-Si-Cu-石墨、Cu－石墨、Cu－MoS2、Mo-MoS2、Ta-MoS2、Ta-Nb-MoS2、铝硅合金－石墨和镁合金－石墨等金属基自润滑复合材料。

铸造金属基自润滑复合材料是通过液体冶金技术,将固体润滑剂颗粒复合到合金中制造而成的,固体润滑剂颗粒可均匀弥散在合金基体中,也可以局部弥散(即固体润滑剂颗粒分布在工作面表层)在合金基体中。铝合金－石墨、铝合金－MoS2、铜合金－石墨、铝合金－3％Pb、铝合金－BN（氮化硼）、锌合金－石墨和巴氏合金－石墨等铸造金属基自润滑复合材料具有优良的减摩性、耐磨性和减震性，如

Al-9%Si-3%Cu-1%Mg-4%MoS2 、Al-9%Si-3%Cu-1%Mg-石墨的摩擦系数低于0.1［9］。铸造法是目前最经济的复合材料制备技术之一。

碳石墨材料具有良好的自润滑性和导电性,摩擦系数低,线膨胀系数小,但其强度

低且疏松，因而不适宜做机械制品，在高温、高压下使熔融的合金浸渍到碳石墨的开放气孔中，形成牢固的网状结构，从而大大提高材料的强度和致密性。碳石墨浸渍金属的制备工艺为：浸渍前毛坯的粗加工→烘干→熔化合金→预热制品→加压→泄压→取出制品。碳石墨浸渍巴氏合金、铝合金、铜合金和锑等自润滑材料均具有良好的耐磨性［10］。

2.聚合物基自润滑复合材料

在所有的聚合物材料中,聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数最低(0.04～0.15),是良好的自润滑材料,但其耐磨性较差。为了改善它的耐磨性和综合机械性能，通常向PTFE中添加玻璃纤维、碳纤维、石墨、MoS2、金属粉末及其氧化物、陶瓷材料、纳米材料、其它聚合物材料及液晶聚合物。PTFE和聚苯酯可任意比例混合，两者组成的塑料合金不仅具有优异的耐磨性和较高的极限PV值，而且具有良好的自润滑性，摩擦系数与PTFE相当，且不会损伤对磨材料。向聚四氟乙烯中加入热致液晶聚合物(TLCP)制成

TLCP/PTFE合金,其耐磨性比纯聚四氟乙烯提高100多倍。PTFE基自润滑复合材料大多采用压制烧结成型的工艺方法。

聚甲醛(POM)具有优良的自润滑性能，若在其中添加PTFE、液体润滑油(如机油、航空润滑油等)、石墨、MoS2、化学润滑剂（如二甲基硅油等）等润滑组分，可使其耐磨性和极限PV值大幅度提高，摩擦系数下降，改善成型加工性，可注射和挤出成型。 聚苯硫醚(PPS)与聚四氟乙烯混合形成PPS/PTFE合金，具有优异的耐磨性和润滑性。聚苯硫醚与酚醛树脂（PF）1:1混合，经硬化、压制成型、烧结和真空浸油处理，制成多孔聚合物含油材料，含油率高达25％，耐磨减摩性极好。

在聚醚砜中添加固体润滑剂制成的自润滑复合材料，具有很高的极限PV值、极小的摩擦系数（0.14～0.24）和磨耗量。含油MC（单体浇铸）尼龙是良好的自润滑材料（摩擦系数0.1～0.3），同时具有优异的耐磨性。

在空心抽油杆扶正器外圈镶嵌自润滑复合材料的方式有两种：一种为整体镶嵌(图1所示)，圆筒形自润滑材料和扶正器外圈之间过渡配合，用挡板固定；另一种为分块镶嵌(图2所示)，在扶正器外圈均布8个凹槽,8块自润滑材料和扶正器外圈凹槽之间过盈配合。

图1 整体镶嵌法

图2 分块镶嵌法

自润滑涂(镀)层技术

1.等离子喷涂

等离子喷涂是以等离子体为热源，将粉末材料熔化并雾化后沉积到工件表面获得

涂层。等离子喷涂涂层结合强度高，涂层质量好，沉积效率高，等离子喷涂自润滑涂层不仅具有优异的耐磨性，而且具有良好的自润滑性。如67％镍铬合金＋

16.5%CaF2+16.5%无钠玻璃、30％镍铬合金＋30%银＋25%CaF2+15%无钠玻璃两种等离子喷涂涂层均具有良好的摩擦学性能，摩擦系数0.2～0.3；70％Cr3C2+15%银＋15％共熔物涂层的摩擦系数为0.21；80％ZrO2＋20％CaF2涂层的摩擦系数为0.23～0.34［11］。聚苯酯和铝粉混合物的等离子喷涂涂层也具有良好的耐磨性和减摩性。

2.真空熔结

真空熔结技术就是采用真空熔结设备,在真空条件下,对涂敷于零件表面的某些自熔性合金粉末加热，用表面冶金的方法获得具有特殊性能的涂层。真空熔结设备的热源有电子束、电阻丝及感应加热等。90％镍基自熔合金粉末

(26%Cr,2.5%B,3.5%Si,0.7%C,5%Fe,其余为Ni）＋10％MoS2粉末混合真空熔结而成的自润滑涂层具有良好的耐磨性和减摩性，摩擦系数为0.08～0.16［12］。

3.高压静电喷涂

在工件和喷枪之间施加高压静电场，粉末经过喷枪后带上负电荷，在空气流和静电引力的作用下附着于工件表面，然后把工件移入加热炉中熔融、流平、固化。尼龙粉＋环氧树脂粉、尼龙粉＋MoS2粉、尼龙粉＋MoS2粉＋铜粉、尼龙粉＋MoS2粉＋石墨粉、氯化聚醚粉＋MoS2粉等静电喷涂涂层均具有良好的耐磨性和减摩性。

4.火焰喷涂及电弧喷涂

尼龙、超高分子量聚乙烯、聚苯醚、聚苯酯等粉末添加固体润滑剂，经火焰喷涂形成涂层，再经油浴处理后，涂层具有一定的耐磨性和自润滑性。电弧喷涂锡基或铅基轴承合金涂层经油浴处理后，也具有一定的耐磨性和减摩性。

5.自润滑镀层

电镀就是通过电解的方法在工件表面获得特殊性能的镀层，通常分为槽镀、刷镀和化学镀等。Ni-MoS2、Ni-石墨、Ni-PTFE、Ni-P-MoS2、Ni-Cu-P-MoS2、Ni-P-PTFE、Sn-Pb、Sn-Cu-Pb、Sn-In-Pb等镀层均具有良好的耐磨性和自润滑性。

尽管采用镶嵌自润滑复合材料、自润滑涂层、自润滑镀层技术都可以降低扶正器摩擦副的阻力，防止空心抽油杆和套管的磨损，但在实际应用中，还要结合具体情况，考虑每种技术与材料的工艺性和经济性，作出合适的选择。

作者简介：马云凌，女，讲师，生于1966年，1988年毕业于大庆石油学院机械系，现从事石油CAI的教学与科研工作．地址：（163255）黑龙江省大庆市．电话：（0459）5874461

作者单位：（马云凌 李向久 伞金福）大庆石油管理局职工大学

（刘清伟）大庆石油管理局采油三厂

参考文献

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12 吴运新，汪复兴，程荫芊等.镍基自润滑熔烧复合涂层的摩擦磨损特性.清华大学学报，1994，34(增3)：15～21

本文编辑 朱必兰

收稿日期：1998-12-15；修回日期：1999-03-10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q9l1.html