[发明专利]一种螺杆钻具转子表面强化复合层及其加工工艺

说明书

技术领域

本发明属于石油地质钻探螺杆工具的材料技术领域，特别涉及一种螺杆钻具转子表面强化工艺。

背景技术

螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、万向轴总成、马达总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。马达总成由定子和转子组成，定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋，转子是一根有硬层的螺杆。转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。

马达总成是衡量螺杆钻具制造水平的核心部件，而马达总成中转子部件的表面强化是其关键点之一，转子表面要求硬度高、耐磨粒磨损、耐冲蚀、耐泥浆腐蚀。目前国内外所生产的转子的表面大都采用传统电镀硬铬强化工艺，在转子表面电镀一层硬铬层，硬铬层具有硬度高、耐磨、耐蚀、成本低的优点，但其在具有腐蚀性的盐水饱和泥浆介质、含硫化氢井段中长时间使用，镀层极易出现大面积点蚀，甚至脱铬现象，严重时导致整个马达总成报废，直接影响螺杆钻具的使用寿命。其原因在于普通硬铬层硬度高、硬铬层内部微观存在很多微裂纹，不可避免地会产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质(如氯离子、硫离子)通过微裂纹从表面渗透至界面而腐蚀转子基体(通常为钢材料)，使得硬铬层表面出现锈斑、点蚀甚至剥落现象。

美国专利US 5395221公开了一种表面涂覆强化碳化物或硼化物涂层的螺杆转子，采用该技术处理的转子能够耐盐水等腐蚀性介质的钻井环境，同时具有更好的耐磨性，但缺点是成本高昂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种螺杆钻具转子表面强化复合层及其加工工艺，其成本低廉、操作简单，而且采用该工艺处理后的螺杆钻具转子具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，适用于盐水饱和泥浆介质的钻井环境。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

提供一种螺杆钻具转子表面强化复合层，所述强化复合层从转子表面往外依次分为底层、硬铬层，所述底层为乳白铬层或由半光亮镍层和光亮镍层组成的双镍层。

按上述方案，所述乳白铬层厚度为0.001-0.30mm；所述半光亮镍层厚度为0.02-0.05mm，光亮镍层厚度为0.005-0.03mm，并且半光亮镍层和光亮镍层组成的双镍层厚度为0.03-0.08mm；所述硬铬层厚度为0.01-0.50mm。

优选的是，所述硬铬层厚度为0.01-0.3mm。

优选的是，所述强化复合层厚度为0.15-0.35mm。

本发明还提供上述螺杆钻具转子表面强化工艺：先在转子表面电镀底层，底层为乳白铬层或由半光亮镍层和光亮镍层组成的双镍层，再电镀硬铬层，底层与硬铬层形成复合镀层增强转子表面强度。

为了获得强度和耐腐蚀性良好的螺杆钻具转子，本发明对所述复合镀层各层的厚度进行了优选。

按上述方案，所述双镍层制备工艺为先镀半光亮镍层，再镀光亮镍层，所述半光亮镍层厚度为0.02-0.05mm，光亮镍层厚度为0.005-0.03mm，并且半光亮镍层和光亮镍层组成的双镍层厚度为0.03-0.08mm。

按上述方案，所述电镀半光亮镍层的工艺条件为：电镀槽液成分为：硫酸镍280-320g/L、氯化镍38-47g/L、硼酸45-50g/L、润湿剂1-3ml/L、光亮剂适量，工艺参数为：温度52±2℃、阴极电流密度2.5-4.5A/dm²、pH3.6-4.5；

电镀光亮镍层的工艺条件为：电镀槽液成分为：硫酸镍200-240g/L、氯化镍75-150g/L、润湿剂1-3mL/L、光亮剂5-40mL/L，工艺参数为：温度52±2℃、阴极电流密度3-5A/dm²、pH3.5-4.4。

优选的是，所述润湿剂为十二烷基硫酸钠或2-乙基己基硫酸钠。

优选的是，所述光亮剂为丙炔醇、丁炔二醇、丙氧基丁炔二醇中的一种。

按上述方案，所述乳白铬层厚度为0.001-0.30mm；

电镀乳白铬层工艺条件为：电镀槽液成分为：铬酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三价铬(Cr³⁺)2-8g/L，工艺参数为：温度65-75℃、阴极电流密度15-35A/dm²；或

电镀槽液成分为：铬酐180-350g/L、硫酸1.8-3.5g/L、三价铬2-8g/L、硬铬添加剂20mL/L，工艺参数为：温度80-85℃、阴极电流密度15-35A/dm²。