用于螺杆钻具转子表面的镍基多元复合涂层的制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及涂层制备领域，更具体地，本发明涉及一种低成本、高性能的镍基多元 复合涂层的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 在钻探领域，螺杆钻具的使用寿命主要取决于转子的性能，常规转子通常采用电 镀铬处理，由于电镀铬形成的涂层不均匀，导致转子波谷处耐蚀性以及波峰处耐磨损性能 差，转子不能满足长期使用的需求，尤其是镀铬转子在盐水泥浆中的寿命很低。另外镀铬过 程中产生的废液会对环境产生严重的污染。碳化钨爆炸喷涂是目前常用的盐水泥浆中使用 转子表面处理方法，但这种方法形成的涂层不仅与基体的结合力较差，会在运输、装配或拆 卸时因碰撞等原因引起掉块或脱落，导致无法正常使用。
[0003] 因此，急切需要开发一种用于螺杆钻具转子表面上的复合涂层，使其制备工艺对 环境的污染尽可能小，且所制备的涂层需要具有高的硬度和优异的耐磨耐腐蚀性能。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明旨在提供一种用于螺杆钻具转子表面的 镍基多元复合涂层的制备工艺。所述镍基多元复合涂层的制备采用非电解工艺沉积涂层， 其加工成本低，并且相较于常用的电镀铬工艺，不会对环境造成严重污染，更符合环保的发 展和生产理念。
[0005] 技术方案
[0006] 本发明的一个方面提供了所述用于螺杆钻具转子表面的镍基多元复合涂层的制 备工艺，所述制备工艺包括以下步骤：
[0007] (1)转子表面预处理：将转子表面用2000目砂纸打磨光滑；
[0008] ⑵除油：将经步骤⑴处理的转子放置于含量为5~10 %的Na2C03溶液中，同时 采用超声波清洗，清洗20~40min，除去转子表面的油脂，再用去离子水洗净，吹干；
[0009] (3)活化：将经步骤⑵处理的转子放置于浓度为3~5 %的盐酸溶液中，浸泡5~ 8min中，再用去离子水洗净，吹干；
[0010] (4)制备涂料溶液：按质量百分比，将1.8-2.0%的钨酸钠、0.002-0. 006 %的硫 脲、2. 4-2. 6 %的硫酸镍、1. 3-1. 6 %的次磷酸钠、0. 6-0. 9 %的甘氨酸和1. 3-1. 5 %醋酸 钠，余量为去离子水混合，采用机械搅拌将溶液混合均匀，并将混合溶液的pH值调控在 4. 0-4. 3范围内，从而制备出涂料溶液；
[0011] (5)复合涂层的制备：在140r/min的恒速机械搅拌下，将经过预处理转子基体置 入加热至80-82°C，的涂料溶液中保持一定时间，所述涂料溶液在酸性条件下发生非电解工 艺沉积涂层，涂层沉积速度为15~18 μ m/h，当所述复合涂层达到0. 03-0. 27 μ m厚度时， 在机械搅拌的情况下，基于步骤（4)中涂料溶液的重量，按重量比向涂料溶液中添加2. 3至 2. 6%的微米级固体颗粒，使所述固体颗粒均匀弥散在所述涂料溶液中，继续反应，直至复 合涂层厚度达到约0. 05至0. 4mm的范围；
[0012] (6)热处理：将步骤（5)涂覆处理后的转子用去离子水洗净，吹干。放入热处理炉 中，在350~400°C下保温30~90min。
[0013] 其中所述步骤5)至少进行1小时，优选可以进行1-12小时。
[0014] 其中，所述微米级固体颗粒是碳化硅、碳化硼或金刚石的微米级固体颗粒，优选为 碳化娃颗粒。所述固体颗粒的粒径为〇. 5-3 μ m。
[0015] 本发明的另一个方面提供了一种根据本发明的制备工艺表面镀有所述镍基多元 复合涂层的螺杆钻具转子。
[0016] 有益效果
[0017] 根据本发明的镍基多元复合涂层中镍、磷以及钨等元素间形成化学键，可以与转 子基体牢牢结合，同时存在的钨元素有助于提高复合涂层的抗腐蚀性与耐磨性，而加入的 固体颗粒则镶嵌在所述复合涂层中共同形成耐磨、抗腐蚀的表面复合材料，使涂层硬度数 倍增强，从而使转子表面具备高硬度、高结合力和优异的耐蚀性，在有利于环保的同时能够 提高产品的使用性能与使用寿命。另外，涂料溶液中含磷组分的加入使得涂层表面的硬度、 耐磨性大大提升。因所述镍基多元复合涂层是在转子基体表面均匀沉积形成的，所以在转 子线型的波峰、波谷以及波峰波谷之间的涂层厚度相同。
【附图说明】
[0018] 图1为根据本发明所述的镍基多元复合涂层表面固体颗粒（SiC)的分布图 (400 X)；
[0019] 图2为根据本发明所述镍基多元复合涂层的剖面金相照片（500X);
[0020] 图3为根据本发明中所述的螺杆钻具转子的横截面示意图；
[0021] 图4为根据本发明中所述的螺杆钻具定子和转子啮合的横截面示意图。
【具体实施方式】
[0022] 在下文中，将通过具体实施例进一步详细解释本发明，但以下描述仅用于使本发 明所属技术领域的普通技术人员更清楚地理解本发明的原理和精髓，不视为对本发明进行 任何形式的限制。
[0023] 根据本发明的制备工艺中涂料溶液的成分中所述钨酸钠为钨源，硫酸镍为镍源， 次磷酸钠为还原剂，硫脲为抑制溶液自发分解的稳定剂，醋酸钠为缓冲剂，甘氨酸为络合 剂。
[0024] 根据本发明的制备工艺制备的镍基多元复合涂层包括微米级固体颗粒，所述微米 级固体颗粒均匀地镶嵌于所述复合涂层中，并且所述固体颗粒的粒径为〇. 5-3 μ m。如果所 述固体颗粒的粒径小于〇. 5 μ m，则易发生团聚；而如果所述固体颗粒的粒径大于3 μ m，则 固体颗粒与涂层的结合力不够，而容易造成固体颗粒的剥离。
[0025] 根据本发明制备的镍基多元复合涂层，其厚度为0. 05-0. 4mm，但不限于此，可以根 据不同使用环境下的转子选择不同厚度涂层。涂层过薄，则涂层与转子基体结合力差；而涂 层过厚，则容易掉块。例如当涂层厚度为大约1mm时，制备所需时间较长而且已无必要。所 述镍基多元复合涂层的厚度在〇. 05-0. 4_的范围具有足够的耐磨性和耐腐蚀性。
[0026] 根据本发明的镍基多元复合涂层的制备工艺，其中在非电解工艺沉积涂层的过程 中，硫酸镍中的镍离子和钨酸钠中的钨离子通过与涂料溶液中的次磷酸钠发生氧化还原反 应，镍离子和钨离子被还原成金属镍和钨原子，同时次磷酸根离子被氧化成高价磷酸根离 子，此过程涉及到具体化学反应式如下所示。在这个过程中，加入的所述固体颗粒与所述镍 和钨原子发生物理吸附和共沉积。
[0027]
[0031] 实施例1 :镍基多元复合涂层的制备
[0032] 对直径为172mm的5:6头的转子表面进行镍基多元复合涂层制备，其步骤如下：
[0033] (1)转子表面预处理：将直径为172mm的5:6头的转子表面用2000目砂纸打磨光 滑；
[0034] (2)除油：将经步骤⑴处理的转子放置于含量为5%的Na2C03溶液中，同时采用 超声波清洗，清洗30min，除去转子表面的油脂，再用去离子水洗净，吹干；
[0035] (3)活化：将经步骤（2)处理的转子放置于浓度为3%的盐酸溶液中，浸泡5min 中，再用去离子水洗净，吹干；
[0036] (4)制备涂料溶液：按质量百分比，将2. 0%的钨酸钠、0. 004%的硫脲、2. 4%的硫 酸镍、1. 4 %的次磷酸钠、0. 7 %的甘氨酸、1. 3 %醋酸钠，余量为去离子水混合，采用机械搅 拌将溶液混合均匀，用硫酸控制溶液的pH值在4. 2,温度为88°C，转速为120r/min的机械 搅拌，从而制备出涂料溶液；
[0037] (5)复合涂层的制备：在140r/min的恒速机械搅拌下，将经过预处理转子基体置 入加热至81°C的涂料溶液中，所述涂料溶液在酸性条件下发生非