本发明属于泥浆泵技术领域，具体涉及一种耐磨的泥浆泵泵轴及其制备方法。
背景技术：
泥浆泵是地质钻探设备的心脏，它是固井、压裂、酸化等作业中的关键设备之一，它在石油化工、煤气化工工程、电站、矿山开采、船舶等行业中也起着重要的作用。泥浆泵属于往复泵，能输送高粘度、高含沙量及含磨砺性固体颗粒的液体。
泥浆泵的构造包括设置于泵体内的叶轮泵轴动力组件和泵体所形成的泵腔及其内的叶轮，其进料口设置于泵体轴向的一侧端面，泵体的另一轴向侧端口与泵轴之间设置有密封机构，该密封机构的轴承侧密封圈组和叶轮侧密封圈组之间设有润滑油室，其叶轮侧密封圈组直接密封作用于泵轴和叶轮后端面上。现有技术中普遍认知的是，当泥浆泵输送粘稠的含有小颗粒物的物料时，叶轮高速旋转，小颗粒物会给叶轮的叶片带来较大的冲击力，在使用一段时间后，部分叶片的磨损较大，甚至发生局部叶片的断裂，为了不影响泥浆泵的生产，叶轮的质量非常重要。其实，在泥浆泵中，泵轴受到的磨损也不容忽视，如果泵轴在长期的使用过程中受到磨损而未得到及时的重视，泥浆泵的密封性能会受到很大的影响，可能造成设备损毁的事故。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种泥浆泵泵轴的制备方法，该泵轴具有优异的耐磨性能，从而确保泥浆泵泵轴的密封性能，确保其具有较长的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法，包括以下步骤：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.5～4.0％、cr0.2～0.6％、si1.5～2.8％、ti0.05～0.12％、nb0.4～0.8％、al12～15％、mn4.8～5.2％、cu1.0～1.5％、zn1.8～2.2％、in0.35～0.40％、as0.01～0.05％、sb0.05～0.08％、bi0.04～0.08％、yb0.02～0.06％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)将微米级氧化铝和纳米级氧化铝按质量比为1：(3～5)称量并放入高速混合机中混合3～5min，接着加入上述物料总重量0.1～0.5％的金属镍粉，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥；接着在惰性气体的保护下于120～150℃的温度下加热3～5h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到所述的泥浆泵泵轴。
优选的，步骤(1)中，所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.8％、cr0.4％、si1.9％、ti0.08％、nb0.6％、al14％、mn4.9％、cu1.3％、zn1.9％、in0.39％、as0.03％、sb0.06％、bi0.06％、yb0.03％、余量为fe和不可避免的杂质。
优选的，所述的步骤(3.1)中，泵轴表面粗化的方法为喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛中的一种。
优选的，步骤(3.2)中，微米级氧化铝的粒径为0.2～10μm；
纳米级氧化铝的粒径为5～50nm。
优选的，步骤(3.2)中，硅烷偶联剂的添加量为微米级氧化铝和纳米级氧化铝总重量的0.5～2.5％。
优选的，步骤(3.2)中，真空干燥的工艺为，真空度为0.05～0.35mpa，干燥温度为40～50℃。
优选的，步骤(3.3)中，所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为18～20bar，流量为300～800slpm，氢气的压力为4～5bar，流量为40～60slpm，辅助气体甲烷的压力为1～3bar，流量为5～10slpm，氮气的压力为3～9bar，流量为10～20slpm，送粉速度为50～100g/min，喷涂距离为150～300mm。
本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的耐磨的泥浆泵泵轴。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中，泵轴坯料的c含量为3.5～4.0％，碳含量较高，确保了泵轴具有较高的初始强度；泵轴坯料中的nb和ti两种微量元素，与mn协同配合，共同提高了泵轴的强度和硬度；此外，nb和ti两种微量元素还可以细化晶粒，弥散强化；所述的cr与yb配合，提高了泵轴坯料的淬透性，从而使得泵轴坯料在渗碳淬火时提高内层的强度；
本发明中，在泥浆泵泵轴的表面热喷涂微米级氧化铝和纳米级氧化铝的混合粒子，该热喷涂的方法不仅提高了泵轴表面粒子的致密性，还进一步的优化了粒子间、界面处的应力状态，有效的提高了涂层的强度和韧性，确保了泥浆泵泵轴在使用过程中的耐磨性能，延长其使用寿命；
本发明中，与微米级氧化铝和纳米级氧化铝共混的金属镍粉作为热喷烧的甲烷气体的裂解催化剂，在泵轴表面生成碳纳米管，该碳纳米管不仅具有较高的强度，还可以进一步的提高对外部输送介质的屏蔽效果，确保泵轴的密封效果。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法，包括以下步骤：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.5～4.0％、cr0.2～0.6％、si1.5～2.8％、ti0.05～0.12％、nb0.4～0.8％、al12～15％、mn4.8～5.2％、cu1.0～1.5％、zn1.8～2.2％、in0.35～0.40％、as0.01～0.05％、sb0.05～0.08％、bi0.04～0.08％、yb0.02～0.06％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1000～1050℃，终锻温度为800～850℃，两火成型，锻造比为3-4，锻后采用快冷到300～350℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)将微米级氧化铝和纳米级氧化铝按质量比为1：(3～5)称量并放入高速混合机中混合3～5min，接着加入上述物料总重量0.1～0.5％的金属镍粉，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥；接着在惰性气体的保护下于120～150℃的温度下加热3～5h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到所述的泥浆泵泵轴。
进一步优选的，所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.8％、cr0.4％、si1.9％、ti0.08％、nb0.6％、al14％、mn4.9％、cu1.3％、zn1.9％、in0.39％、as0.03％、sb0.06％、bi0.06％、yb0.03％、余量为fe和不可避免的杂质。
本发明中，泵轴表面粗化的目的在于提高表面粗糙度，提高其与热喷涂粒子的结合面积和结合效率。步骤(3.1)中，泵轴表面粗化的方法为喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛中的一种。
本发明中，所述的微米级氧化铝的粒径为0.2～10μm；纳米级氧化铝的粒径为5～50nm。
本发明中，硅烷偶联剂的作用在于对微米级氧化铝和纳米级氧化铝进行改性处理，经其改性处理的微米级氧化铝和纳米级氧化铝之间形成了部分共价键，从而利于热喷涂的实施。所述硅烷偶联剂的添加量可以在较宽的范围内选择，作为优选的，所述的硅烷偶联剂的添加量为微米级氧化铝和纳米级氧化铝总重量的0.5～2.5％。
所述的硅烷偶联剂为甲基三甲氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、g-氨丙基三乙基硅烷、g-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或其组合。
本发明中，真空干燥的工艺为，真空度为0.05～0.35mpa，干燥温度为40～50℃。
本发明中，所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为18～20bar，流量为300～800slpm，氢气的压力为4～5bar，流量为40～60slpm，辅助气体甲烷的压力为1～3bar，流量为5～10slpm，氮气的压力为3～9bar，流量为10～20slpm，送粉速度为50～100g/min，喷涂距离为150～300mm。
以下通过具体的实施例对本发明提供泥浆泵泵轴的表面处理工艺的优点做进一步的说明。
实施例1
一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.8％、cr0.4％、si1.9％、ti0.08％、nb0.6％、al14％、mn4.9％、cu1.3％、zn1.9％、in0.39％、as0.03％、sb0.06％、bi0.06％、yb0.03％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1020℃，终锻温度为830℃，两火成型，锻造比为3.5，锻后采用快冷到320℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行喷砂处理，使其表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)称取200g微米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-3)和800g纳米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-1)，然后将其放入高速混合机中混合4min，接着加入3g金属镍粉(购自长沙立优金属材料有限公司、牌号为lnc-i(粒径为0.4μm))，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入10g甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥，所述真空条件为真空度为0.20mpa，干燥温度为45℃；接着在氮气的保护下于130℃的温度下加热4h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到表面处理的泥浆泵泵轴。
所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为19bar，流量为500slpm，氢气的压力为4bar，流量为50slpm，辅助气体甲烷的压力为2bar，流量为8slpm，氮气的压力为6bar，流量为15slpm，送粉速度为70g/min，喷涂距离为250mm。
实施例2
一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.5％、cr0.2％、si1.5％、ti0.05％、nb0.4％、al12％、mn4.8％、cu1.0％、zn1.8％、in0.35％、as0.01％、sb0.05％、bi0.04％、yb0.02％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1000℃，终锻温度为800℃，两火成型，锻造比为3，锻后采用快冷到300℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行喷砂处理，使其表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)称取200g微米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-3)和600g纳米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-1)，然后将其放入高速混合机中混合3min，接着加入4g金属镍粉(购自长沙立优金属材料有限公司、牌号为lnc-i(粒径为0.4μm))，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入20g甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥，所述真空条件为真空度为0.05mpa，干燥温度为40℃；接着在氮气的保护下于120℃的温度下加热5h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到表面处理的泥浆泵泵轴。
所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为18bar，流量为300slpm，氢气的压力为4bar，流量为40slpm，辅助气体甲烷的压力为1bar，流量为5slpm，氮气的压力为3bar，流量为10slpm，送粉速度为50g/min，喷涂距离为150mm。
实施例3
一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c4.0％、cr0.6％、si2.8％、ti0.12％、nb0.8％、al15％、mn5.2％、cu1.5％、zn2.2％、in0.40％、as0.05％、sb0.08％、bi0.08％、yb0.06％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1050℃，终锻温度为850℃，两火成型，锻造比为4，锻后采用快冷到350℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行喷砂处理，使其表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)称取200g微米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-3)和1000g纳米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-1)，然后将其放入高速混合机中混合5min，接着加入1.2g金属镍粉(购自长沙立优金属材料有限公司、牌号为lnc-i(粒径为0.4μm))，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入24g甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥，所述真空条件为真空度为0.35mpa，干燥温度为50℃；接着在氮气的保护下于150℃的温度下加热3h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到表面处理的泥浆泵泵轴。
所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为20bar，流量为800slpm，氢气的压力为5bar，流量为60slpm，辅助气体甲烷的压力为3bar，流量为10slpm，氮气的压力为9bar，流量为20slpm，送粉速度为100g/min，喷涂距离为300mm。
对比例1
本实施例提供的泥浆泵泵轴的表面处理工艺与实施例1中的处理工艺基本相同，不同的是，在步骤(2)中，仅采用微米级氧化铝，其余不变，得到表面处理后的泥浆泵泵轴。
具体的，一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.8％、cr0.4％、si1.9％、ti0.08％、nb0.6％、al14％、mn4.9％、cu1.3％、zn1.9％、in0.39％、as0.03％、sb0.06％、bi0.06％、yb0.03％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1020℃，终锻温度为830℃，两火成型，锻造比为3.5，锻后采用快冷到320℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行喷砂处理，使其表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)称取1000g微米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-3)，然后将其放入高速混合机中混合4min，接着加入3g金属镍粉(购自长沙立优金属材料有限公司、牌号为lnc-i(粒径为0.4μm))，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入10g甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥，所述真空条件为真空度为0.20mpa，干燥温度为45℃；接着在氮气的保护下于130℃的温度下加热4h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到表面处理的泥浆泵泵轴。
所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为19bar，流量为500slpm，氢气的压力为4bar，流量为50slpm，辅助气体甲烷的压力为2bar，流量为8slpm，氮气的压力为6bar，流量为15slpm，送粉速度为70g/min，喷涂距离为250mm。
对比例2
本实施例提供的泥浆泵泵轴的表面处理工艺与实施例1中的处理工艺基本相同，不同的是，在步骤(2)中，仅采用纳米级氧化铝，其余不变，得到表面处理后的泥浆泵泵轴。
具体的，一种耐磨的泥浆泵泵轴的制备方法：
(1)浇注泵轴坯料；
所述的泵轴坯料中包括以下重量百分比的化学成分：c3.8％、cr0.4％、si1.9％、ti0.08％、nb0.6％、al14％、mn4.9％、cu1.3％、zn1.9％、in0.39％、as0.03％、sb0.06％、bi0.06％、yb0.03％、余量为fe和不可避免的杂质；
(2)锻压成型；
锻造时要轻锤慢打，反复鐓拔，将材料心部组织击碎，始锻温度控制在1020℃，终锻温度为830℃，两火成型，锻造比为3.5，锻后采用快冷到320℃然后坑冷或砂冷；
(3)表面处理；
(3.1)对泵轴进行喷砂处理，使其表面粗化，然后将其浸没到质量分数为95％的乙醇溶液中润洗；
(3.2)称取1000g纳米级氧化铝(购自安徽科润纳米科技有限公司kr-al2o3-1)，然后将其放入高速混合机中混合4min，接着加入3g金属镍粉(购自长沙立优金属材料有限公司、牌号为lnc-i(粒径为0.4μm))，搅拌均匀后下料至搅拌桶中，加入10g甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，将其置于真空条件下干燥，所述真空条件为真空度为0.20mpa，干燥温度为45℃；接着在氮气的保护下于130℃的温度下加热4h，然后研磨得到粉末混合物；
(3.3)以甲烷作为辅助气体，采用超音速火焰喷涂的方式将步骤(3.2)中粉末混合物喷烧至步骤(3.1)中的泵轴表面，得到表面处理的泥浆泵泵轴。
所述超音速火焰喷涂的喷涂参数为，采用氧气作为助燃气，氢气作为燃气，氮气作为送粉气体；
所述氧气的压力为19bar，流量为500slpm，氢气的压力为4bar，流量为50slpm，辅助气体甲烷的压力为2bar，流量为8slpm，氮气的压力为6bar，流量为15slpm，送粉速度为70g/min，喷涂距离为250mm。
对比例3
本实施例提供的泥浆泵泵轴的表面处理工艺与实施例1中的处理工艺基本相同，不同的是，在步骤(3.2)中，并不添加镍粉，其余处理工艺不变。
性能测试：
1、表面硬度测试
采用硬度计(上海钜晶精密仪器制造有限公司，图像分析显微硬度计hv-1000is)测试上述实施例中经表面处理的泥浆泵泵轴，以未经上述实施例的表面处理工艺处理的泥浆泵泵轴作为空白组，并将测试结果汇总到表1中。
2、耐磨性测试
对上述实施例中经表面处理的泥浆泵泵轴进行磨耗试验，采用美国nanovea公司生产的t50型万能摩擦磨损试验机，试验条件为1500rpm，载荷20n，轴向力2n，记录磨损5h后的磨损率，并将测试结果汇总到表1中。
表1：
结合上述测试数据可以看出，在对比例1中，虽然经过了类似本发明的热喷涂方法在泥浆泵的泵轴表面沉积粒子层，但是粒子的粒径过于单一，其硬度表现较差；对比例2中采用纳米级的粒子，其堆积的致密性稍好于对比例1，其维氏硬度稍高；
采用本发明实施例1、2、3的复合粒径的方式，得到的泥浆泵的泵轴的硬度较高。
在磨损测试方面，对比例1、2所展现出的磨损率还高于未经处理的泵轴，这是因为经热喷涂的粒子层的致密性差，被磨损掉了。而本发明提供的实施例1、2、3均表现出较为优异的耐磨性能。
对比例3中缺少了镍粉的存在，在热喷涂的过程中，碳纳米管的生成减少了，从而降低了整体的粒子层的强度，此外，耐磨损的能力也降低了。
在磨损工况下，粒子间的弱结合力导致了热喷涂涂层的抗磨损能力的下降，本发明采用复合粒径的氧化铝粒子和掺杂在其中的金属镍粉构成热喷涂涂层，该复合粒径的氧化铝粒子相比较于单一粒径的氧化铝粒子，抑制了外应力作用下容易出现的涂层裂纹，提高了热喷涂涂层在横向以及纵向的耐应力效果，从而确保了其具有优异的耐磨损性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。