一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层设计及其制备方法

本发明涉及涂层制备领域，涉及一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，其目的是获得一种制备铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层的方法，为石油开采运输时，在fpso立管支撑系统锁紧卸载时，其横向油缸设备中的摩擦块的安全节能应用提供有力的技术支撑，为越来越苛刻的油气开发应用环境提供有力的设备支持。

背景技术：

1、随着油气资源的消耗日益增加，油气资源开采更多的转移到海底油田。立管系统是海底油气与浮式生产平台的唯一通道，fpso立管支撑系统作用即为保证立管在海浪、洋流等外力作用下始终处于固定的位置，保证输油管道的正常作业和输油安全。横向油缸通过液压油驱动锁紧机构对立管进行机械锁紧，抑制立管在海浪、洋流作用下发生偏移，是fpso立管支撑系统的重要组成部分。铝青铜摩擦块为横向油缸锁紧机构处的关键零部件，在特殊结构设计的前提下，需满足摩擦块与承重衬套之间的摩擦力足够高(≥1800kn)才能够保证锁紧装置不失稳。同时，摩擦块与支架/芯轴之间存在较大的摩擦力，在锁紧和卸载过程中均需消耗大量的液压油进行驱动，需对铝青铜摩擦块这三个表面进行减摩处理。

2、低温离子渗硫具有绿色、环保、对基体热影响小等优点，主要是在钢铁材料表面生成fes、mos2、ws2、zns等硫化物薄膜。fes、mos2等硫化物具备类似于石墨的层状六方结构，在摩擦力作用下易发生滑移，能够起到很好的润滑减摩作用。上海第一钢铁厂对铜瓦渗硫后摩擦系数减小，证实铜上渗硫可以减摩。在此基础上，运用低温离子渗硫在铝青铜摩擦块与支架/芯轴接触的表面制备cus、cu2s复合固体润滑薄膜，通过隔离直接接触、分解生成cuo及在摩擦力作用下发生滑移减少表面摩擦。

3、电弧热喷涂具有结合强度高、节能等突出特点，适合在铝青铜表面制备涂层提高摩擦系数。电弧喷涂增摩技术主要可以分为电弧喷涂合金涂层技术、电弧喷涂复合涂层技术、电弧喷涂阳极金属复合涂层技术。金属涂层是目前使用最普遍的增摩方式，在工程领域一般常用的热喷涂金属材料有铁、铜、锌、铝等。铝的抗剪强度约为100mpa，抗压屈服强度小于20mpa，比值较大，且通过电弧喷涂后形成的涂层粗糙度大，具备较为理想的增摩涂层表征特性要求。运用电弧喷涂在铝青铜摩擦块与承重衬套接触的表面制备al涂层，可以达到很好的增摩效果，保证在海浪等外力作用下锁紧装置不失稳。

技术实现思路

1、本发明旨在开发一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，为海底石油开采时，立管支撑系统海下作业时，其横向锁紧设备横向油缸中的铝青铜摩擦块基体的节能安全使用提供有力的技术支撑。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、该铝青铜摩擦块与芯轴/支架接触的三个表面运用低温离子渗硫技术制备cus、cu2s复合涂层，与承重衬套接触的表面运用电弧喷涂制备al涂层。

4、为方便后续组织结构及摩擦学性能表征，将试样制备成15*15*10mm的长方体小块。

5、由于低温离子渗硫对基体粗糙度有要求，为提高渗硫层厚度、结合强度，对基体进行前处理。采用砂纸将基体打磨至2000#，然后放入酒精溶液中进行超声清洗，去除表面油污与杂质。

6、为了使al涂层与铝青铜基体结合的更为良好，需在电弧喷涂之前对铝青铜表面进行除油除锈及喷砂处理。

7、一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1：试样预处理：采用砂纸将铝青铜基材四个侧面打磨至800#，上表面打磨至2000#，下表面打磨至240#，将打磨完毕的试样放入酒精中超声清洗5min，水洗后用酒精清洗吹干备用。将处理好的其中一个试样打一个的圆孔，作为低温离子渗硫的标样，用于渗硫过程中测量试样温度。

9、步骤2：渗硫前处理：将试样放置到渗硫炉阴极盘上，试样2000#打磨的面朝上，并将热电偶插入标样圆孔中，降炉子直至完全闭合。打开炉体与真空机的水循环，打开旋片泵与挡板阀对渗硫炉进行抽真空处理，抽至30-40mpa后停止抽真空。

10、步骤3：低温离子渗硫处理：打开氢气阀和氩气阀，然后开启电源，调节电压、真空度、气体含量对试样升温处理，在达到设定温度的前2min开启硫化氢气阀，并将氩气用量减小一半。达到设定温度后进行保温处理，直至达到设定保温时间后关闭电源，炉冷至室温后拿出密封保存。

11、步骤4：喷砂预处理：将渗硫后的试样底面进行喷砂预处理，喷砂所用材料为白刚玉(24目)，喷砂完成之后用乙醇超声清洗15min，以去除表面残留的磨料，再置于真空干燥箱中于60℃下保温24h。

12、步骤5：电弧喷涂处理：首先利用中性火焰在100-150℃条件下对铜基体材料进行预热处理，预热处理后在铜基体上进行电弧喷涂实验。优化喷涂工艺参数，采用孔隙率和结合强度作为性能指标选取最优参数进行电弧喷涂处理。

13、一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，其特征在于，所述步骤3中离子渗硫保温阶段实验参数为：电压610v，真空度300mpa，气体比例为h2:ar:h2s＝300:10:15，保温温度220℃，保温时间2h。

14、一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，其特征在于，所述步骤4中喷砂处理参数为：喷涂距离200mm，气压0.55mpa，喷涂角度90℃。

15、一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层及其制备方法，其特征在于，所述步骤5中电弧喷涂参数为：电流160-180a，电压34v，气压0.7mpa，喷涂距离140-150mm。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)本发明采用低温离子渗硫与电弧喷涂同时应用于一个零部件表面制备不同摩擦效果的涂层，其操作简单，成本低，效率高，且低温离子渗硫和电弧喷涂均为表面处理工艺，对基体影响小，便于工业生产中进行推广应用。

18、(2)本发明首次在铝青铜表面进行低温离子渗硫处理，制取均匀、致密、结合良好的cus、cu2s复合硫化物固体润滑膜层，为低温离子渗硫工艺在有色金属方面的应用开拓了新思路，提高了低温离子渗硫工艺的应用潜力。

19、(3)本发明制备的铝青铜摩擦块表面的增摩涂层具有较高摩擦系数，能够完美满足fpso立管支撑系统其横向油缸设备中的摩擦块安全作业的特殊要求，在海底油气开发过程中防止管道波动引起破裂，满足越来越苛刻的油气开发应用环境的需要。能够大幅提高投产效率，降低作业成本，减小fpso立管系统作业时油气泄露机率。

20、(4)本发明制备的铝青铜摩擦块不同表面的增摩、减摩涂层具有不同的摩擦学特性，也可应用于干摩擦环境下不同表面有不同摩擦性能要求的零部件，钢铁材料零部件同样适用。

技术特征：

1.一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层设计及其制备方法，其特征在于该铝青铜摩擦块与芯轴/支架接触的三个表面运用低温离子渗硫技术制备cus、cu2s复合涂层，与承重衬套接触的表面运用电弧喷涂制备al涂层。

2.根据权利要求1所述的一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层设计及其制备方法，其特征在于表面增摩涂层摩擦系数要结合特定的结构设计使摩擦力达到1800kn。

3.根据权利要求1所述的一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层设计及其制备方法，其特征在于表面增摩涂层和减摩涂层制备方法包括以下步骤：

技术总结本发明一种铝青铜摩擦块不同表面增摩和减摩涂层设计及其制备方法，涉及涂层制备领域。采用低温离子渗硫技术制造基体表面减摩涂层，涂层主要物相为CuS和Cu2S，二者协同减摩，摩擦系数约0.25，基体相比降低37.5％，磨痕宽度也较基体减少13％，呈现出优异的减摩耐磨性能。采用电弧喷涂技术制备Al涂层，涂层物相较为单一，摩擦系数高达0.8，且未出现磨穿现象，满足铝青铜摩擦块与承重衬套之间的摩擦力要求。通过不同表面处理工艺制备的摩擦学性能涂层能够完美满足铝青铜摩擦块在海浪、洋流作用下安全作业的相关要求，且该制备方法还能够适用于钢铁材料，为不同表面具有不同摩擦学要求的零件设计与制备提供了有效思路。技术研发人员：王芹,韩彬,亓富豪,胡春阳,杨鹏受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/6/5