石油鉆具螺紋防粘扣磷化膜性能研究

沙成斌，姜 益

(中石化江鉆石油機械有限公司，湖北 武漢 430223)

0 前 言

石油鉆具螺紋粘扣屬于黏著磨損，其主要影響因素有螺紋參數、材料性能、表面處理、上卸扣扭矩等[1，2]，防粘扣表面處理工藝主要有滲氮、鍍鋅、磷化、鍍銅、滲鋅、滲硼、鍍鎳等[3]。隨著磷化技術的不斷發展，其在石油機械制造中的應用越來越廣泛[4-10]。目前，石油鉆具螺紋防粘扣磷化工藝涵蓋了常溫涂覆磷化、常溫刷涂磷化、低溫鋅系磷化、中溫鋅鈣系磷化、中溫鋅錳系磷化、高溫錳系磷化等，其中常溫涂覆磷化效果差且效率低，高溫錳系磷化能耗高、沉渣多已較少使用，而中低溫磷化的應用越來越普遍，但針對防粘扣磷化膜性能及其應用效果的研究不足。本工作根據石油鉆具螺紋防粘扣磷化的性能需求，選取了較常用的常溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅鈣系、中溫鋅錳系等磷化膜進行性能研究，以為磷化工藝在石油鉆具螺紋防粘扣中的應用提供依據和方向。

1 試 驗

1.1 試 樣

板試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm，選用石油鉆具常用材質42CrMo調質鋼制作；螺紋試樣選擇REG 6 5/8×4牙/in錐螺紋，選用石油鉆具常用材質42CrMo調質鋼管制作。

1.2 磷化工藝

磷化工藝流程為“噴砂/清洗(常溫鋅鈣系)-水洗-磷化-水洗-吹干”，工藝參數見表1。

表1 磷化工藝參數Table 1 Phosphating process parameters

1.3 試驗方法

試驗項目及方法見表2。

表2 試驗項目及方法Table 2 Test points and methods

注：1使用中等力度將鉛筆橡皮劃過磷化膜表面，每個試樣至少測試1個位置，每個位置至少劃4次，橡皮表面應無明顯黑色殘渣，磷化膜表面應無明顯變色或脫落，無金屬基體裸露。2上卸扣試驗時，參考“抗粘扣上卸扣試驗”方法[11]進行，其中差異為：(1)第一次上扣時，根據使用需求將螺紋脂更換為厭氧膠，并在厭氧膠完全固化后卸扣，檢查并清理殘留厭氧膠；(2)后續上扣時依舊采用規定扭矩的最大值上扣，但不再涂厭氧膠以充分驗證磷化膜減摩潤滑效果。

2 試驗結果

2.1 磷化膜外觀、粗糙度及附著力

磷化膜外觀、粗糙度及附著力測試結果見表3。

表3 磷化膜外觀、粗糙度及附著力測試結果Table 3 Appearance,roughness and adhesion of phosphating films

其中，4種磷化膜均完整均勻，其中常溫鋅鈣系磷化膜呈青黑色，低溫鋅系磷化膜呈淺灰色，中溫鋅錳系磷化膜呈灰黑色，中溫鋅鈣系磷化膜呈灰色；4種磷化膜粗糙度皆不超過Ra2.5 μm，均在可接受范圍內；通過橡皮擦拭測試磷化膜附著力，常溫鋅鈣系磷化膜經橡皮擦拭后明顯變黑并有黑色殘渣，其余磷化膜無明顯變色。

2.2 磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性

磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性測試結果見表4。低溫鋅系、中溫鋅錳系及中溫鋅鈣系磷化膜膜厚均超過10 μm，膜重均超過10 g/m2，常溫鋅鈣系磷化膜的膜厚和膜重均相差明顯；低溫鋅系及中溫鋅錳系磷化膜180 s內無變色，中溫鋅鈣系磷化膜145 s變色，而常溫鋅鈣系磷化膜僅35 s即開始變色。

表4 磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性測試結果Table 4 Thickness,film weight and corrosion resistance of phosphating films

2.3 磷化膜結晶形貌

磷化膜結晶形貌見圖1。常溫鋅鈣系磷化膜呈凹凸不平的層狀結晶，并有點狀孔洞和條狀裂縫；低溫鋅系磷化膜結晶形貌以樹枝狀為主，并有少量條狀、片狀結晶，結晶尺寸都在20 μm以下；中溫鋅錳系結晶形貌以細小的、密集分布的塊狀結晶為主，并有少量片狀、條狀結晶，結晶尺寸在10 μm以下；中溫鋅鈣系磷化膜結晶形貌為片層狀結晶，上不均勻分布著片狀、條狀結晶凸起，長度為20～50 μm。

2.4 上卸扣試驗結果

上卸扣結果見表5。第一次上卸扣之后，常溫鋅鈣系磷化膜大部分隨厭氧膠呈條狀脫落，螺紋基體裸露；在隨后的第一次重復上卸扣時，螺紋即出現多個牙頂和牙側基體磨損、咬傷等粘扣現象。其余磷化膜在第一次上卸扣之后，厭氧膠粉化脫落，磷化膜未受影響；重復上卸扣過程中逐漸出現磷化膜脫落，螺紋多個牙頂和牙側出現磷化膜脫落，基體磨損、咬傷等粘扣現象，如圖2所示。

表5 上卸扣試驗結果Table 5 Results of makeup and breakout test

3 結果分析與應用討論

3.1 磷化膜性能分析

(1)常溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜，外觀上顏色差別明顯但均完整均勻，粗糙度均能滿足不超過Ra3.0 μm的使用需求；低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜膜厚均超過10 μm，膜重均超過10 g/m2，常溫鋅鈣系磷化膜的膜厚和膜重與上述3種磷化膜的比均相差明顯。

(2)橡皮擦拭和上卸扣試驗結果表明：低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜附著力良好，常溫鋅鈣系磷化膜附著力較差，不能滿足石油鉆具螺紋的使用需求。

(3)浸漬點滴法結果表明：低溫鋅系及中溫鋅錳系磷化膜耐蝕性良好，中溫鋅鈣系磷化膜耐蝕性偏差，而常溫鋅鈣系磷化膜耐蝕性較差。

(4)常溫鋅鈣系、中溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅錳系磷化膜，結晶形貌依次從層狀片狀結晶逐漸向條狀、塊狀結晶變化，結晶尺寸依次細化，磷化膜耐蝕性隨之提升，粗糙度隨之降低。

(5)上卸扣試驗結果表明，中溫鋅錳系和低溫鋅系磷化膜減摩潤滑效果較好，中溫鋅鈣系磷化膜減摩潤滑效果一般，常溫鋅鈣系磷化膜減摩潤滑效果較差。

(6)石油鉆井零件尺寸、結構多樣，加工工藝復雜，螺紋表面殘留的油污等成分不一，常溫鋅系磷化膜“化學清洗+刷涂磷化”工藝無法完全去除螺紋表面的油污和銹蝕，不清潔的表面狀態導致磷化膜成核少、生長慢，最終形成薄層狀磷化膜，膜層附著力較低且存在孔洞和裂縫，從而導致耐蝕性和減摩潤滑效果的下降。相比之下，“噴砂+浸漬磷化”工藝能夠較好地去除零件表面油污和銹蝕，從而更好保證防粘扣磷化膜的性能。

(7)根據試驗結果，結晶顆粒越細小、致密，磷化膜的表面粗糙度越低，其耐蝕性也越高，其中中溫鋅錳系磷化膜和低溫鋅系磷化膜的耐蝕性均達到了 “一般質量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求。磷化膜是一種多晶粒組合體，隨著結晶顆粒的細化和膜層厚度的增加，磷化膜對基體的保護效果也更好。

(8)石油鉆具螺紋采用磷化工藝防粘扣，屬于磷化膜“減少摩擦(促動滑動)”[13]應用中“具有大間隙的零件”[13]，其利用的是磷化膜減摩潤滑的特性。試驗結果表明：磷化膜膜厚和膜重越高，磷化結晶越細小，其有效上卸扣次數也越多，說明磷化膜的減摩潤滑效果也越好。其次，磷化膜附著力也是影響防粘扣效果的一個重要因素，如第一次上卸扣導致磷化膜大面積脫落，則后續的上卸扣中也就失去了防粘扣效果，因此選擇合適的磷化工藝和施工方式、確保磷化膜附著力也是防粘扣磷化質量控制的一個重要因素。

3.2 石油鉆具防粘扣磷化膜應用討論

石油鉆具磷化的目的有2個：一是防粘扣，利用磷化膜減摩潤滑的特性隔絕、保護摩擦副；二是耐腐蝕，石油鉆具工具零件經常需要在庫房中存放一定時期而不產生腐蝕現象。因此，石油鉆具防粘扣磷化首先要依據上卸扣次數而定?？紤]到鉆具的重復使用需求，防粘扣磷化膜減摩潤滑特性需要滿足至少3次上卸扣而不出現磷化膜損傷和粘扣現象，低溫鋅系磷化膜、中溫鋅錳系磷化膜和中溫鋅鈣系磷化膜皆可以滿足上卸扣次數需求。其次，防粘扣磷化膜需要考慮其耐蝕性。為保證零件在庫房里中短期存放不發生銹蝕，磷化膜不涂油的浸漬點滴試驗應至少滿足 “一般質量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求，低溫鋅系磷化膜和中溫鋅錳系磷化膜可以滿足耐蝕性的要求。

此外，在滿足防粘扣磷化膜使用性能的基礎上，應用低成本、高效率、低排放的磷化膜，符合綠色環保的發展需求。低溫鋅系磷化成膜溫度低，達到工作溫度快，藥液揮發少、沉渣少，更換周期長，其低成本、高效率、低排放的工藝特性更符合綠色環保要求，在生產應用中具有明顯優勢。

綜上所述，從磷化膜性能、上卸扣結果、工藝特性等方面綜合考慮，低溫鋅系磷化膜更適合應用于石油鉆具螺紋防粘扣。

4 結 論

(1)采用“噴砂+浸漬磷化”工藝能夠較好地保證防粘扣磷化膜的性能。

(2)膜厚和膜重較高、磷化結晶細小、附著力良好的磷化膜，其耐蝕性和減摩潤滑效果更好。

(3)根據磷化膜綜合性能，中溫鋅錳系和低溫鋅系磷化膜能夠滿足石油鉆具螺紋防粘扣應用需求。從磷化膜性能、上卸扣結果、工藝特性等方面綜合考慮，低溫鋅系磷化膜更適合應用于石油鉆具螺紋防粘扣。