钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究

轴承组件是牙轮钻头、涡轮钻具最关键和最薄弱的环节，其主要的失效形式是胶合，亦即严重的粘着磨损。胶合的特征是轴承滑动面沿摩擦方向形成撕痕、刮擦、涂抹和粘焊。粘着磨损一开始可能是轻微的和局部的，如果引起胶合的因素未解除并继续恶化，则胶合将迅速扩展。
　　胶合开始发生在轴承组件摩擦面润滑油膜遭到破坏而形成金属直接接触的部位，摩擦面粘着区沿摩擦方向受到剪切而撕伤、咬焊甚至卡死，造成井下涡轮钻具或牙轮钻头彻底失效。胶合的条件首先是油膜破裂，然后才是两金属面的接触粘焊。
　　在苛刻严酷的工况条件下，受尺寸和结构的严格限制，牙轮钻头、涡轮钻具的轴承组件无法得到充分润滑，这是胶合初始发生和扩展的主要原因之一。现文拟对牙轮钻头、涡轮钻具轴承组件表面进行MoS2滑化处理，在轴承表面形成优异而特殊的滑化薄膜，在高速重载下发挥其优异的减摩及抑制胶合的功效。
　　1 滑化处理前试件的准备
　　试件采用牙轮钻头和涡轮钻具轴承组件常用的优质合金渗碳钢。
用优质合金渗碳钢制造的试件参照GB12444.1-90《金属摩擦磨损试验方法MM型试验机试样规范》。上、下试样滑化处理前进行渗碳渗硼处理，这是为了考察MoS2滑化处理对其他处理的影响，并使试件得到初始强化。上、下试件预备处理规程如下。
a)渗碳RJJ-75型井式炉，930℃，12h渗碳，入石棉箱自然冷却。渗碳层深1.5～2.0 mm，表层碳浓度0.90%～1.05%，表面硬度HRC59～62。
b)回火180～190℃，保温4h。
c)渗硼气氛炉内910℃，6h固体渗硼，渗硼层深0.08～0.10mm，渗硼组织为单相Fe2B。
d)淬火保护气氛炉中加热至820 ～830℃，保温2h，淬入90℃油中。
e)回火180℃，3h回火。
f)清理性喷砂。
　　2 MoS2滑化处理的依据
　　滑化处理是在轴承组件试件表面形成结合牢固，摩擦学性能优异的MoS2滑化膜，发挥减摩和抑制胶合发生的功效。MoS2滑化处理有其试验基础，也有其理论依据。
　　首先，对牙轮钻头滑动轴承及涡轮钻具止推轴承粘着磨损的研究表明，摩擦因数f、粘着摩擦总力F、载荷、速度、摩擦热温升与胶合是逻辑相关的；粘着摩擦力主要由摩擦表面凸峰变形阻力、磨损颗粒及硬质点压碾犁削力、凸峰粘焊亲合力及滑动表面的粘着剪切力组成［1］。

F=Aτ，(1)

式中，A为实际接触面积；F为粘着摩擦总力；τ为粘着点的总剪应力。

粘着凸峰的形变为塑性变形，于是有：

A=F′/σm，（2）

式中，F′为载荷；σm为材料的塑性流变应力。

而摩擦因数f=F/F′。结合式(1)和式(2)有f=τ/σm。可见，材料的抗剪切强度愈低，抗压强度愈高，则摩擦因数愈小。这也是近年牙轮钻头轴承材料由软向硬过渡的依据，如硬质合金材料的应用［2］，钢结构硬质合金的应用［5］，H13钢的应用［3］。
　　MoS2的抗压强度与合金钢接近，而抗剪强度却低得多，所以MoS2滑化膜的摩擦因数极小。
　　MoS2的减摩与其内在结构联系密切。MoS2晶体结构和石墨一样。属六方晶系鳞片状晶体，如图1所示，为层状结构，每个MoS2分子层又分为3个原子层，中间是Mo原子层，上下是S原子层，每个Mo原子被6个S原子包围，只有S原子暴露在分子层的表面，每个分子层的厚度为6.26。
　　由于Mo原子与S原子结合力强，而S原子之间相互结合力弱。故MoS2分子层之间产生一个剪切力平面，当分子之间受到切应力时，沿分子层很容易产生断裂，形成滑移面，如图2所示。每微米的MoS2滑化膜存在1 660个分子层。这些众多的滑移面使得金属表面的直接摩擦运动转化为MoS2分子层之间的相对滑动，层序减缓了摩擦剪切力，降低了摩擦因数，抑制了胶合，减轻了磨损。其功能类似于动物关节接合处的骨头膜的软组织，故称做MoS2滑化处理。
　　研究表明，MoS2和轴承试件之间不是化学结合，而是机械锚固缔合。在分子层相对滑移和摩擦过程中，MoS2能自动被离析而挤入对磨表面的凹坑。又因S原子与金属有较强的亲合力，故可使MoS2与金属表面产生较强的吸附作用。在润滑条件下，摩擦因数会更低。
　　MoS2润滑膜可耐pmax为35 MPa的极限压力和vmax为40 m/s的极限速度［4］，表现出极高的pv值和较好的高速重载性。
　　MoS2在室温至350 ℃区间，物理、化学及摩擦学特征很稳定，400 ℃时开始氧化，温度更高时性能才开始恶化。而牙轮钻头、涡轮钻具轴承工作温度远低于350 ℃，故处于良好的润滑状态。
　　3 MoS2滑化处理
　　MoS2滑化处理的工艺流程为去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸渍。目前较成熟的滑化处理工艺有喷涂法、水煮法和刷涂法3种。
　　3.1喷涂法
　　80g的MoS2粉末，7g石墨粉末，50g水玻璃和60mL水配成滑化液，用喷枪喷至经喷砂及清洗的试件表面，喷厚0.3mm。入箱烘干2h，然后升温至140℃烘烤2h。出炉后再清洗并浸入CS2液中。得到蓝色光泽的MoS2滑化膜，即完成喷涂滑化处理。
　　3.2水煮法
　　取100g的MoS2粉末，纱布包裹，置于瓷制煮皿，加水400mL，将试件浸入其中。加热至95～100℃，1h，清洗后浸入CS2液中，并在热气氛中干