涂层技术替代耐蚀合金接箍镀铜的可行性研究与实现

骆敬辉， 陈玉鹏， 王旭， 陈帅

（天津钢管制造有限公司，天津300301）

0 引言

在油套管生产行业，13Cr、镍基等耐蚀合金产品的抗黏扣处理工艺普遍采用接箍镀铜的方式。一定厚度的铜膜改变了接箍螺纹的表面物理状态，在拧接时能够隔离公母同材质金属的直接摩擦接触，从而提高了耐蚀合金接头的抗黏扣性能[1-2]。但是需要面对的是，镀铜生产中会对操作人员与环境造成很大的危害。近年来，随着国家对环保的重视，镀铜行业受到越来越严格的限制。尽管磷化是一种低成本又污染小的表面处理技术，但耐蚀合金基体中的Ni、Cr 等合金元素抑制了磷化结晶反应，使其无法生长成稳定的磷化膜，这也是耐蚀合金接箍无法磷化处理的原因。

针对这种现状，设计研制了一种表面处理新工艺用以替代耐蚀合金接箍的镀铜，并取得了良好的效果。

1 涂层技术简介

涂层技术是以MoS2、PTFE 等固体减摩材料为基础，辅以功能添加剂，并以树脂作为溶剂组成，使用时配合相应的固化工艺使涂层综合性能得到了进一步提升。同时，为了提高涂层的硬度、耐温性、抗老化等综合性能，涂层中还使用了其他功能氧化物添加剂，其中：CuO 可以提高涂层的耐磨性及导热性；Al2O3能够修复摩擦副表面和强化基体，提高摩擦副的减摩抗磨性能；TiO2用来提高涂层的硬度及抗老化性能[3]。

MoS2与PTFE 是目前常用的固体减摩材料，以MoS2为例，其固体润滑防护的微观机理如下：

1）涂层固化后，MoS2微粒能强填平金属表面的微小喷砂凹坑，形成致密光滑的防护层；2）MoS2分子结构为六方晶体系的层状结构，能够承受较高的接触压力；3）高压接触作用力下的摩擦使MoS2微粒在金属接触区停留时间短，MoS2微粒在转移中能形成“滚动轴承”效应，从而减少摩擦和磨损。

涂层技术在某些工业领域已经有了成熟应用，特殊设计的涂层能够适应高温、高压甚至腐蚀的工况环境。将涂层技术应用于油套管制造行业，利用特殊工艺作用于螺纹表面，可解决当前耐蚀合金接箍镀铜面临的实际问题。

2 涂层技术在耐蚀合金接箍上的实现

金属表面涂层技术是在零件表面涂装一层或多层表面层的形成技术，从而达到防腐、润滑等功能要求。耐蚀合金接箍的螺纹表面层需要满足的性能要求如下：1）抗氧化性、抗腐蚀性，接箍储存的要求；2）良好的耐磨特性，满足接头多次使用的要求；3）抗剪强度低，承载能力高，抗黏扣的要求；4）服役稳定性，即涂层接箍在储存与使用中抵御外界物理化学等因素影响的稳定性。

物理稳定性是指温度改变不会改变涂层组织结构，不会影响涂层的抗摩擦性能。化学稳定性是涂层不会与常规腐蚀性介质发生化学反应。

理论上，涂层技术可以应用于各种金属表面[4]。该技术的关键是涂层构成及相应的固化工艺，将涂层技术应用于耐蚀合金接箍上属于首创，该涂层构成以PTFE 固体润滑材料为基础并辅以其他功能添加剂，经过大量的试验，设计优选了涂层并对其固化工艺进行改进，成功地将涂层技术应用于耐蚀合金接箍，实现了对接箍镀铜技术的替代。

该涂层接箍与之前的镀铜接箍可无差别的对待，即油田的储存与使用方式无需做任何改变。对于耐蚀合金接箍，实现涂层技术的关键内容有：

1）表面预处理。螺纹表面预处理的优劣直接影响到后续涂层附着力和减摩性能的稳定性。表面预处理是将金属基体表面粗糙化，有利于与涂层之间形成“锚固效应”，因此基体表面的粗糙化程度影响着其涂层的结合力。喷砂或磷化处理提高了金属表面的活化程度与接触表面积，能够提高涂层与金属基体的结合力，并改善了涂层内部的应力分布状态。

2）接箍预热及涂装。预热是将接箍预先加热到一定的温度再进行涂敷，涂装时，接箍积蓄的热量传递给湿润的涂层，涂层黏度立即下降，有助于改善涂层在螺纹表面的流平性，并促进涂层内溶剂的挥发及某些化学反应的进行，加速涂层的固化。

在外力作用下，溶液均匀分散地涂覆于接箍螺纹，迅速流平，通过控制流量与时间，使涂层厚度满足设计要求。

3）固化工艺。在温度与时间作用下，溶液固化成膜。固化工艺决定着涂层质量的优劣。对于高温涂层而言，提高固化温度，能够加快溶剂的挥发，促进涂层中的物理及化学反应，提高涂层的固化速度。

涂层固化的工艺路线如图1 所示，固化过程分为相对低温与高温阶段，在相对低温阶段，涂层缓慢固化，能够形成均匀一致的组织结构，其内应力较小且黏结性较好；而在高温阶段，涂层进一步完成锚固过程使固化完全充分，涂层内应力小，能够实现涂层的最佳力学性能。

3 涂层技术在耐蚀合金接箍上的适用性验证

3.1 盐雾腐蚀试验

图1 涂层固化工艺

盐雾试验是一种利用人工模拟盐雾腐蚀环境条件来考核涂层抗腐蚀性能的环境试验。通过人为控制腐蚀环境的温度、pH 值等因素，加速腐蚀速度，缩短试验周期。通过盐雾试验来考核涂层材料的抗腐蚀能力，以对涂层进行质量评估和失效验证。

涂层采用中性盐雾试验进行抗腐蚀测试，盐雾腐蚀试验历时168 h，试样表面测试区域未见腐蚀迹象，如图2～图4 所示。

3.2 抗黏扣试验

抗黏扣试验是涂层技术最关键的验证试验之一，以涂层技术处理的接箍在拧接试验中表现出优异的综合性能。经过涂层技术处理的接箍螺纹表面硬滑，如图5所示。经过多次抗黏扣拧接试验，接箍涂层完整，表明涂层的耐磨性高，如图6 所示。

图2 盐雾前

图3 盐雾中

图4 盐雾后

图5 接箍初始形貌

图6 接箍完成4 次拧接

对某规格为244.48 mm×11.99 mm 的13Cr 特殊扣接箍应用涂层技术进行试验，接箍两端多次拧接数据见表1。

表1 涂层型耐蚀合金接箍拧接试验 N·m

经过涂层技术处理的接箍，在螺纹表面形成致密的防护层，该涂层光滑有韧性且耐油脂侵蚀，在拧接时的高压接触中能够抵御摩擦磨损，有效地隔离摩擦副金属材料的直接接触，防止黏扣的发生。

提取接箍高过盈端的转矩-圈数数据，如图7 所示。

图7 涂层接箍高过盈端拧接图形

提取现场生产时镀铜接箍的拧接数据，对比其拐点转矩数据如表2 所示，镀铜接箍的拐点转矩在涂层接箍的拐点转矩之间，其变化趋势符合设计，这也说明了涂层的摩擦因数与镀铜相当，对生产与现场使用来说，涂层接箍可采用与镀铜接箍相一致的控制转矩进行拧接，即可无差别地对待。

表2 涂层接箍与镀铜接箍的转矩对比 N·m

3.3 气密封试验

气密封试验是对涂层接箍在复合载荷下的稳定性进行验证，在尺寸极差的加工情况下考察接头在拉伸、压缩、内外压力及高温环境下气密封性能。

对某规格为244.48 mm×11.99 mm 的13Cr 特殊扣接箍应用涂层技术的气密封验证试验。测得最小壁厚为11.39 mm，接头屈服强度为572 MPa，180 ℃高温接头屈服强度540 MPa，弯曲度为17°/30 m。表3 是气密封试验载荷极值。

表3 ISO 13679 CAL IV载荷极值

接箍密封参数按照最苛刻公差状态加工，两端分别完成3 次的拧接，接头在试验机上依次通过复合力评价试验。图8 所示为载荷加载图。

图8 ISO 13679 CAI IV 试验加载图

4 结语

1)针对13Cr、镍 基等耐蚀合金接箍镀铜的环保限制，研究并实现了应用涂层替代接箍镀铜的新技术，该涂层附着牢固，光滑有韧性且耐油脂侵蚀，在螺纹表面形成致密的防护层，在存贮与使用中能够给予接箍很好的防护。

2)经过涂层技术处理的螺纹接头表现出了优异的综合性能，并且通过了盐雾抗腐蚀、拧接抗黏扣及气密封试验等相关验证。

3)将涂层技术应用于耐蚀合金接箍，在使用中，涂层接箍与之前的镀铜接箍可无差别地对待，即油田的储存与使用方式无需做任何改变。