1.本发明涉及一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其主要应用于提高油泵柱塞的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及使用寿命。
背景技术：
2.石油是一次能源，不可再生，是人类发展过程中的重要储备资源，在开采石油过程中，抽油泵是不可或缺的重要装备，抽油泵根据其结构可分为管式泵、杆式泵两类，其中管式抽油系统应用最为广泛，我国每年对管式泵的需求约为15～30万台。目前，随着目前对石油开采强度的增加，国内大部分油井出现了高含砂、高含水等不利于抽油泵作业的情况。地层条件的恶化，导致柱塞与泵筒的摩擦由润滑摩擦变为干摩擦，柱塞与泵筒间的摩擦磨损严重，在柱塞的表面出现大量的划痕，使得泵的效率下降，甚至短期停产。
3.为了提高抽油泵的使用寿命，降低含砂量增加导致的严重磨损，国内外做了大量研究，其主要从改良柱塞表面材质、增加控砂槽装置等措施。在改良柱塞表面材质方面，主要以在柱塞表面镀铬、渗氮、喷涂金属陶瓷等方式。虽然这取得了一定的成绩，但由于其成本高，材质脆性增加，成果还停留在理论阶段，并未实际解决在高含砂、高含水环境中的柱塞耐磨性差、使用寿命短等问题。
4.相对于喷涂金属粉末和涂铬而言，类金刚石薄膜是在没有任何油或化学添加剂的情况下便具有低摩擦特性和良好的抗磨特性，另外，类金刚石薄膜还具有高硬度以及对金属的良好粘附性能等特性，在柱塞表面制备类金刚石薄膜不仅可以提高柱塞的表面硬度，还使得柱塞表面获得更小的摩擦系数以及与泵筒的粘附，在极大程度上提高了抽油泵的工作效率、使用寿命。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题是提供一种用于抽油泵柱塞固体薄膜涂层。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：该固体涂层通过微波等离子体化学气相沉积积技术在金属表面制得。
7.所述固体涂层是指采用微波等离子体化学气相沉积积技术在金属表面沉积纳米级类金刚石薄膜，沉积30～60min，向腔体内通入30ml/min的甲烷(ch4)和150ml/min的氢气(h2)，调节谐振腔内压力在800pa，控制气压浮动范围在
±
0.05pa，输入频率为2.45ghz，功率为600w的微波，持续60～120min，既得1～3μm的类金刚石薄膜。
8.所述金属表面是指在柱塞表面经过无水酒精溶液中超声清洗后，将tin过渡层采用旋转磁控电弧离子镀技术沉积在柱塞表面，以纯度为99.99％的钛做为离子镀膜靶材，以纯度99.99％的n2作为反应气源，沉积60～200min。
9.本发明与现有技术相比具有以下优点：
10.1、本发明中，为了降低在钢片上沉积类金刚石薄膜时fe对界面上碳原子的漫射以及fe元素对薄膜生长的阻碍作用，通过旋转磁控电弧离子镀技术沉积在钢片衬底上沉积
tin过渡层，随后在过渡层上制备类金刚石薄膜，由于过渡层的引入，不仅可以消除薄膜间的内应力，还可以增加柱塞表面与类金刚石薄膜涂层的粘着力，保障薄膜在高速、高载荷的情况下不脱落。
11.2、本发明中的类金刚石薄膜涂层在固体表面分布均匀，还使得柱塞表面获得更小的摩擦系数，可将摩擦系数降低30％～65％。另外，可达到提高柱塞、泵筒使用寿命和可靠度的性能要求，从根本上解决了现有情况中柱塞、泵筒工作在高含砂、高蒸汽等环境下易被磨损、腐蚀等问题。
附图说明
12.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
13.图1分别为固体薄膜涂层与45钢片在纯水和钻井液环境下的摩擦系数曲线。
14.其中：a代表采用固体薄膜涂层的柱塞在纯水环境下的摩擦曲线，b代表未采用固体薄膜涂层的柱塞在纯水环境下的摩擦曲线，c代表采用固体薄膜涂层的柱塞在钻井液环境下的摩擦曲线，d代表未采用固体薄膜涂层的柱塞在钻井液环境下的摩擦曲。
15.图2分别为固体薄膜涂层与45钢片在钻井液环境下的摩擦磨痕。
16.其中：a代表采用固体薄膜涂层的柱塞在载荷1n的条件下的磨痕，b代表采用固体薄膜涂层的柱塞在载荷5n的条件下的磨痕，c代表未采用固体薄膜涂层的柱塞在载荷1n的条件下的磨痕，d代表未采用固体薄膜涂层的柱塞在载荷5n的条件下的磨痕。
具体实施方式
17.一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，该涂层可通过下面的步棸具体实施。
18.首先，将45钢柱塞放入无水乙醇溶液中超声清洗20min。
19.其次，通过旋转磁控电弧离子镀技术在柱塞表面进行tin过渡层的沉积，以纯度为99.99％的钛做为离子镀膜靶材，以纯度99.99％的n2作为反应气源，于材料表面溅射厚度为100nm的tin层。
20.最后，通过氢气将柱塞表面吹干，将其放入谐振腔体内，然后抽真空至1pa以下，向腔体内通入30ml/min的甲烷(ch4)和150ml/min的氢气(h2)，调节谐振腔内压力在800pa，控制气压浮动范围在
±
0.05pa，输入频率为2.45ghz，功率为600w的微波，持续60分钟，既得3μm的类金刚石薄膜。
21.实施例1一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：该涂层由通过微波等离子体化学气相沉积技术在金属表面制得的类金钢石薄膜组成。
22.以45钢为摩擦对偶球，在纯水环境下，分别在载荷为1n和5n，运动频率为2hz的条件下，对本发明所得固体涂层进行摩擦试验，实验结果如图1所示。图1a为采用类金刚石薄膜涂层的摩擦曲线，摩擦系数约为0.15，图1b为未采用了类金刚石薄膜涂层的摩擦曲线，摩擦系数约为0.43，摩擦系数降低了65％。通过与未采用固体薄膜涂层的45钢磨痕对比(图2)，可以发现，相比于45钢片，采用类金刚石薄膜的表面磨痕平整，磨痕较窄。
23.实施案例2一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：该涂层由通过微波等离子体化学气相沉积技术在金属表面制得的类金钢石薄膜组成。
24.以45钢为摩擦对偶球，在钻井液环境下，分别在载荷为1n和5n，运动频率为2hz的
条件下，对本发明所得固体涂层进行摩擦试验，图1c为采用类金刚石薄膜涂层的摩擦曲线，摩擦系数分别为0.14和0.18，图1d为未采用了类金刚石薄膜涂层的摩擦曲线，摩擦系数分别为0.21和0.26，摩擦系数降低了约30％。
技术特征：
1.一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：该固体涂层通过微波等离子体化学气相沉积积技术在金属表面制得，所述固体涂层，是指类金刚石薄膜。2.如权利要求1所述的一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：所述固体涂层是指采用微波等离子体化学气相沉积积技术在金属表面沉积纳米级类金刚石薄膜，沉积30～60min，向腔体内通入30ml/min的甲烷(ch4)和150ml/min的氢气(h2)，调节谐振腔内压力在800pa，控制气压浮动范围在
±
0.05pa，输入频率为2.45ghz，功率为600w的微波，沉积60min，既得1～3μm的类金刚石薄膜。3.如权利要求1所述的一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，其特征在于：所述金属表面是指将tin过渡层采用旋转磁控电弧离子镀技术沉积在柱塞表面，以纯度为99.99％的钛做为离子镀膜靶材，以纯度99.99％的n2作为反应气源，沉积60～200min。
技术总结
本发明涉及一种用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层，该固体薄膜涂层通过微波等离子体化学气相沉积技术在45钢表面制得，所述固体薄膜涂层，是指以CH4作为薄膜生长碳源，在750℃环境下沉积的类金刚石薄膜。本发明的有益效果是：类金刚石薄膜涂层在固体表面分布均匀，还使得柱塞表面获得更小的摩擦系数，可将摩擦系数降低30％～65％；另外，可达到提高柱塞、泵筒使用寿命和可靠度的性能要求，解决了目前抽油柱塞泵工作在高含砂、高含水环境下使用寿命低、可靠性差的难题。靠性差的难题。靠性差的难题。
技术研发人员：刘云海 张虎 王磊 祝效华
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2022.05.10
技术公布日：2022/8/5
声明：
“用于抽油泵柱塞的固体薄膜涂层” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：西南石油大学
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2024年12月13日 ~ 15日 
