CN117161121A - 一种高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱 - Google Patents
一种高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及铝合金应用技术领域，尤其涉及一种高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，本发明高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱使用高强稀铝合金基体，利用稀土元素对铝合金溶体的净化作用、细化晶粒以及微合金化作用，通过铝合金与稀土元素成分的合理调配，并对稀铝合金油管及井下工具管柱表面进行特殊的表面处理，实现超高的强度和优秀的耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及合金应用技术领域，尤其涉及一种高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱。
背景技术
铝合金油管在美国、俄罗斯等少数国家应用数十年，我国起步晚，大大限制了钻采工业的发展。自主研发带有特殊表面处理的高强铝合金具有很高的社会意义和经济效益。自主研发的高强稀铝合金(高强铝合金的一种)，并对稀铝合金油管及井下工具管柱表面进行特殊的表面处理，极大提高了在苛刻环境中作业的耐腐蚀性、耐磨性。
发明内容
为此，本发明提供一种高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，用以克服现有技术中管柱强度低，耐腐蚀性差的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，包括：
步骤S1，将6xxx铝合金和稀土元素钪或镧按照配比进行熔炼，得到液态的铝基材料与特殊元素混合物；稀土金属的占比为0.1-0.4％。
步骤S2，将液态的铝基材料与稀土元素混合物熔炼过程中的固态废渣和废气除去；
步骤S3，铸造：将完成除渣除气的液态的铝基材料与稀土元素混合物进行铸造700-720℃,保持温度，静止10-20分钟后，浇注到熔铸设备中；得到稀铝合金；
步骤S4，对稀铝合金进行均匀化处理；
步骤S5，将均匀化处理后的稀铝合金挤压成型，得到初态管材；
步骤S6，对初态管材做热处理，管材在520-560℃条件下保温6-8小时，进行固溶处理；室温水淬火；最后160-180℃条件下保温6-10小时，进行时效处理，得到第二状态管材；
步骤S7，将第二状态管材进行机加工，得到最终管材；
步骤S8，根据管材的需要，对管材进行不同的表面处理操作。
进一步地，在所述步骤S8中，表面处理分为微弧氧化和阳极氧化。
进一步地，所述微弧氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行化学除油，除去管材表层的油污，将去油剂洗掉并将管材外侧清洗干净；
步骤S82，将脱脂清洗后的工件浸入微弧氧化电解液中，以镁合金工件为阳极，不锈钢板为阴极，在常温条件下采用0-600伏特的电压，0-10安培/分米2的电流密度进行微弧氧化10分钟，完成后取出用纯水清洗干净。在油管或井下工具管柱稀铝合金表面生长出改性陶瓷膜层；
步骤S83，将改性陶瓷膜层上多余的金属氧化物和电解液清洗干净；
步骤S84，将完成微弧氧化的表面处理的管材用封孔剂常温浸泡，在微孔形成吸附结晶填充孔隙表面封孔。
进一步地，所述阳极氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行脱脂，
步骤S82，将脱脂后的管材进行碱洗，吸取脱脂后留在表面的清洗液，在进行中和，将碱洗后多余的碱中和，
步骤S83，完成洗涤的管材进行氧化，产品放入电解池中通电，此时铝在电解池连接外电源正极，电解池中的极板连接外电源负极，铝在电解液中通过电流，带负电的阴离子迁移到阳极表面失去电子放电，金属铝失去电子成为三价铝离子，获得柱状六边形胞状结构；
步骤S84，将完成阳极氧化的表面处理的管材表面封孔，中高温封孔剂(醋酸镍)浓度0.5-1.5g/l，pH控制在5.0-6.5之间，温度控制在70-80℃之间，封孔时间按照氧化膜1:1.5min。
进一步地，在所述阳极氧化的表面处理过程中，在所述步骤S83中，油管或井下工具管柱稀铝合金表面进过特殊的表面处理形成外层有规则密排的柱状六边形胞状结构，在六边形胞的中间为柱状膜孔，内层为非常薄的致密阻挡层。
进一步地，在所述步骤S4中，将稀铝合金加热进行三级均匀化处理；所述三级均匀化处理时，先将稀铝合金加热到360～375℃并保温8h进行第一级均匀化；再加热至405～415℃并保温8h进行第二级均匀化；最后加热至445～450℃并保温10h进行第三级均匀化。
进一步地，在所述步骤S5中，将三级均匀化后的稀铝合金在高温下经进行挤压；
其中，进行挤压时，稀铝合金的温度为415～450℃，挤压比大于18，挤压速度为3～5mm/s。
进一步地，在所述步骤S7中，对初态管材进行淬火，冷却后的初态管材进行管材的预拉伸变形；
其中，所述预拉伸变形的预拉伸变形量根据工作场景需要决定。
进一步地，在步骤S1中，确定铝基材料与特殊元素按照配比时，利用稀土元素对铝合金溶体的净化作用、细化晶粒以及微合金化作用确定工作环境需要下，需要的特殊元素比例。
进一步地，所述高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱屈服强度大于等于500MPa；表层显微硬度最高达1500HV；绝缘电阻大于等于100欧姆。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱使用高强稀铝合金基体，利用稀土元素对铝合金溶体的净化作用、细化晶粒以及微合金化作用，通过铝合金与稀土元素成分的合理调配，实现超高的强度和优秀的耐腐蚀性。
进一步地，本发明油管及井下工具管柱的高强稀铝合金基体高塑性，具有良好的成型性能；以及高强度，屈服强度可达500Mpa以上；以及基体本身具有比常规铝合金更好的耐腐蚀性。
进一步地，本发明油管及井下工具管柱中使用微弧氧化处理表面后，形成的改性陶瓷膜层，陶瓷膜膜厚80um，可以实现：改性陶瓷膜表面硬度大，显微硬度最高达1500HV；具有良好的耐磨损性能、耐热性及抗腐蚀性，盐雾测试2000H；良好的绝缘效果，绝缘电阻可达100欧姆；表面处理使用的溶液为环保型，符合环保排放。
进一步地，本发明油管及井下工具管柱中使阳极氧化处理表面后，形成的膜层，可以实现：表面形成的致密阻挡层具有优良的耐腐蚀和耐磨性能；提高基体材料的绝缘性；提高耐紫外线老化性能。
附图说明
图1为本发明实施例高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱的基体材料制造流程示意图；
图2为本发明实施例高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱的微弧氧化处理流程示意图；
图3为本发明实施例高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱的阳极氧化处理流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参阅图1和图2所示，其为本发明高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱的基体材料制造流程示意图。
本发明提供一种高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，包括：
步骤S1，将6069铝合金和稀土元素按照(稀土元素钪(Sc))的占比0.2％)得到液态的铝基材料与稀土元素混合物；
步骤S2，将液态的铝基材料与稀土元素混合物熔炼过程中的固态废渣和废气除去；
步骤S3，铸造：将完成除渣除气的液态的铝基材料700-720℃,保持温度，静止10-20分钟后，浇注到熔铸设备中，铸造；得到稀铝合金；
步骤S4，对稀铝合金进行均匀化处理；具体而言，在所述步骤S4中，将稀铝合金加热进行三级均匀化处理；所述三级均匀化处理时，先将稀铝合金加热到360～375℃并保温8h进行第一级均匀化；再加热至405～415℃并保温8h进行第二级均匀化；最后加热至445～450℃并保温10h进行第三级均匀化。
步骤S5，将均匀化处理后的稀铝合金挤压成型，得到初态管材；具体而言，在所述步骤S5中，将三级均匀化后的稀铝合金在高温下经进行挤压；
其中，进行挤压时，稀铝合金的温度为420℃，挤压比大于18，挤压速度为3～5mm/s。
步骤S6，对初态管材做热处理，管材在550℃条件下保温8小时，进行固溶处理；室温水淬火；最后170℃条件下保温10小时，进行时效处理，得到第二状态管材；
步骤S7，将第二状态管材进行机加工，得到最终管材；具体而言，在所述步骤S7中，对初态管材进行，室温水淬火，冷却后的初态管材进行管材的预拉伸变形；
其中，所述预拉伸变形的预拉伸变形量(1.5％-3％)根据工作场景需要决定。
步骤S8，根据管材的需要，对管材进行不同的表面处理操作。具体而言，在所述步骤S8中，表面处理分为微弧氧化。
具体而言，所述微弧氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行化学除油，出去管材表层的油污，将去油剂洗掉并将管材外侧清洗；
步骤S82，将脱脂、清洗后的工件浸入微弧氧化电解液中，以镁合金工件为阳极，不锈钢板为阴极，在常温条件下采用200伏特的电压，5安培/分米2的电流密度进行微弧氧化10分钟，完成后取出用纯水清洗干净。在油管或井下工具管柱稀铝合金表面生长出改性陶瓷膜层；清洗后的在油管或井下工具管柱稀铝合金表面生长出以基体金属氧化物铝、镁、钛等阀金属及其合金为主并辅以氢氧化钠、硅酸钠等原料和去离子水组成的电解液组分的改性陶瓷膜层；
步骤S83，将改性陶瓷膜层上多余的金属氧化物和电解液除去；
步骤S84，将完成微弧氧化的表面处理的管材表面用封孔剂常温浸泡，在微孔形成吸附结晶填充孔隙封孔。
上述方法制备的高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱屈服强度大于等于500MPa；显微硬度最高达1500HV；绝缘电阻大于等于100欧姆。
本发明高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱使用高强稀铝合金基体，利用稀土元素对铝合金溶体的净化作用、细化晶粒以及微合金化作用，通过铝合金与稀土元素成分的合理调配，实现超高的强度和优秀的耐腐蚀性。
实施例2
如图1和图3所示：本发明提供一种高强度稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，包括：
步骤S1，将6069铝合金和稀土元素镧(La)按照(稀土元素的占比0.15％)混合，得到液态的铝基材料与特殊元素混合物；
步骤S2，将液态的铝基材料与特殊元素混合物熔炼过程中的固态废渣和废气除去；
步骤S3，铸造：将完成除渣除气的液态的铝基材料与特殊元素混合物进行铸造；得到稀铝合金；
步骤S4，对稀铝合金进行均匀化处理；具体而言，在所述步骤S4中，将稀铝合金加热进行三级均匀化处理；所述三级均匀化处理时，先将稀铝合金加热到360～375℃并保温8h进行第一级均匀化；再加热至405～415℃并保温8h进行第二级均匀化；最后加热至445～450℃并保温10h进行第三级均匀化。
步骤S5，将均匀化处理后的稀铝合金挤压成型，得到初态管材；具体而言，在所述步骤S5中，将三级均匀化后的稀铝合金在高温下经进行挤压；
其中，进行挤压时，稀铝合金的温度为430℃，挤压比大于18，挤压速度为3～5mm/s。
步骤S6，对初态管材做热处理，得到第二状态管材；
步骤S7，将第二状态管材进行机加工，得到最终管材；具体而言，在所述步骤S7中，对初态管材进行淬火，冷却后的初态管材进行管材的预拉伸变形；
其中，所述预拉伸变形的预拉伸变形量根据工作场景需要决定。
步骤S8，根据管材的需要，对管材进行不同的表面处理操作。具体而言，在所述步骤S8中，表面处理分为阳极氧化。
具体而言，所述阳极氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行脱脂；
步骤S82，将脱脂后的管材进行碱洗98％氢氧化钠、碱蚀剂、铝离子，吸取脱脂后留在表面的清洗液，在进行中和，将碱洗后多余的碱中和；
步骤S83，完成洗涤的管材进行氧化，产品放入电解池中通电，此时铝在电解池连接外电源正极，电解池中的极板连接外电源负极，铝在电解液中通过电流，带负电的阴离子迁移到阳极表面失去电子放电，金属铝失去电子成为三价铝离子，获得柱状六边形胞状结构；
步骤S84，将完成阳极氧化的表面处理的管材表面封孔中高温封孔剂(醋酸镍)浓度1.0g/l，pH控制在6.0，温度控制在70℃，封孔时间按照氧化膜1:1.5min。
本发明油管及井下工具管柱中使阳极氧化处理表面后，形成的膜层，可以实现：表面形成的致密阻挡层具有优良的耐腐蚀和耐磨性能；提高基体材料的绝缘性；提高耐紫外线老化性能。
具体而言，在所述阳极氧化的表面处理过程中，在所述步骤S83中，油管或井下工具管柱稀铝合金表面进过特殊的表面处理形成外层有规则密排的柱状六边形胞状结构，在六边形胞的中间为柱状膜孔，内层为非常薄的致密阻挡层。
具体而言，本发明油管及井下工具管柱中使用微弧氧化处理表面后，形成的改性陶瓷膜层，可以实现：陶瓷膜膜厚80um,改性陶瓷膜表面硬度大，显微硬度最高达1500HV；具有良好的耐磨损性能、耐热性及抗腐蚀性，盐雾测试2000H；良好的绝缘效果，绝缘电阻可达100欧姆；表面处理使用的溶液为环保型，符合环保排放。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，制作过程包括：
步骤S1，将铝基材料与特殊元素形成高强高韧铝合金做基体和稀土元素按照一定的配比进行熔炼，得到液态的铝基材料与稀土元素混合物；
步骤S2，将液态的铝基材料与稀土元素混合物熔炼过程中的固态废渣和废气除去；
步骤S3，铸造：将完成除渣除气的液态的铝基材料700-720℃,保持温度，静止10-20分钟后，浇注到熔铸设备中，铸造；得到稀铝合金棒材；
步骤S4，对稀铝合金进行均匀化处理；
步骤S5，将均匀化处理后的稀铝合金挤压成型，得到初态管材；
步骤S6，对初态管材做热处理，管材在520-560℃条件下保温6-8小时，进行固溶处理；室温水淬火；最后160-180℃条件下保温6-10小时，进行时效处理，得到第二状态管材；
步骤S7，将第二状态管材进行机加工，得到最终管材；
步骤S8，根据管材的需要，对管材进行不同的表面处理操作。
2.根据权利要求1所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，在所述步骤S8中，表面处理分为特殊微弧氧化和特殊阳极氧化。
3.根据权利要求2所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，所述特殊微弧氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行化学除油，出去管材歪层的油污，将去油剂洗掉并将管材外侧清洗；
步骤S82，将清洗后的在油管或井下工具管柱稀铝合金表面生长出以基体金属氧化物金属及其合金为主，在电解液组分的改性陶瓷膜层；
步骤S83，将改性陶瓷膜层上多余的金属氧化物和电解液去除；
步骤S84，将完成特殊微弧氧化的表面处理的管材用封孔剂常温浸泡，在微孔形成吸附结晶填充孔隙，表面封孔。
4.根据权利要求3所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，所述阳极氧化的表面处理过程具体为：
步骤S81，对所述步骤S7中经过机器加工后的管材进行脱脂；
步骤S82，将脱脂后的管材进行碱洗，吸取脱脂后留在表面的清洗液，在进行中和，将碱洗后多余的碱中和；
步骤S83，完成洗涤的管材进行氧化，产品放入电解池中通电，此时稀铝合金在电解池连接外电源正极，电解池中的极板连接外电源负极，稀铝合金在电解液中通过电流，带负电的阴离子迁移到阳极表面失去电子放电，金属铝失去电子成为三价铝离子，获得柱状六边形胞状结构；
步骤S84，将完成特殊阳极氧化的表面处理的管材表面封孔，封孔剂醋酸镍浓度0.5-1.5g/l，pH控制在5.0-6.5之间，温度控制在70-80℃之间，封孔时间按照氧化膜1:1.5min。
5.根据权利要求4所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，在所述阳极氧化的表面处理过程中，在所述步骤S83中，油管或井下工具管柱稀铝合金表面进过特殊的表面处理形成外层有规则密排的柱状六边形胞状结构，在六边形胞的中间为柱状膜孔，内层为非常薄的致密阻挡层。
6.根据权利要求1所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，在所述步骤S4中，将稀铝合金加热进行三级均匀化处理；所述三级均匀化处理时，先将稀铝合金加热到360～375℃并保温8h进行第一级均匀化；再加热至405～415℃并保温8h进行第二级均匀化；最后加热至445～450℃并保温10h进行第三级均匀化。
7.根据权利要求1所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，在所述步骤S5中，将三级均匀化后的稀土铝合金在高温下经进行挤压；
其中，进行挤压时，稀铝合金的温度为415～450℃，挤压比大于18，挤压速度为3～5mm/s。
8.根据权利要求1所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，在所述步骤S7中，对初态管材进行常温水淬火，冷却后的初态管材进行管材的预拉伸变形。
9.根据权利要求8所述的高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱，其特征在于，所述高强高韧稀铝合金韧性陶瓷油管及井下工具管柱屈服强度大于等于500MPa；表面经过处理后的显微硬度最高达1500HV；绝缘电阻大于等于100欧姆。
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