摘要： 钻探机具，要带有最优的耐磨特性，以及最优的耐蚀特性；在苛刻的态势下，也应妥善运转。钻探机具固有的表面性能，涵盖了配件的耐磨特性。载能粒子惯常的沉积状态，关涉着摩擦薄膜特有的构架问题。要提升配件原有的耐磨特性，就应提高机具表层硬度，用气相沉积技术，接纳复合架构下的、多层级高结合力的层积思路，制备出硬度较高的表层。这样制备好的润滑薄膜，带有独特构架及特有的性能，能提快原有的钻探速率，供应可用的新技术。
Abstract： The drilling machine is supposed to have optimal wear-resisting properties and optimal corrosion resistant properties so as to run properly under harsh situation. The intrinsic surface properties of drilling machine cover the wear-resisting properties of accessories. The normal deposition state of energy-carrying particle concerns the unique architectural problem of the friction film. To improve the
wear-resisting properties of the parts， the machine surface hardness should be improved. Using gas phase deposition technology to accept composite framework multi-level high bonding strength of laminated to prepare surface with higher hardness. Such lubrication film， with unique structure and special performance， can improve the original drilling rate and supply new technology available.
关键词： 气相等离子沉积；钻探机具；硬质润滑薄膜
Key words： gas phase plasma deposition；drilling machine；hard lubrication film
中图分类号：P634.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0053-03
0 引言
现有的钻探机具，是地质勘探特有的必备设备；机具固有的质地规格，直接关涉钻探成效，也关涉现有的工作实效。机具衔接的多样配件，在惯常的运用中，带有偏大的磨损倾向。这样的磨损，若累积到某一层级，就会降低钻探机具在使用中的性能，增添事故几率。过早的磨损这一弊病，会让机具使用寿命大大缩短，导致钻探作业周期延长。为了缩减现有的耗费能源，提快钻探实效，有必要在机具的耐磨表层引入气相沉积膜的技术，更替钻探机具现有的表面硬化技术。
1 新颖的高耐磨涂层膜
薄膜生长的时段内，吸纳特有的载能粒子，可以更替薄膜原有的显微结构，更替固有的薄膜特性。这样做，也延展了薄膜预设的运用寿命，在薄膜延展中，凸显出了侧重价值。然而，很长时段以来，这一范畴的关联研究，还是没能被广泛接纳。最近几年，离子特有的气相沉积、真空态势下的离子镀、特有的磁控溅射，正在被注重。在这样的根基上，制备出了硬质架构下的新颖薄膜，如特有的TiCN、TiN超耐磨涂层、摩擦特性偏低的金刚石碳。为此，关涉低摩擦特性、预设的离子能量、复合架构内的薄膜体系的疑难，都逐渐被接纳。
硬质架构下的润滑薄膜，整合了最优的硬度层级，以及最优的摩擦系数，为此，它延展了运用前景。应用路径下，还要考量薄膜及衔接的基材合力，考量各个层级特有的结合力，这样做，可以创设最优的润滑特性。硬质架构下的润滑薄膜，凸显出了综合性能，涵盖了膜基固有的结合作用、薄膜预设的硬度、摩擦特性及关涉的磨损特性。若预设了最佳结合力，则增添原有的硬度，就会缩减原有的摩擦系数，也缩减了磨损概率，这就表征着摩擦性能的升高。
材料固有的耐磨特性应被着力改善。具体而言，采用气相沉积所获得的硬质薄膜，或者创设固态架构下的润滑薄膜。提升润滑层级，是为限缩配件的磨损。空间应用的态势下，惯常见到特有的高真空、偏强的辐射及更替着的温度，因此，惯用的油脂润滑，就没能被运用。摩擦学预设的固态薄膜，能更替配件的耐磨属性，提升原有的运用实效，提升设备固有的可靠特性。固态架构下的润滑薄膜，带有自润滑的最优属性，涂层膜可以提高机具的硬度，（抗耐磨性和降低摩擦系数）从而延长工件寿命，一般可以延长3至10倍。在德国通快Trumpf数控冲和日本Amada数控冲床的模具冲头上得以广泛应用，在高磨损的数控冲模具的冲头使用镀膜技术后可提高使用寿命几十倍，它的使用条件较之钻探机具的使用条件将对差得多，因此，当将真空气相沉积膜技术用之于钻探机具，技术前景将十分
可观。
例如：MoS2及关涉的DLC，都带有延展的运用前景。在这之中，DLC架构下的新颖薄膜，兼备偏高硬度，以及偏低系数，类金刚石的（DLC）的主要成分是碳，是一种兼有高硬度和高耐磨性的非晶体硬质薄膜由石墨（SP2）与金刚石（sp3）组成，其有优异的摩擦性能，被广泛的应用于工业中，使用场合见表1。
特别在无润滑剂摩擦系数也很低（μ=0.005到0.2），并还会表现出优良的抗粘附性，对于常发生在高速重载的钻机齿轮轴、齿轮以及钻具扶正器的点蚀破坏部位，采用此项技术，将会较好解决常见的早期磨损的故障，MoS2这一范畴的薄膜，带有最佳情形下的摩擦特性，较好的适应现有的钻探机具发展。而今气相沉积镀膜技术的工艺技术在我国制造业上的大量应用，镀膜成本大幅度降低，为钻探设备和钻具寿命提高和可靠性提升提供宽阔的广阔的应用空间。
2 钻探机具易损零件镀膜的必要性
最近几年，钻探机具的延展，涵盖了特有的超深钻探，以及关联的深海钻探。然而，惯常用到的这些机具，却遭受过早的磨损腐蚀的困惑，在钻机传动末端的伞齿，因为这一级承担的输出扭矩最大，齿间啮合压力很大，面对像破碎的灰岩地层以及卵石层这种钻探施工，钻头受到的外力不均衡，旋转冲击很大，钻机几乎在强烈震摆的状况下工作，这时的伞齿、伞齿轴，轴承往往都难以承受。另外在地质灾害治理的边坡锚杆挡墙施工里，钻进方向与水平方向程一定的夹角，随着转进深度的加大，加钻杆过程里，按一定的间距安装扶正器，扶正器加入目的是为了保证实现规定的夹角，而扶正器表面与岩石摩擦很严重，扶正器的使用寿命很短。还有在冲击载荷作用强烈的机具如潜孔锤施工的冲击器，一副冲击器的磨损是相当快的，在地源热泵地埋管成孔施工中，往往一副冲击器用不了多久，就要损坏，损坏原因皆为磨损，为此，选择最优的表面处理措施，选择更为优良的耐磨技术，以便预防惯常见到的配件早期失效。摩擦表面失效发生后表面平整的面出现较多沿摩擦运动方向的条状沟痕，摩擦发热更加剧烈，表面温度不断上升，沟痕越来越深，最后导致零件最后报废，失效表面如图1所示。
在特有的苛刻场合以内，改善零件表面的摩擦性能，这一问题，被看成钻探机具这一范畴的侧重课题。气相沉积技术特有的沉积薄膜，能适应现有的不同工况，是带有明显实效的装备提升新
技术。
对于地质条件下作业于露天野外的机具，单一架构下的表层强化，不能适应偏多的恶劣条件。钻探机具惯常的工作场合，都涵盖了很恶劣的状态。设备和钻具的金属工件在特有的多工况介质作用之下，会受到偏多的影响。气相沉积积淀工艺得到的超硬质膜，可以改善配件的综合属性。具体而言，载能粒子特有的价值，在于优化了金属表面的显微结构，膜基固有的粘合能力非常牢固地粘附在金属表面基体上，并提升原有的薄膜硬度，从而减小了摩擦
系数。
单一架构下的表面强化、单一架构下的薄膜制备，很难与现有的要求契合。硬质特性的润滑膜，要预设可用的复合架构，把现有的晶粒予以纳米化；同时，还要接纳多个层级下的梯度化。气相沉积得来的多元材料，满足了预设工况特有的强化要求。有序整合起复合化、特有的纳米化、特有的梯度化，是改善润滑构架的最优途径。
3 气相沉积膜在钻机具上的应用验证
伴随着钻探领域的不断扩展，要求钻探机具能适应各种气候条件，施工条件水文地下条件的性能，越来越多的考验着工件的综合品质，气相沉积膜层级架构下的MoS2，是空间固体特有的润滑膜，可适应不同气候场地温差。惯常见到的轴承钢，已被运用多年。调研结果表征出：轴承固有的摩擦属性，若没能被提升，则限缩了机械整体运行性能。然而，轴承内外圈与滚珠组成的摩擦副，被发现了失效破坏，往往发生在重载轴承处，而且多为点蚀失效，点蚀均发生在滚动摩擦表层，但经镀膜处理后，基薄膜带有固态架构的润滑作用，这种作用是较为明显的。因为膜的较小的摩擦系数，试验中滚动阻力减小几倍。例如：在相同的试验条件下，试验轴承摩擦副的摩擦系数减小到0.1以下。这就表明，摩擦系数由于膜的作用呈现出缩减趋势。MoS2特有的基薄膜，带有最优的改善摩擦系数的特性、尤其是在缺油这组试验中，有膜和无膜的试验轴承表现出较大的区别。无膜轴承温升和有膜轴承温升相差5℃，出现无膜轴承温升高的差异看，在有润滑剂条件下的摩擦时段内，润滑油很易填在固有的凹陷之处，这就增添了固有的接触面积，创设了可被移转的新颖润滑膜。
另一组钻探机具气相沉积膜的试验，更加证明了镀膜后，使用寿命可大大提到。试验工件采用了Y2钻机的传动末级伞齿，潜孔锤冲击器最易磨损的部位，气相沉积真空离子镀膜处理镀膜选用AlTiN（氮化钛铝），涂层硬度： 4500HV，摩擦系数：0.35（争对钢材标准摩擦系数）涂层厚度：1～6μm，耐热性：1200℃，氮化钛铝涂层是在氮化钛的基础上发展起来的一种涂层。涂层中铝的含量进一步提升，因此涂层的抗氧化性能得到了进一步的提高，最高耐热温度可以达到1200℃，而且涂层的硬度也有所提高，最高可达4500HV，特别适用于高速干切削及高硬切削。在一些需要耐高温的模具如锻压模具，浇注模具上得到一些运用。在高速重载摩擦条件下，零件摩擦接触面产生高温，如果零件材料的热热机械性能差，高温会使接触点两侧的金属产生熔接现象，熔接点撕裂加剧了摩擦面的快速失效，引入氮化钛铝膜到摩擦点蚀失效破坏作用强烈的钻机传动末级的伞齿和潜孔锤冲击器上，为此作试验验证其有效性。
工程为地源热泵地下换热埋管钻孔，钻孔直径均为130，每个换热孔设计孔深为100米，地层往下依次为卵石层厚30米，卵石层下为灰岩破碎地层，与没有镀膜的机具进行寿命对比，润滑保养以同一级别进行，对比结果见
表2。
试验结论：此试验布置在钻进工况较为差的工程场地，镀膜与不镀膜工件寿命相差很大，在同一工况下，镀膜工件的使用寿命是非镀膜工件寿命在2倍以上。却因工程完工，继续试验不能进行，但两者的耐磨性能相差数值已经通过试验完全体现出来，气相沉积镀膜的确能有效提高设备重要零部件的寿命。
4 DLC架构下的新颖薄膜
DLC是一个通用名词，具体的性能需要根据实际情竘，如工件材料，加工情况、使用情况（摩擦符，速度，压力等等参数）来进行工艺调整，SP2石墨的碳原子呈平面层状结构，层与层之间的作用力小，所以很软，能导电，有滑感的鳞片状结构。SP3金刚石的碳原子在空间构成连续、坚固的骨架结构，物理力学性能坚硬，成正八面体晶状体。各自的晶体结构见图2。
调整SP3与SP2的比例，达到厚度、耐磨性、硬度等各种指标的变化，以适应工件的具体使用场合DLC，DLC涂层硬度3000HV，摩擦系数：0.40（争对钢材标准摩擦系数）涂层厚度：1～4μm，动态磁控阴极电弧和超长矩形电弧靶”涂层技术。涂层具有光滑、致密、硬度高、耐高温、耐磨损、抗氧化以及附着力强等特点，并且涂层性能稳定可靠，均匀一致。涂层种类有：氮碳化钛涂层（TiCN）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）超A涂层（超级-氮钛化铝S-AlTiN）、超级-氮化钛（S-TiN）、氮碳化钛（TiCN）、类金刚石（DLC）、氮化铬（CrN）及复合涂层。涂层具有光滑、致密、硬度高、耐高温、耐磨损、抗氧化以及附着力强等特点，并且涂层性能稳定可靠，均匀一致。可以大幅度提高钻探设备上的高磨损零件和机具使用性能和寿命。有着广阔的应用潜能，被划归成新颖的硬质薄膜。这样的新薄膜，结构上的非晶碳，以及晶粒态势下的碳化铬。在这之中，碳化铬带有最优熔点，增添了配件原有的密度及原有的硬度；类金刚石（DLC）涂层的主要成份是碳，是一种兼有高硬度与优异摩擦性能的非晶体硬质薄膜由石墨（SP2）与金刚石（SP3）组成。由于其优异的摩擦性能，在工业上得到广泛应用。特别是在无润滑剂情况下，摩擦系数也很低（μ=0.005～0.2）。类金刚石（DLC）涂层摩擦系数小，而且抗粘附性好，硬度高、耐磨性优良。
氮化钛铝涂层是在氮化铝钛的基础上发展起来的一种涂层。涂层中铝的含量进一步提升，因此涂层的抗氧化性能得到了进一步的提高，最高耐热温度可以达到1200℃，而且涂层的硬度也有所提高，最高可达4500HV，特别适用于高速干切削及高硬切削。在一些需要耐高温的模具如锻压模具，浇注模具上得到一些运用。
除此以外，这样的制备耐磨层，还带有耐腐蚀这一特性，以及高温这一范畴内的抗氧化性。薄膜特有的高内应力，把制备出来的薄膜厚度，限缩在一微米这样的范畴。中频架构下的磁控溅射，可以创设带有梯度的新颖薄膜。经由多层级下的梯度手段，来限缩薄膜固有的内应力，创设出综合架构下的摩擦属性。
合成路径下的薄膜，带有表层光滑的总倾向。平均态势下的粗糙度，没能超出6纳米。从靶材固有的中心，也没能溅射出稀松的微粒。工件表面的粗糙度，密切关联着磁控溅射特有的高离子流。非平衡态势下的磁控溅射，在制备好的配件之上，由微波电压的作用下沉积出的薄膜。有的时候，会查验到基体特有的起弧现象。若局部架构内的表层，带有偏大的起弧，则滴落下来的液体，会造成特有的配件失效。为此，就要接纳中频脉冲这一范畴的磁控溅射，以便抑制住惯常见到的表层缺陷，提升原有的实效。
5 结束语
水体及衔接的岩土作用，决定了钻探特有的复杂性。伴随钻探这一范畴的技术延展，惯常见到的单一热处理技术，表面硬度处理技术，很难适应现有钻探机具面临的苛刻环境。为此，要改进现有的常规技术手段，改善钻探机具上重要工件表面的摩擦属性。从现状看，气相沉积膜这种耐磨减磨特有的技术，还没得以扩展创新。气相沉积技术所造就出来的硬质薄膜，可以较好地改良机具的抗腐蚀特性，可增加设备和钻具的作业寿命，凸显出较强的经济价值。在创新不断的今天，将气相沉积工艺不断应用于钻探机具的工艺设计和改进中，定会使钻探设备和钻探机具在工程施工领域焕发出更加强大的活力。
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