本发明属于油田柱塞泵关键零部件制造技术领域，更具体的涉及一种轻质耐磨耐腐蚀铝合金柱塞的制备方法及所制得的柱塞部件。
背景技术：
随着中小油田、低渗透油田的加速开发及普通油田长期开采，油层本身能量不断地被消耗，致使油层压力下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。
柱塞式注水泵以其泵效高、压力高等优点，在油田采油现场得到了广泛的运用。但是由于柱塞泵存在结构较复杂，对污染较敏感，柱塞容易发生腐蚀失效，所以对使用和维护要求较高，在使用的过程中经常出现柱塞腐蚀泵效降低的问题。当前普通柱塞泵柱塞材质一般是45钢或40Cr，表面处理工艺为：1、镀铬；2、喷焊Ni60；3、激光熔覆。柱塞所处工作环境为高压含砂及腐蚀介质(CO2，SO2以及H2S等)，表面镀层可能由于基体表面处理不干净或者在承受高强度冲击下，表层易发生剥离，进而加速柱塞失效。喷焊工艺由于高温易引起基体软化、变形等，所以柱塞使用寿命一般仅仅约为800-1200小时。激光熔覆效果较好，但是也存在工艺实施难度大，成本高等缺点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供轻质、耐磨、耐腐蚀性好、使用寿命长，且制造成本低的油田用高压往复式铝合金柱塞的制备方法，还提供用这种方法制造的高压往复式铝合金柱塞。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耐磨、耐腐蚀的油田用铝合金柱塞的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
加工柱塞：采用高强度铝合金作为基材，进行毛坯锻造后按照图纸机械加工形成用于油田高压往复式柱塞泵的铝合金柱塞；
吊装所述柱塞，并用导线电性连接于非对称双极性脉冲电源的正极；
配置溶液：选择Na2SiO3·5H2O、Na2B4O7、KF、CON2H4、C6H15NO3、KOH作为溶质，去离子水作为溶剂，各溶质的配置浓度为Na2SiO3·5H2O 8-15g/L、Na2B4O7 0.5-15g/L、KF 0.5-15g/L、CON2H4 0.5-5g/L、C6H15NO3 0.5-20g/l、KOH 0.5-3g/L，配置的溶液置于导电金属槽内，且溶液的配置量需能够浸没所述柱塞；
在铝合金柱塞表面形成陶瓷层：吊装好的铝合金柱塞放入配置的溶液中，将放置溶液的导电金属槽接电源的负极，控制溶液温度低于40℃，启动电源并采用恒压控制，保持正向电流密度处于2-10A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于1-6A/dm2，然后维持正负向电流密度不变，当正向电压升至520-580V时，断开电源，取出柱塞并清洗干净；在铝合金柱塞表面形成的陶瓷层的膜厚为40-50um间，陶瓷层的主要成分为晶态α-Al2O3和晶态γ-Al2O3，柱塞表面的显微硬度达到Hv1500以上。
抛光：用400-800目的砂纸对柱塞的工作面进行打磨抛光，使工作面粗糙度达到Ra＝0.4um左右，得到所述耐磨、耐腐蚀的用于油田高压往复式柱塞泵的铝合金柱塞。
溶质的配置浓度优选为：Na2SiO3·5H2O 10g/L、Na2B4O7 8g/L、KF 2g/L、CON2H4 3g/L、C6H15NO3 5g/l、KOH 2g/L。
优选电源为频率100-500Hz、占空比50％的非对称双极性脉冲电源。
控制溶液温度30-35℃，设置电源频率在100-200Hz、占空比为50％，保持正向电流密度处于5-6A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于3-4A/dm2，然后维持正负向电流密度不变。
本发明还提供一种耐磨、耐腐蚀的油田用铝合金柱塞，其特征在于，采用上述任一项所述方法制得。
本发明首次创新采用锻造成型的高强铝合金作为基体材料，加工成所要求尺寸，并在其表面原位生成致密的氧化物陶瓷层，该陶瓷层与基体材料结合强度高，具有优良的耐磨性能，可大幅提高油田注水泵柱塞的使用寿命。本发明的制造方法中，柱塞基材表面在高电压条件下产生火花放电现象，使放电处温度瞬间达到数千度，零件表面金属在高温下熔化，并与水电解产生的氧气发生剧烈反应形成熔融态的氧化物，随着电火花的熄灭，金属及氧化物迅速冷却凝固形成晶态的氧化物陶瓷，由于经历了高温烧结，因此形成的陶瓷层与基体金属呈冶金结合，结合强度很高，不会剥落，本发明形成于柱塞表面的陶瓷层物质为如α-Al2O3等晶体形态，具有很高的硬度和化学稳定性，因此本发明所制备的柱塞重量轻、具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，克服了钢制柱塞易磨损、易生锈，耐磨层容易脱落的缺点。并且，本发明的制备工艺简单，成本低廉，节约大量成本。
具体实施方式
本发明各实施例的参数及得到的结果如表一所示。
表一
实施例1
下面详细描述本实施例1的耐磨、耐腐蚀的油田用铝合金柱塞的制备方法及柱塞，制备过程中的参数以及得到的结果如表一中实施例1对应数据所示。
(1)柱塞加工
选用7A04铝合金，依据锻造工艺进行柱塞的毛坯锻造，对锻好的毛坯进行固溶、时效处理，按照图纸进行机械加工得到本实施例的铝合金柱塞。所采用的7A04铝合金为高强铝合金，在挤压态的抗拉强度为568MPa，屈服强度为539MPa，密度为2.85g/cm3。
(2)吊装
吊装柱塞，并用铝导线连接柱塞基体，确保基体与导线连接牢固、导通。
(3)溶液配制
分别称取10kg Na2SiO3·5H2O、8kg Na2B4O7、2kg KF、3kg CON2H4、5kg C6H15NO3、2kg KOH加入1000升去离子水中，在不锈钢槽中搅拌至溶质完全溶解。
(4)柱塞表面陶瓷层制备
本发明采用非对称双极性脉冲电源。将与工装装配好的柱塞吊装放入溶液中、浸没于液面以下，连接柱塞基体的导线电性连接不锈钢溶液槽上方的阳极杆，阳极杆连接非对称双极性脉冲电源的正极，不锈钢溶液槽接电源负极。开启溶液冷却系统，设定溶液温度范围为30-35℃。设置电源参数为：频率100Hz，占空比50％，选择恒压控制模式，启动电源，保持正向电流密度6A/dm2，待正向电压升至410V时，开始加载负向电压，使负向电流密度达到4A/dm2，此后维持正负向电流密度不变，在此过程中利用柱塞表面火花放电瞬间产生数千度高温，使柱塞表面金属在高温下熔化并与电解所产生氧气发生剧烈反应形成熔融态陶瓷氧化物，随着电火花的熄灭，柱塞金属及表面的陶瓷氧化物迅速冷却凝固，从而在柱塞表面形成α-Al2O3等晶体形态的氧化物陶瓷层，随着柱塞表面陶瓷层的形成，正向电压开始上升，当正向电压升至539V时，预计此时柱塞表面陶瓷层厚度处于40-50um间，其显微硬度达到Hv1500以上，断开电源，取出柱塞，拆卸工装，用水清洗干净。经检测，柱塞表面生成的耐磨层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3及少量莫来石组成，耐磨层厚度处于46um，耐磨层显微硬度Hv1654。
(5)抛光
用600目砂纸对柱塞的工作面进行抛光，使工作面粗糙度达到Ra＝0.4um，这样就得到了本实施例1的耐磨、耐腐蚀的油田用铝合金柱塞。
实施例2
本实施例2中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例2对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。
实施例3
本实施例3中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例3对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。
实施例4
本实施例4中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例4对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。
本发明用高强度铝合金替代传钢质材料制备柱塞，使得柱塞重量大幅减小，降低了能耗。同时由于经历了高温烧结，因此柱塞表面上形成的陶瓷层与基体金属呈冶金结合，结合强度很高，所形成的陶瓷层具有很高的硬度和化学稳定性。因此本发明所制备的柱塞具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，避免了钢质柱塞易磨损、易生锈的缺点，可推广应用于各类柱塞。