專利名稱：一種陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋯增韌的氧化鋁(ZTA)陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，特別是一種應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域替代雙金屬缸套的陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法。
精細(xì)陶瓷結(jié)構(gòu)上由離子鍵和共價(jià)鍵組成，熔點(diǎn)高，硬度大，硬度一般在維氏硬度HV＝1200Mpa以上，高出淬火鋼30％以上。同時(shí)，陶瓷是化合物，可視作“腐蝕過的材料”，不會(huì)被再腐蝕，所以，選用精細(xì)陶瓷材料作為泥漿泵缸套的內(nèi)襯是非常合適的。
本發(fā)明選擇的具體材料是氧化鋯增韌的氧化鋁陶瓷(ZTA)，一是氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷具有較高的硬度、強(qiáng)度、斷裂韌性和耐腐蝕性，能夠滿足服役條件下的使用要求；二是工藝性能適于產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)要求，即在制造陶瓷缸套內(nèi)襯的過程中，能夠適應(yīng)諸如成型、燒結(jié)、加工等工藝技術(shù)。
所選材料的具體參數(shù)為陶瓷粉料AL2O3——α相燒結(jié)氧化鋁，純度大于99％，粒徑為2-5微米；ZrO3——3mol％釔穩(wěn)定氧化鋯，雜質(zhì)含量不大于1％，粒徑為1-5微米；SiO2——亞微米級(jí)超細(xì)氧化硅，純度大于99％；CaO——氧化鈣；單體丙烯酰銨；交聯(lián)劑N，N’——亞甲基雙丙烯酰銨；引發(fā)劑過硫酸銨；分散劑丙烯酸基陰離子型分散劑；溶劑水——去離子水，每毫升離子數(shù)不大于20個(gè)；氨水——含量為20％。
產(chǎn)品陶瓷的主相為氧化鋯增韌的氧化鋁。
本發(fā)明采用凝膠注模技術(shù)成型坯體，全方位的滿足了高密度，高強(qiáng)度，高均勻性，近凈尺寸等系列技術(shù)要求，其加工制成的坯體的相對(duì)密度達(dá)到67％，強(qiáng)度達(dá)到30Mpa，干燥收縮為1％，且內(nèi)部無裂紋，省去了等靜壓設(shè)備，無須再行加工，降低了成本。
凝膠注模成型坯體的工藝步驟主要有以丙烯酰銨為單體、亞甲基雙丙烯酰銨為交聯(lián)劑、丙烯酸基陰離子型分散劑、水和氨水為溶劑制備預(yù)混液，加入陶瓷粉末進(jìn)行球磨，加入引發(fā)劑攪拌后澆鑄，干燥后脫模和燒除有機(jī)物質(zhì)制成壞體。具體過程如下1.將單體和交聯(lián)劑以40∶1的比例溶解于水中；2.加入氨水調(diào)節(jié)PH值為9-10；3.加入分散劑，混合均勻，加熱到50-60℃，制成預(yù)混液；4.分別稱取AL2O3、ZrO3、SiO2粉料，AL2O3含量為60％-80％，SiO2含量為0.5％-5％，余者為ZrO3；5.將粉料、預(yù)混液倒入聚氨酯球磨罐中，用氧化鋁球球磨12-16個(gè)小時(shí)，制得固相體積分?jǐn)?shù)為60％漿料，粘度η為100Pa·S，流動(dòng)性良好；6.將漿料除氣，然后加入1％的引發(fā)劑，混合均勻后澆鑄到模具中；7.將模具和漿料一同放入烘箱中加熱到80℃，并保溫1小時(shí)；8.脫去模具，將毛坯用氮?dú)獗Ｗo(hù)，放入烘箱中40-120℃烘6-10個(gè)小時(shí)；9.在電爐中600-800℃燒除單體、交聯(lián)劑等有機(jī)物制成坯體供二步燒結(jié)用。
坯體的燒結(jié)是影響產(chǎn)品變形和產(chǎn)品成本的關(guān)鍵步驟，本發(fā)明在將坯體燒結(jié)成產(chǎn)品陶瓷時(shí)采用了電腦控制全自動(dòng)進(jìn)行的兩步燒結(jié)工藝，基本滿足了對(duì)收縮和變形的要求，使陶瓷內(nèi)襯的燒結(jié)取得了理想的產(chǎn)品結(jié)果。降低收縮變形的基礎(chǔ)是提高坯體密度和均勻性。這在成型階段有了保證，兩步燒結(jié)的核心思想是將收縮和變形分步完成并在燒結(jié)過程中隨機(jī)給予矯正。具體步驟如下第一步燒結(jié)在相對(duì)低的溫度下進(jìn)行，溫度控制在1400℃連續(xù)保溫2小時(shí)，對(duì)陶瓷內(nèi)襯坯體進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，屬于固相燒結(jié)，無大的變形，使其達(dá)到一定的密度和相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，收縮率達(dá)到總收縮率的35％，同時(shí)消除導(dǎo)致大變形的內(nèi)應(yīng)力。
第二步燒結(jié)在相對(duì)高的溫度下進(jìn)行，控制燒結(jié)溫度在1600℃連續(xù)保溫2小時(shí)，讓第一步燒結(jié)完成的坯體充分收縮，完成最終的致密化，并對(duì)小的變形輔以矯形措施，燒結(jié)完成后，總的收縮量為9.5％，瓷體的相對(duì)密度達(dá)到98.5％以上，而總的變形量控制在0.5％。保證了陶瓷內(nèi)襯的尺寸，可以使加工余量控制在0.5-0.8mm，為降低加工費(fèi)用創(chuàng)造了條件。經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明制備的陶瓷缸套內(nèi)襯的基本性能為強(qiáng)度為320Mpa；韌性K2c為6.30MPa·M1/2；維氏硬度HV為1200Mpa。
可見，使用本發(fā)明技術(shù)不僅工藝過程簡單，控制自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率好，而且生產(chǎn)陶瓷缸套內(nèi)襯成品率大有提高；生產(chǎn)成本降低，陶瓷缸套內(nèi)襯的使用壽命為雙金屬缸套的5倍，可以達(dá)到2000小時(shí)。
例2用實(shí)施例1相同的方法步驟，制作Φ內(nèi)90×240mm的水泥泵陶瓷缸套內(nèi)襯，壁厚14mm，外圓過盈量0.30mm，內(nèi)圓光潔度小于0.1mm。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，其特征在于選用氧化鋯增韌的氧化鋁陶瓷材料，在加工過程中分別加入單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、分散劑和溶劑，先用凝膠注模技術(shù)制成坯體，再對(duì)坯體進(jìn)行二步燒結(jié)，第一步燒結(jié)溫度低于第二步燒結(jié)溫度，并且在燒結(jié)過程中對(duì)坯體的變形輔以矯正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，其特征在于所用陶瓷粉料為氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鈣；陶瓷的主相為氧化鋯增韌的氧化鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，其特征在于凝膠注模成型坯體的工藝步驟有以丙烯酰銨為單體、亞甲基雙丙烯酰銨為交聯(lián)劑、分散劑為丙稀酸基陰離子型分散劑、水和氨水為溶劑制備預(yù)混液，加入陶瓷粉末進(jìn)行球磨，加入引發(fā)劑攪拌后澆鑄，干燥后脫膜和燒除有機(jī)物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，其特征在于第一步燒結(jié)控制溫度在1400℃連續(xù)保溫2小時(shí)；第二步燒結(jié)控制溫度在1600℃連續(xù)保溫2小時(shí)，讓第一步燒結(jié)完成的坯體充分收縮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋯增韌的氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯的制備方法，特別是一種應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域替代雙金屬缸套的陶瓷缸套內(nèi)襯，所選用的主要材料為氧化鋯、氧化鋁、氧化硅粉末，在加工過程中加入單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、分散劑和溶劑，將原料按配方和工藝要求混合成預(yù)混液，先用凝膠注模技術(shù)制成坯體，再對(duì)坯體進(jìn)行二步燒結(jié)，第一步燒結(jié)溫度底于第二步燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)過程中對(duì)坯體的變形輔以矯正，以保證坯體的燒結(jié)尺寸，本發(fā)明制備的陶瓷缸套內(nèi)襯強(qiáng)度可達(dá)320Mpa，韌性為6.30Mpa，維氏硬度為1200Mpa，加工過程簡單，自動(dòng)控制燒結(jié)，效率好，質(zhì)量好，成本低。
文檔編號(hào)F04B53/00GK1448365SQ0311236
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者戚憑, 侯耀永, 陳沙鷗 申請(qǐng)人:青島大學(xué)