石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料及其制備方法，屬于陶瓷材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，由以下重量百分含量的原料組成：氧化鋁99.0～99.9％，氧化鎂0.01～0.9％，二氧化硅0.05～0.2％。本發(fā)明采用冷等靜壓成型工藝，先后經(jīng)過球磨、造粒、成型和燒成工序。本發(fā)明所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，其原料成本低，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能滿足石油鉆井泵在惡劣工況條件下耐腐蝕、高強度、高硬度的苛刻要求；本發(fā)明同時提供了簡單易行的制備方法，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料及其制備方法，屬于陶瓷材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]鉆井泵缸套作為鉆井泵的主要易損件之一，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到鉆井工作的正常進行。我國主要使用的是以優(yōu)質(zhì)碳素鋼為外套、以高碳高鉻合金鑄鐵為內(nèi)襯的雙金屬缸套，當(dāng)鉆井泵運行時，活塞在缸套內(nèi)的往復(fù)運動使含有大量硬質(zhì)顆粒的泥漿吸入和排除缸套內(nèi)孔，這種有著巨大腐蝕性的泥漿使金屬缸套易磨損，使用壽命嚴重降低。目前，一些具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高韌性的碳化硅、摻雜氧化鋁、氧化鋯陶瓷已經(jīng)應(yīng)用在缸套內(nèi)襯上，但是由于其價格昂貴，并未得到廣泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，其原料成本低，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能滿足石油鉆井泵在惡劣工況條件下耐腐蝕、高強度、高硬度的苛刻要求；本發(fā)明同時提供了簡單易行的制備方法，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]本發(fā)明所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，由以下重量百分含量的原料組成:氧化鋁99.0?99.9%，氧化鎂0.01?0.9%，二氧化硅0.05?0.2%。
[0005]所述氧化鋁為煅燒氧化鋁，其原晶尺寸彡0.2um。
[0006]所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料中，氧化鋁含量高達99%以上，氧化鋁與氧化鎂、二氧化硅形成了三元體系。
[0007]添加的氧化鎂起到生長抑制劑的作用，其可以和氧化鋁在晶界上形成尖晶石，這種晶界上第二相的形成可以抑制氧化鋁晶粒的異常長大，從而使氧化鋁晶粒更加均勻化，降低了燒結(jié)溫度，減少了氧化鋁燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氣孔，使燒結(jié)更加致密化；添加的二氧化硅可以和氧化鋁在晶界上形成膨脹均勻、硬度大、抗化學(xué)腐蝕的微量莫來石，燒結(jié)過程中二氧化硅與氧化鋁形成液相來降低了燒結(jié)溫度，起到了促進燒結(jié)的作用。在該三元體系中，氧化鋁與生成的莫來石、尖晶石進一步形成穩(wěn)定相。
[0008]本發(fā)明所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)球磨:先加入配方量的原料氧化鋁、氧化鎂和二氧化硅，再加入氧化鋁球石和水，然后加入粘結(jié)劑和分散劑進行球磨，得到漿料；
[0010](2)造粒:將步驟(I)得到的漿料進行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；所得造粒粉過篩除鐵后，加濕、陳腐，待用；
[0011](3)成型:取步驟(2)中陳腐待用的造粒粉裝入模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到生坯；
[0012](4)燒成:將步驟(3)所得生坯裝入窯中燒成，出窯即得石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料。
[0013]步驟(I)中，氧化鋁球石的直徑為6-20mm ;原料、氧化鋁球石和水的質(zhì)量比為1:1?4:0.2?0.7 ;所得漿料的平均粒徑為0.5?1.2 μ m。
[0014]所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚氧乙烯醚或木質(zhì)素磺酸鈉，粘結(jié)劑加入量為氧化鋁、氧化鎂、二氧化娃、氧化鋁球石和水的總重量的0.1?0.5%。
[0015]所述分散劑為聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酸、聚羧酸脂類或磺酸系高分子分散劑，分散劑加入量為氧化鋁、氧化鎂、二氧化娃、氧化鋁球石和水的總重量的0.5%?1.0%。
[0016]步驟(2)中，造粒過程在噴霧干燥造粒塔中進行，噴霧干燥造粒塔進風(fēng)溫度為300?500°C，出風(fēng)溫度為150?300°C ;經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒度為60?120 μπι ;加濕處理時加入水的重量為除鐵后的造粒粉重量的0.5?3%。
[0017]步驟(3)中，冷等靜壓壓力先由OMPa升至100?160MPa，保壓5?20秒；再由100?160MPa減壓至70?llOMPa，保壓5?20秒；然后由70?I 1MPa減壓至30?60MPa，保壓5?20秒；最后由30?60MPa減壓至OMPa。
[0018]步驟(4)中，將生坯裝入窯中時，生坯下面墊上氧化鋁墊環(huán)；燒成溫度為1600?1700 °C，保溫時間為2?4h。
[0019]球磨是使原料粉細化和均勻化的過程，在球磨過程中添加的分散劑可以有效改善料漿粉料表面性能，降低料漿黏度，得到流變性好、分散均勻、固含量高且穩(wěn)定的漿料，從而達到提高研磨效果、減少用水量、降低動力消耗的目的。球磨過程中添加的另一種添加劑粘結(jié)劑的作用是在制品成型過程中減少顆粒間的摩擦力，增加陶瓷物料的可塑性和成型過程的尚度粘結(jié)性，從而提尚生還強度。
[0020]本發(fā)明采用濕袋式冷等靜壓成型技術(shù)，先將粉體裝入可變形的橡膠套內(nèi)，通過液體施加各向均勻的壓力，當(dāng)壓制過程結(jié)束后，再將坯體的橡膠套從容器內(nèi)取出。
[0021]所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法中，采用的燒成溫度為1600?1700°C，不僅節(jié)能，而且燒成的陶瓷材料粒徑均勻而且較小，活性高；而國內(nèi)技術(shù)所用的燒成溫度都要高于1700°C，而且燒成的陶瓷材料的粒徑較大，活性較低。
[0022]本發(fā)明制備的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料導(dǎo)熱系數(shù)高，其用于石油鉆井缸套內(nèi)襯時，能夠?qū)⒃谏a(chǎn)過程中由于活塞往復(fù)運動產(chǎn)生的大量的熱量儲存起來，便于缸套內(nèi)部的泥漿降溫，有效延長橡膠活塞的壽命。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024](I)本發(fā)明采用的原料來源廣，成本低；
[0025](2)本發(fā)明制備的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，其三點抗折強度多380MPa，維氏硬度多14.2GPa，斷裂韌性彡5MPa/m2；
[0026](3)采用本發(fā)明制備的氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，用于石油鉆井的缸套內(nèi)襯時，硬度高，耐磨損性能好，導(dǎo)熱系數(shù)高，能夠有效延長缸套內(nèi)襯的使用壽命；
[0027](4)所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法簡單易行，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但其并不限制本發(fā)明的實施。
[0029]實施例1
[0030]石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，包括以下步驟:
[0031](I)球磨:先將99Kg氧化鋁、0.9Kg氧化鎂、0.1Kg 二氧化硅的原料裝入球磨機中，再加入400kg直徑為6_的氧化鋁球石和70kg水(原料、氧化鋁球石和水的質(zhì)量比為1:4:0.7)，然后加入0.47Kg聚氧乙稀醚和2.35Kg聚丙稀酸，進行球磨，得到所需的楽料，用粒度測試儀測得漿料的平均粒度為0.5 μπι。
[0032](2)造粒:將步驟(I)得到的漿料進行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入水(占除鐵后的造粒粉重量的0.5% )，混勻后陳腐2天待用；噴霧干燥造粒塔進風(fēng)溫度設(shè)置為500°C，出風(fēng)溫度設(shè)置為300°C ;經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒度為120 μπι。
[0033](3)成型:取步驟(2)中沉浮待用的造粒粉裝入模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到生坯；所用冷等靜壓壓力曲線為:壓力先由OMPa逐漸升至160MPa，保壓5秒；再由160MPa逐漸減壓至I 1MPa,保壓5秒；然后由I 1MPa逐漸減壓至60MPa，保壓5秒；最后由60MPa逐漸減壓至OMPa。
[0034](4)燒成:將步驟(3)所得生坯裝入窯中，生坯下面墊上氧化鋁墊環(huán)，燒成溫度為1650°C，保溫時間為2h，出窯即得石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料。
[0035]對制備的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料進行性能測試，結(jié)果為:維氏硬度為15.0GPa，抗彎強度為390MPa，斷裂韌性為5.5MPa/m2。
[0036]實施例2
[0037]石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，包括以下步驟:
[0038](I)球磨:先將99.9Kg氧化鋁、0.05Kg氧化鎂、0.05Kg 二氧化硅的原料裝入球磨機中，再加入150kg直徑為20mm的氧化鋁球石和50kg水(原料、氧化鋁球石和水的質(zhì)量比為1: 1.5:0.5)，然后加入0.60Kg聚乙稀醇和2.1OKg聚丙稀酸鈉，進行球磨，得到所需的楽料，用粒度測試儀測得漿料的平均粒度為1.0 μ m。
[0039](2)造粒:將步驟(I)得到的漿料進行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入水(占除鐵后的造粒粉重量的3%)，混勻后陳腐3天，待用；噴霧干燥造粒塔進風(fēng)溫度設(shè)置為300°C，出風(fēng)溫度設(shè)置為150°C ;經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒度為100 μπι。
[0040](3)成型:取步驟(2)中沉浮待用的造粒粉裝入模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到生坯；所用冷等靜壓壓力曲線為:壓力先由OMPa逐漸升至lOOMPa，保壓15秒；再由10MPa逐漸減壓至70MPa，保壓15秒；然后由70MPa逐漸減壓至30MPa，保壓15秒；最后由30MPa逐漸減壓至OMPa。
[0041](4)燒成:將步驟(3)所得生坯裝入窯中，生坯下面墊上氧化鋁墊環(huán)，燒成溫度為1700°C，保溫時間為4h，出窯即得石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料。
[0042]對制備的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料進行性能測試，結(jié)果為:維氏硬度為15.3GPa，抗彎強度為410MPa，斷裂韌性為5.8MPa/m2。
[0043]實施例3
[0044]石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，包括以下步驟:
[0045](I)球磨:先將99.6Kg氧化鋁、0.2Kg氧化鎂、0.2Kg 二氧化硅的原料裝入球磨機中，再加入10kg直徑為15mm的氧化鋁球石和20kg水(原料、氧化鋁球石和水的質(zhì)量比為1:1:0.2)，然后加入1.1Kg木質(zhì)素磺酸鈉和2.2Kg聚萘甲醛磺酸鈉，進行球磨，得到所需的漿料，用粒度測試儀測得漿料的平均粒度為1.2 μπι。
[0046](2)造粒:將步驟(I)得到的漿料進行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入水(占除鐵后的造粒粉重量的2.0%)，混勻后陳腐4天，待用；噴霧干燥造粒塔進風(fēng)溫度設(shè)置為400°C，出風(fēng)溫度設(shè)置為200°C ;經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒度為60 μπι。
[0047](3)成型:取步驟(2)中沉浮待用的造粒粉裝入模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到生坯；所用冷等靜壓壓力曲線為:壓力先由OMPa逐漸升至130MPa，保壓20秒；再由130MPa逐漸減壓至90MPa，保壓20秒；然后由90MPa逐漸減壓至50MPa，保壓20秒；最后由50MPa逐漸減壓至OMPa。
[0048](4)燒成:將步驟(3)所得生坯裝入窯中，生坯下面墊上氧化鋁墊環(huán)，燒成溫度為1600°C，保溫時間為3h，出窯即得石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料。
[0049]對制備的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料進行性能測試，結(jié)果為:維氏硬度為16.0GPa,抗彎強度為440MPa，斷裂韌性為6.0MPa/m2。
【權(quán)利要求】
1.一種石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，其特征在于由以下重量百分含量的原料組成:氧化鋁99.0?99.9%，氧化鎂0.01?0.9%，二氧化硅0.05?0.2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料，其特征在于:氧化鋁為煅燒氧化鋁，其原晶尺寸彡0.2um。
3.—種權(quán)利要求1或2所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)球磨:先加入配方量的原料氧化鋁、氧化鎂和二氧化硅，再加入氧化鋁球石和水，然后加入粘結(jié)劑和分散劑進行球磨，得到漿料； (2)造粒:將步驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；所得造粒粉過篩除鐵后，加濕、陳腐，待用； (3)成型:取步驟(2)中陳腐待用的造粒粉裝入模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到生坯； (4)燒成:將步驟(3)所得生坯裝入窯中燒成，出窯即得石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:步驟⑴中，氧化鋁球石的直徑為6-20_ ;原料、氧化鋁球石和水的質(zhì)量比為1:1?4:0.2 ?0.7ο
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚氧乙烯醚或木質(zhì)素磺酸鈉，粘結(jié)劑加入量為氧化銷、氧化鎂、二氧化娃、氧化銷球石和水的總重量的0.1?0.5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:分散劑為聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酸、聚羧酸脂類或磺酸系高分子分散劑，分散劑加入量為氧化鋁、氧化鎂、二氧化娃、氧化鋁球石和水的總重量的0.5%?1.0%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:步驟(1)所得漿料的平均粒徑為0.5?1.2 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，造粒過程在噴霧干燥造粒塔中進行，噴霧干燥造粒塔進風(fēng)溫度為300?500°C，出風(fēng)溫度為150?300°C ;經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒度為60?120 μ m ;加濕處理時加入水的重量為除鐵后的造粒粉重量的0.5?3%。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:步驟⑶中，冷等靜壓壓力先由OMPa升至100?160MPa，保壓5?20秒；再由100?160MPa減壓至70?llOMPa，保壓5?20秒；然后由70?llOMPa減壓至30?60MPa，保壓5?20秒；最后由30?60MPa減壓至OMPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石油鉆井用99氧化鋁陶瓷缸套內(nèi)襯材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中，將生坯裝入窯中時，生坯下面墊上氧化鋁墊環(huán)；燒成溫度為1600?1700°C，保溫時間為2?4h。
【文檔編號】C04B35/622GK104496423SQ201410659554
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】周文孝, 楊東亮, 李曉東, 于洋, 李艷麗, 古娜 申請人:山東硅元新型材料有限責(zé)任公司