一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷制备技术领域，具体的来说是涉及一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套及其制备方法。
【背景技术】
[0002]缸套是泥浆泵的核心配件，具有储存泥浆，承受压力和完成吸、排泥浆的功能。由于缸套直接和泥浆接触，在工作时易被微小沙粒磨损或者被酸、碱液腐蚀，最终导致缸套报废，严重影响着钻井效率和钻井成本，例如对于海上钻井来说，钻井船的综合日费率在120万-300万RMB/天，如果停机修泵一小时损失大约10万RMB。
[0003]泥浆泵最早使用金属缸套，其寿命最长为200小时，改进后金属缸套寿命最长为500小时，但不耐磨、易被腐蚀，氧化锆陶瓷缸套在100-250°C温度下长期使用会出现粉化现象，使耐磨性能降低；氧化铝缸套存在断裂韧性低，产品易开裂的缺点；而氧化锆增韧氧化铝陶瓷缸套维式硬度低至14GPa使其耐磨性也没有明显优势。因此，研宄开发一种耐磨且不易被腐蚀的泥浆泵具有非常实际的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种耐磨性能好，不易被腐蚀，有效提供其使用寿命的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套；
本发明的另一目的是提供上述钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法。
[0005]为实现上述发明目的所采取的技术方案为:
一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，其特征在于该碳化硅陶瓷缸套是由微米级碳化硅、亚微米级碳化硼粉、纳米碳黑和有机物粘结剂组成，其用量比为:每一百克亚微米级碳化硅干粉中添加有亚微米级碳化硼粉末0.2-4.8%、纳米碳黑12-25%、有机物粘结剂6_25%。
[0006]所述碳化硅为具有高温稳定性的α型碳化硅，其粒径为0.5-0.75微米，纯度大于99%。
[0007]所述碳化硼的粒径为0.5-2.2微米，纯度大于90%。
[0008]所述有机粘结剂为聚乙烯醇、糊精和羧甲基纤维素中的一种或几种。
[0009]上述钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于其工艺步骤为:
1)按比例称取亚微米级碳化硅粉末、亚微米级碳化硼粉末、纳米碳黑和有机物粘结剂，加入水，充分混合后过40-180目筛；
2)对过筛后料浆进行喷雾造粒，然后将造粒粉用60-120目筛进行筛分；
3)装入模具，震实密封后以80-250MPa压力进行冷等静压，之后干燥固化；
4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2000-2200°C，保温时间2h，160°C时出炉冷却即可。
[0010]所述过程I)中，水料比为1:1。
[0011]所述过程2)中，喷雾造粒时，控制造粒塔热风进口温度180-260°C，出口温度60-120。。。
[0012]所述过程2)中，控制筛分后的造粒粉松装密度0.75-0.95g/cm3，流动性8_18s/30go
[0013]所述过程3)中，干燥固化温度为100_180°C。
[0014]本发明以碳化硅为材料，采用冷等静压成型和常压烧结获得碳化硅陶瓷缸套。该碳化硅缸套的硬度达到26GPa以上；耐磨性是氧化铝的27倍，是碳化钨的2_3倍；最高工作温度达到1900°C ;且耐化学腐蚀等性能优良，可用于150°C以下的加压氢氟酸，120°C的HF+HN03混酸，在220°C的30%Na0H或者30%K0H溶液中，腐蚀率也非常小，并且可以在700度-800度的氯气中使用；内部组织结构均匀致密，经过精加工内表面光洁度达Ra0.2，其使用寿命可达到4500小时。本发明的碳化硅陶瓷缸套能满足在钻井泥浆或其他腐蚀性强的液体等介质中工作。
【具体实施方式】
[0015]下面通过具体的实施方案叙述本发明中的方案，除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。
[0016]下述实施例中，所述亚微米级碳化硅为具有高温稳定性的α型碳化硅，其粒径为0.5-0.75微米，纯度大于99%。所述碳化硼的粒径为0.5-2.2微米，纯度大于90%。
[0017]实施例1
I)称取亚微米级碳化娃粉末100kg、亚微米级碳化硼粉末0.2kg、纳米碳黑12kg、聚乙稀醇6kg。加入10kg水，充分混合混合15小时后，过100目筛。
[0018]2)对过筛后料浆进行喷雾造粒。其中，造粒塔热风进口温度200°C，出口温度IlO0C。之后将造粒粉用80目筛进行筛分，粉料松装密度0.84g/cm 3，流动性12s/30g。
[0019]3)将筛分后的造粒粉装入自制模具中震实密封，然后以160MPa压力进行冷等静压；将压制好的生坯，放入烘箱在150°C左右干燥固化；对固化后胚体进行机械加工。
[0020]4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2200°C，烧结42小时，保温时间2h，160°C时出炉冷却。
[0021]所得烧结体密度:3.15g/cm3，同质同炉烧结试样密度为3.15g/cm3，抗弯强度为449MPa，硬度(HRA) 95.1。
[0022]实施例2
I)称取亚微米级碳化娃粉末100kg、亚微米级碳化硼粉末2.0kg、纳米碳黑17kg、聚乙稀醇7kg，糊精6kg。加入10kg水，充分混合混合18小时后，过100目筛。
[0023]2)对过筛后料浆进行喷雾造粒。其中，造粒塔热风进口温度200°C，出口温度IlO0C。之后将造粒粉用80目筛进行筛分，粉料松装密度0.82g/cm 3，流动性12.6s/30g。
[0024]3)将筛分后的造粒粉装入自制模具中震实密封，然后以160MPa压力进行冷等静压；将压制好的生坯，放入烘箱在150°C左右干燥固化；对固化后胚体进行机械加工。
[0025]4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2200°C，烧结42小时，保温时间2h，160°C时出炉冷却。
[0026]所得烧结体密度:3.14g/cm3，同质同炉烧结试样密度为3.15g/cm3，抗弯强度为458MPa，硬度(HRA) 95.0。
[0027]实施例3
I)称取亚微米级碳化娃粉末100kg、亚微米级碳化硼粉末3.5kg、纳米碳黑19kg、羧甲基纤维素7kg，聚乙烯醇11kg。加入10kg水，充分混合25小时后，过100目筛。
[0028]2)对过筛后料浆进行喷雾造粒。其中，造粒塔热风进口温度200°C，出口温度IlO0C。之后将造粒粉用80目筛进行筛分，粉料松装密度0.80g/cm 3，流动性12.3 s/30g。
[0029]3)将筛分后的造粒粉装入自制模具中震实密封，然后以160MPa压力进行冷等静压；将压制好的生坯，放入烘箱在150°C左右干燥固化；对固化后胚体进行机械加工。
[0030]4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2200°C，烧结42小时，保温时间2h，160°C时出炉冷却。
[0031]所得烧结体密度:3.15g/cm3，同质同炉烧结试样密度为3.16g/cm3，抗弯强度为453MPa，硬度(HRA) 95.5。
[0032]实施例4
I)称取亚微米级碳化娃粉末100kg、亚微米级碳化硼粉末4.8kg、纳米碳黑25kg、羧甲基纤维素20kg，糊精5kg。加入10kg水，充分混合32小时后，过100目筛。
[0033]2)对过筛后料浆进行喷雾造粒。其中，造粒塔热风进口温度200°C，出口温度IlO0C。之后将造粒粉用80目筛进行筛分，粉料松装密度0.80g/cm 3，流动性12.7s/30g。
[0034]3)将筛分后的造粒粉装入自制模具中震实密封，然后以160MPa压力进行冷等静压；将压制好的生坯，放入烘箱在150°C左右干燥固化；对固化后胚体进行机械加工。
[0035]4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2200°C，烧结42小时，保温时间2h，160°C时出炉冷却。
[0036]所得烧结体密度:3.14g/cm3，同质同炉烧结试样密度为3.16g/cm3，抗弯强度为448MPa，硬度(HRA) 95.2。
【主权项】
1.一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，其特征在于该碳化硅陶瓷缸套是由微米级碳化硅、亚微米级碳化硼粉、纳米碳黑和有机物粘结剂组成，其用量比为:每一百克亚微米级碳化硅干粉中添加有亚微米级碳化硼粉末0.2-4.8%、纳米碳黑12-25%、有机物粘结剂6-25%o
2.按照权利要求1所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，其特征在于所述碳化硅为具有高温稳定性的α型碳化硅，其粒径为0.5-0.75微米，纯度大于99%。
3.按照权利要求1所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，其特征在于所述碳化硼的粒径为0.5-2.2微米，纯度大于90%。
4.按照权利要求1所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，其特征在于所述有机粘结剂为聚乙烯醇、糊精和羧甲基纤维素中的一种或几种。
5.一种如权利要求1-4所述的任意一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于其工艺步骤为: 1)按比例称取亚微米级碳化硅粉末、亚微米级碳化硼粉末、纳米碳黑和有机物粘结剂，加入水，充分混合后过40-180目筛； 2)对过筛后料浆进行喷雾造粒，然后将造粒粉用60-120目筛进行筛分； 3)装入模具，震实密封后以80-250MPa压力进行冷等静压，之后干燥固化； 4)常压气氛保护烧结，烧结温度为2000-2200°C，保温时间2h，160°C时出炉冷却即可。
6.按照权利要求5所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于所述过程I)中，水料比为1:1。
7.按照权利要求5所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于所述过程2)中，喷雾造粒时，控制造粒塔热风进口温度180-260°C，出口温度60-120°C。
8.按照权利要求5所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于所述过程2)中，控制筛分后的造粒粉松装密度0.75-0.95g/cm3，流动性8_18 s/30g。
9.按照权利要求5所述的钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套的制备方法，其特征在于所述过程3)中，干燥固化温度为100-180°C。
【专利摘要】本发明涉及一种钻井泥浆泵用碳化硅陶瓷缸套，该碳化硅陶瓷缸套是由微米级碳化硅、亚微米级碳化硼粉、纳米碳黑和有机物粘结剂组成，其用量比为：每一百克亚微米级碳化硅干粉中添加有亚微米级碳化硼粉末0.2-4.8%、纳米碳黑12-25%、有机物粘结剂6-25%。本发明以碳化硅为材料，采用冷等静压成型和常压烧结获得碳化硅陶瓷缸套，所得碳化硅缸套硬度达到26GPa以上，耐磨性好，耐化学腐蚀性能优良，内部组织结构均匀致密，经过精加工内表面光洁度达Ra0.2，其使用寿命可达到4500小时。本发明的碳化硅陶瓷缸套能满足在钻井泥浆或其他腐蚀性强的液体等介质中工作。
【IPC分类】C04B35-622, C04B35-565
【公开号】CN104761262
【申请号】CN201510126720
【发明人】保玉芝, 李虎, 赵文林, 姜伟, 梁红军
【申请人】宁夏机械研究院股份有限公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月23日