Si3N4SiC复相耐磨材料的冲蚀磨损性能图文精.docx

1、Si3N4SiC复相耐磨材料的冲蚀磨损性能图文精第卷增刊年月稀有金属材料与工程，复相耐磨材料的冲蚀磨损性能丁贺玮，刘宝林，一，高德利，黄朝晖，房明浩，吴小贤，陈博，刘艳改（中国地质大学（北京），北京）（中虱：油大学（北京），北京）摘要：以粉和为原料，采用半干法冷等静压成型，通过反应烧结成功制备了。复相耐磨材料。并将其和耐磨陶瓷在以水和混合颗粒为冲蚀介质实验条件下，进行液固两相流冲蚀磨损对比实验。结果表明：原料中粉加入量为（质量分数）试样的耐冲蚀磨损性能优于耐磨陶瓷。原料中粉加入量为试样的耐固液两相流冲蚀磨损性能最好，在平均线速度分别为和的实验条件下的冲蚀率分别仅为和。此外，通过观察了冲蚀后试样

2、的显微形貌，探讨了其耐液固两相流冲蚀磨损的机理。关键词：液固两相流冲蚀磨损；耐磨陶瓷中图法分类号：文献标识码：文章编号：（）￥冲蚀磨损是钻探工程中不可避免的常见问题，是钻探设备损坏的主要原因。如在现代石油钻井生产中的泥浆泵的损坏主要是泥浆泵缸套被冲蚀磨损导致。由于钻井泥浆泵一直是在高压情况下输送钻井泥浆的，而且泥浆的粘度高、有时还具有腐蚀性，其工作条件较为恶劣。目前优质缸套大多使用的是离心浇铸而成的高铬合金材料。金属材料由于抗冲蚀磨损性能差、耐化学腐蚀性差（特别在中高温的使用条件），在泥浆的冲刷磨损和腐蚀共同作用下，已不能很好地满足现代化高技术的生产要求。特别是对一些地质条件较恶劣的油田，其使

3、用寿命较短。而具有较高强度、较高硬度、耐腐蚀等优异性能的氧化铝和氧化锆陶瓷材料在耐磨零部件上使用已经表现出优秀的抗冲蚀磨损性能。但是，氧化铝和氧化锆陶瓷材料烧结时是液相烧结，有较大体积收缩，制品容易变形，因此制品烧成时成品率相对较低，且无法制备形状复杂的大型制品。另外，由于氧化铝和氧化锆陶瓷材料热膨胀系数大和导热系数低导致在使用过程中较难缓解摩擦发热产生的应力，容易在使用过程中出现应力集中型开裂而严重影响其推广应用。复相耐磨材料具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀以及低热膨胀系数、高导热系数、良好的热震稳定性等优点。与氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷的导热系数相比，复相耐磨材料的导热系数较高，很大程度上减

4、少和避免了在钻探中由于干摩擦工作温度升高导致陶瓷开裂；同时，。复相耐磨材料的烧结属于固相反应烧结，制品不容易变形，烧成过程相对容易控制，可以制备形状复杂的大型制品，成品率较高【】。本实验利用工业原料粉和细颗粒等原料，在先进结构陶瓷最新研究成果的基础上，采用直接氮化反应烧结的方法，对实现制备钻探工程中用一复合材料进行了耐液固两相流冲蚀磨损研究，为其在钻探工程中的应用提供技术依据。实验本实验主要原料是不同粒度的黑，纯度大于；工业级粉，纯度大于，粒度小于；粉，粒度小于“；粉，纯度大于，粒度“；高纯氮气（）作为反应气和保护气；以木质素磺酸钙为结合剂。具体试样组成配比示于表和表。表的颗粒级配（，）收稿日

5、期：基金项目：国家自然科学摹金（）资助；中国地质大学科学钻探国家专业实验室资助作者简介：丁贺玮，男，年生，硕士生中国地质大学（北京）材料科学与工程学院科学钻探国家专业实验室，北京；通讯作者：房明浩，博士，副教授，电话：，万方数据稀有金属材料与程第卷表复相耐磨材料配方（）表介绍了不同粒度具体加入量。表给出了具体原料的配比，其中粉和为主要原料，粉、粉为添加剂。能与粉表面的反应，去除了表面膜，裸露表面，加速了的氮化反应，促进口相形成和晶体长大的作用更明显。 选用粉为添加剂，因为在粉中加入（一般不超过）能明显提高粉的氮化率。若在粉中加入纳米数量级的颗粒，发现可以降低烧结的温度，增加烧结体的综合性能。这

6、是由于纳米级的颗粒在坯体中更分散，能在反应烧结时形成更多的的核心，有利于氮化硅的结晶。将配好的原料经过造粒后用模具在成型后，再用冷等静压在下密实。经过干燥后，在氮气气氛下在最终温度下保温氮化烧成。冲蚀磨损实验：将各组试样和用于对比实验的耐磨陶瓷分别固定在自制冲蚀磨损试验机上进行测试，冲蚀介质比例为水：“颗粒：颗粒：（质量分数），在冲蚀角度为，平均线速度分别为和的实验条件下，对试样进行冲蚀磨损实验。使用荷兰公司产型扫描电镜（）进行显微形貌观察。结果与分析耐液固两相流冲蚀磨损性能比较各组试样在冲蚀角度为。，平均线速度分别为和的实验条件下，不同粉加入量试样（原料中粉加入量由变化）的耐液固冲蚀磨损的冲

7、蚀率以及相同实验条件下的耐磨陶瓷的冲蚀率分别示于图、。由图可以看出，在相同冲蚀角度、不同冲蚀速度下，所制备试样的耐液固两相流冲蚀磨损性能为：随着粉含量降低和含量增加，一复合材料的冲蚀率先降低后增加，且冲蚀速度越快，其冲蚀率也越高。从图可见，的冲蚀率最高，为，的冲蚀率最低，为，的冲蚀率为。为全粉试样，氮化烧成后为全陶瓷，其耐液固两相流冲蚀磨损性反而最差，分析其原因主要是由于粉在氮化反应烧结成材料过程中形成了较多的微气孔结构，从而耐冲蚀磨损性能降低。而当试样中含有一定量的，则可以提高其耐液固两相流的冲蚀磨损性能。但当含量超过一定时，其耐冲蚀磨损性能又降低，主要是由于是脊性料，是共价性极强的化合物，

8、在高温状态下仍保持很高的键合强度，所以极不容易烧结，所以通常采用结合的方法使其达到致密。如果，。基质相含量不够时，试样就难以达到致密烧结，因此其耐液固两相流的冲蚀磨损性能就会比较差。图不同线速度时试样冲蚀率（），（）从实验数据可以得到当组成为、粉时，其耐液固两相流冲蚀磨损性能最优。本实验制备的复相耐磨材料试样，冲蚀线速度为时，。号样的冲蚀率均低于耐磨陶瓷，而冲蚀线速度为时，￥试样冲蚀率万方数据增刊丁贺玮等：一复相耐磨材料的冲蚀磨损性能均低于耐磨陶瓷。说明反应烧结制备的。复合材料具有比较优良的耐液固两相流冲蚀磨损的性能，部分甚至优于常用耐磨陶瓷的耐液固两相流的冲蚀磨损性能。 照片分析从图可见试样

9、表面有很多冲蚀后留下的点 坑和犁削坑。因为实验用冲蚀介质为不规则形状，且有棱角，当其冲蚀试样表面后就会形成这些凹坑。表面被冲蚀的比较严重因此凹坑较多，这也印证了其耐冲蚀磨损性能差。而图中试样冲蚀后表面凹坑明显较少，分析其原因是由于加入一定量的颗粒后，提高了其抗冲蚀磨损性能。基质和颗粒紧密结合。不同粒度的颗粒相互堆积可以达到比较理想的致密堆积，粉氮化生成的可以填充在颗粒间的空隙中，形成了包围的紧密结构。此外在冲蚀磨损过程中，颗粒可以起到一个“屏蔽保护”作用，见图。因为坚硬的颗粒具有硬度大、耐磨损的特点，当冲蚀介质对基质不断冲蚀磨损过程中，遇到坚硬耐磨的颗粒就阻止了对里面基质的冲蚀磨损，如图中基质

10、被冲蚀破坏后露出颗粒的表面，就阻碍了底下或基质的进一步破坏。另外，当迎着冲蚀方向一侧的基质被破坏后，露出的颗粒保护了颗粒另一侧的基质。 图和试样冲蚀后表面形貌（）（）试样的基质与颗粒具体结合情况示于图。观察发现颗粒被紧密集合，图为试样断口形貌，发现试样断裂时发生穿晶断裂，说明试样具有很好的结合强度。图中，白色部分为基质，可以见到一些长柱状晶粒生长到颗粒表面一些缺陷中，这些晶粒可以起到“铆钉”的作用。这些结构不但可以提高一复相耐磨材料的强度，也可以增加其耐冲蚀磨损性能。图颗粒的“屏蔽保护”作用形貌“图试样的颗粒与基质结合形貌结论以和粉为主要原料在最终温度下氮化可以制得具有优良耐液固两相流冲蚀磨损的一复合材料，其在平均线速度分别为和的实验条件下的冲蚀率分别仅为和，均优于相同条件下常用，耐磨陶瓷的耐冲蚀磨损性能。颗粒可以对复合材料中的基质在冲蚀磨损过程起“屏蔽保护”作用，适量的颗粒可以提高复合材料的耐液固两相流冲蚀磨损性能。参考文献【】（姜晓霞）（金属的腐蚀磨损）【】：，：【】（董文麟）彤批（氮化硅陶瓷）【】：，【】（黄朝晖）（耐火材料）】，（）：万方数据稀有金属材料与工程第卷