CN107227422A - 一种高强度盐水可溶性镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

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章桥新
陈嘉林
李红涛
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Abstract

本发明公开了一种高强度盐水可溶性镁合金材料及其制备方法，该高强度盐水可溶性镁合金材料，由以下质量百分比的成分组成，83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu。本发明高强度盐水可溶性镁合金材料具有高强度、质量轻并且在盐水中容易被腐蚀的特点，能够满足致密油气开采过程中密封球的性能要求，并且溶于水后产物无污染。本发明提供的高强度盐水可溶性镁合金材料的其制备方法，在熔炼过程采用机械搅拌的方式，同时采用挤压铸造工艺实现材料成型，并且对镁合金进行热处理，获得符合要求的高强度盐水可溶性镁合金材料。

Description

一种高强度盐水可溶性镁合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于致密油气开采领域，尤其涉及一种高强度盐水可溶性镁合金材料及其制备方法。
背景技术
在多层、多段压裂技术开采致密油气过程中，必须使用密封球，当完成压裂作业后，需将所有的密封球返排回收或破坏以保证油气管道恢复通畅，提高油气开采率。目前常用密封球为钢球或高分子轻质球，钢球密度大难以返排，高分子球容易变形导致卡球，严重影响了油气开采效率。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提供一种高强度盐水可溶性镁合金材料及其制备方法，本发明高强度盐水可溶性镁合金材料使用在多层、多段压裂技术开采致密油气过程中的密封球上，在压裂过程有效承载工作压力，压裂完成后原地溶解，无需返排，提高了油气开采的效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种高强度盐水可溶性镁合金材料，由以下质量百分比的成分组成，83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu。
该高强度盐水可溶性镁合金材料中添加Zn能够促进镁合金晶粒的细化，在镁合金的凝固过程中Zn的溶解度随着温度的降低而减小，因此在镁合金的凝固过程中，随着枝干的长大不断有Zn原子析出，富集在晶界或晶枝边界，发生共晶反应，形成第二相MgZn，第二相析出分散于基体中产生强化作用；同时，Zn的析出离异至晶界上限制晶粒的长大，实现细晶强化，从而提高镁合金的强度。Zn对镁合金腐蚀影响较为复杂，少量Zn能使镁的电位正移并降低杂质元素(Fe，Ni)对腐蚀性能的不利影响，并可以适当提高合金耐蚀性；当Zn>3％，耐腐蚀性随Zn含量增加而降低。因此，本发明采用高Zn含量的镁合金。
Al的加入能够提高合金的强度，当铝的含量小于9％时，随着Al含量的增加，晶枝臂越来越细，细化晶粒；同时，Al的增加又能改善凝固后期的补缩。镁合金熔炼后凝固过程，α-Mg晶枝的析出会将多余的Al原子排出，从而在凝固界面形成溶质富集层，导致富集在型壁面和晶核表面交角处的Al溶质增多，前沿熔体的凝固温度下降，同时α-Mg晶枝析出会放出一部分潜热，使凝固界面前沿温度上升，镁合金的过冷度降低，从而抑制晶枝的长大，细化晶粒。本发明加入8％的Al。
在镁合金中添加适量Cu元素能够提高合金的强度，同时又能够提高镁合金的塑性，加快镁合金的腐蚀速率，因此本发明采用添加Cu的含量为1％。
本发明还提供以上所述高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，包括以下步骤，步骤一，将83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu(纯金属)加入坩埚中；步骤二，待步骤一中坩埚中镁合金完全融化并且温度上升到750℃后，加入中间合金Mg-30Cu，待该镁合金重新升高到750℃后，开始搅拌，同时进行加热，待该镁合金温度升高到780℃后，继续搅拌5mins，然后静置6～8mins；步骤三，将该熔融的镁合金倒入已经预热至120℃的压铸模具中，压力机(型号YA32-200)提供压力200t，保压20s，待挤压铸造成型后，进行热处理。
按上述技术方案，所述步骤三中，进行热处理具体为采用时效处理的热处理，具体参数为时效温度190℃，时效时间24h，冷却方式为空冷。将热处理后的镁合金材料加工成标准的压缩与拉伸试样，在WE-100A液压式万能试验机上进行压缩与拉伸实验，得到镁合金材料的抗压强度512MPa，抗拉强度215MPa，能够满足许多材料对其抗压、抗拉强度的要求。在常温条件、浓度为3.5％盐水中该镁合金材料的溶解速率为4.31％，腐蚀速率较快，满足其密封球的要求。
Mg-Zn系合金进行时效处理后能产生显著的强化作用，晶界处析出的不连续硬而脆的第二相晶粒MgZn会阻碍位错运动，提高镁合金的强度和硬度。
按上述技术方案，所述步骤一中所述坩埚的表面涂覆ZnO。
按上述技术方案，所述步骤二中，对坩埚进行加热所采用的方式是，将SG2-7.5-10型坩埚电阻炉置于坩埚底部，对坩埚进行加热。
本发明产生的有益效果是：本发明高强度盐水可溶性镁合金材料具有高强度、质量轻并且在盐水中容易被腐蚀的特点，能够满足致密油气开采过程中密封球的性能要求，并且溶于水后产物无污染。本发明提供的高强度盐水可溶性镁合金材料的其制备方法，在熔炼过程采用机械搅拌的方式，同时采用挤压铸造工艺实现材料成型，并且对镁合金进行热处理，获得符合要求的高强度盐水可溶性镁合金材料。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中压铸模具的示意图；
图2是本发明实施例中压缩试样侧视尺寸；
图3是本发明实施例中压缩试样主视尺寸。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，首先提供一种高强度盐水可溶性镁合金材料，由以下质量百分比的成分组成，83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu。
本发明实施例中，提供以上所述高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，包括以下步骤，步骤一，将83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu(纯金属)加入坩埚中；步骤二，待步骤一中坩埚中镁合金完全融化并且温度上升到750℃后，加入中间合金Mg-30Cu，待该镁合金重新升高到750℃后，开始搅拌，同时进行加热，待该镁合金温度升高到780℃后，继续搅拌5mins，然后静置6～8mins；步骤三，将该熔融的镁合金倒入已经预热至120℃的压铸模具中，压铸模具的示意图如图1所示，压力机(型号YA32-200)提供压力200t，保压20s，待挤压铸造成型后，进行热处理。
进一步地，所述步骤三中，进行热处理具体为采用时效处理的热处理，具体参数为时效温度190℃，时效时间24h，冷却方式为空冷。将热处理后的镁合金材料加工成标准的压缩与拉伸试样，压缩试样侧视尺寸如图2，压缩试样主视尺寸如图3。在WE-100A液压式万能试验机上进行压缩与拉伸实验，得到镁合金材料的抗压强度512MPa，抗拉强度215MPa，能够满足许多材料对其抗压、抗拉强度的要求。在常温条件、浓度为3.5％盐水中该镁合金材料的溶解速率为4.31％，腐蚀速率较快，满足其密封球的要求。
Mg-Zn系合金进行时效处理后能产生显著的强化作用，晶界处析出的不连续硬而脆的第二相晶粒MgZn会阻碍位错运动，提高镁合金的强度和硬度。
本发明实施例中，进一步地，所述步骤一中所述坩埚的表面涂覆ZnO。
进一步地，所述步骤二中，对坩埚进行加热所采用的方式是，将SG2-7.5-10型坩埚电阻炉置于坩埚底部，对坩埚进行加热。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强度盐水可溶性镁合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成，83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu。
2.权利要求1所述的高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，将83％的Mg，8％的Zn，8％的Al，1％的Cu加入坩埚中；步骤二，待步骤一中坩埚中镁合金完全融化并且温度上升到750℃后，加入中间合金Mg-30Cu，待该镁合金重新升高到750℃后，开始搅拌，同时进行加热，待该镁合金温度升高到780℃后，继续搅拌5mins，然后静置6～8mins；步骤三，将该熔融的镁合金倒入已经预热至120℃的压铸模具中，压力机提供压力200t，保压20s，待挤压铸造成型后，进行热处理。
3.根据权利要求2所述的高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，进行热处理具体为采用时效处理的热处理，具体参数为时效温度190℃，时效时间24h，冷却方式为空冷。
4.根据权利要求2或3所述的高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中所述坩埚的表面涂覆ZnO。
5.根据权利要求2或3所述的高强度盐水可溶性镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，对坩埚进行加热所采用的方式是，将SG2-7.5-10型坩埚电阻炉置于坩埚底部，对坩埚进行加热。
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