CN108571443A - 一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双骨架结合的金属‑陶瓷复合缸套及其制造方法，属于耐磨缸套技术和陶瓷新材料领域。该复合缸套由金属外套和陶瓷内衬组成筒状结构；金属外套采用铝合金材料，陶瓷内衬为具有内部致密层和外部多孔层的复合结构，金属外套与陶瓷内衬之间的结合为互相嵌入的双骨架结构。本发明工艺简单，陶瓷内衬经整体成型和烧结而成，金属外套以及与陶瓷内衬之间的结合采用铝合金的熔铸直接成型，相比较传统热装配的金属(钢)‑陶瓷复合缸套，降低了产品重量，提高金属外套与陶瓷内衬结合的可靠性，减小陶瓷内衬在装配过程及使用过程中的内应力和开裂倾向。

Description

一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套及其制造方法
技术领域
本发明属于耐磨缸套技术和陶瓷新材料领域，尤其涉及一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套及其制造方法。
背景技术
泥浆泵是油田钻井系统的“心脏”，而泥浆泵缸套是泥浆泵液力端的重要易磨损部件，因此泥浆泵缸套的寿命直接影响泥浆泵的寿命。常见的泥浆泵缸套分为单金属缸套、双金属缸套和陶瓷缸套。传统的单金属缸套和双金属缸套在钻井过程中因泥浆温度较高，缸套耐腐蚀性和耐磨损性会变差，使用寿命缩短，导致设备更换频繁，一定程度上降低钻井的效率，维修成本高，加重工作负担。所以金属-陶瓷复合缸套有着很大的应用前景。
金属-陶瓷复合缸套是由承压金属外套和高耐磨的陶瓷内衬组成，经精密加工及装配合成一体的缸套。内衬为高硬度、高耐磨及良好抗冲蚀性能的陶瓷层大大提高了缸套的使用寿命，比传统的金属缸套高几倍的寿命，通常使用寿命可达4000小时以上，最低使用寿命也有2000小时以上。
虽然陶瓷缸套的应用有很大成效，但在生产及使用过程中仍然存在许多问题，其中主要是金属与陶瓷之间的配合以及由此引发的陶瓷内衬的内应力及开裂倾向。目前复合缸套的金属外套与陶瓷内衬的结合是通过过盈配合结合热装配实现，陶瓷内衬具有较大的内应力，使其在后续磨加工及使用过程中具有较大的开裂倾向，导致低寿命失效。此外，金属基体一般使用45#钢，重量较大，不利于产品的更换和运输。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术上的不足，提供一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套及其制造方法。本发明的复合缸套金属外套采用铝合金，减轻产品重量；铝合金外套与陶瓷内衬之间的结合为互相嵌入的双骨架结构，大大提高结合的可靠性，并且无传统热装配过程导致的陶瓷残余内应力，减小陶瓷开裂倾向。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套，该复合缸套由金属外套和陶瓷内衬组成筒状结构；金属外套采用铝合金材料，陶瓷内衬为具有内部致密层和外部多孔层的复合结构，金属外套与陶瓷内衬之间的结合为互相嵌入的双骨架结构。
优选地，所述的陶瓷内衬为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化锆增韧的氧化铝复合陶瓷中的一种。
本发明还提供一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，该制造方法包括如下步骤：
(1)陶瓷内衬加工：通过分层布料结合等静压成型制备内侧为陶瓷细颗粒、外侧为陶瓷粗颗粒的陶瓷坯体，坯体经切削加工至设计尺寸后，进行高温烧结，烧结结束后随炉冷却，获得内部致密层和外部多孔层的陶瓷内衬；对烧成的陶瓷进行精车、精磨；
(2)复合缸套铝合金金属外套的熔铸成型：在陶瓷内衬和外加模具之间熔铸铝合金，并保温一段时间实现液相铝合金在陶瓷内衬外层多孔陶瓷内的熔渗，冷却后获得双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套。
优选地，所述步骤(1)中陶瓷细颗粒的粒径范围在0.3～1.5μm之间。
优选地，所述步骤(1)中陶瓷粗颗粒的粒径范围在50～1000μm之间。
优选地，所述步骤(1)中的等静压成型压力为100～200MPa。
优选地，所述步骤(1)中的烧结温度为1450～1680℃，保温2～5h。
优选地，所述步骤(2)中的熔铸温度为700～1000℃，保温2～10h。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1)采用铝合金取代目前钢质外套，减轻产品重量；
2)铝合金外套与陶瓷内衬之间的结合为互相嵌入的双骨架结构，大大提高结合的可靠性；
3)无传统热装配过程导致的陶瓷残余内应力，减小陶瓷开裂倾向；
附图说明
图1为本发明金属-陶瓷复合结构的陶瓷缸套示意图；
附图标记中：1-金属外套、2-金属陶瓷双骨架结构、3-陶瓷内衬。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种金属-陶瓷复合结构的陶瓷缸套及其制造方法，如图1所示，外层为铝合金外套，内层为氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷(氧化锆含量23％)。其制造工艺如下：
(1)陶瓷内衬加工：分别选用陶瓷颗粒平均尺寸为0.4μm ZTA造粒粉和平均尺寸为100μm的氧化铝粉作为陶瓷内衬的内侧和外侧原料，通过分层布料结合等静压成型制备内侧为陶瓷细颗粒、外侧为陶瓷粗颗粒的陶瓷坯体，成型压力为130MPa，坯体经切削加工至设计尺寸后，在电炉中高温烧结，烧结温度为1600℃，保温2h，烧结结束后随炉冷却，获得内部致密层和外部多孔层的陶瓷内衬。对烧成的陶瓷内侧进行精车、精磨，达到设计光洁度要求。
(2)复合缸套铝合金金属外套的熔铸成型：在陶瓷内衬和外加模具之间熔铸铝合金，熔铸温度为800℃，并保温10h实现液相铝合金在陶瓷内衬外层多孔陶瓷内的熔渗，冷却后获得双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套，并对铝合金外表面进行精车和精磨，达到设计的尺寸和光洁度要求。
获得的致密层陶瓷密度为4.3g/cm3，表面硬度为HRA92，表面粗糙度小于0.3μm，陶瓷内衬与铝合金外套之间结合牢固。
实施例2
本实施例生产方法同实施例1，不同的是陶瓷内衬成分为纯氧化锆陶瓷，烧结温度为1450℃。
获得的致密层陶瓷密度为6.0g/cm3，表面硬度为HRA89，表面粗糙度小于0.3μm，陶瓷内衬与铝合金外套之间结合牢固。
实施例3
本实施例生产方法同实施例1，不同的是陶瓷内衬成分为氧化铝陶瓷(Al2O3含量99％)，烧结温度为1680℃。
获得的致密层陶瓷密度为3.6g/cm3，表面硬度为HRA92，表面粗糙度小于0.3μm，陶瓷内衬与铝合金外套之间结合牢固。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套，其特征在于，该复合缸套由金属外套和陶瓷内衬组成筒状结构；金属外套采用铝合金材料，陶瓷内衬为具有内部致密层和外部多孔层的复合结构，金属外套与陶瓷内衬之间的结合为互相嵌入的双骨架结构。
2.根据权利要求1所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套，其特征在于，所述的陶瓷内衬为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化锆增韧的氧化铝复合陶瓷中的一种。
3.根据权利要求1所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下步骤：
(1)陶瓷内衬加工：通过分层布料结合等静压成型制备内侧为陶瓷细颗粒、外侧为陶瓷粗颗粒的陶瓷坯体，坯体经切削加工至设计尺寸后，进行高温烧结，烧结结束后随炉冷却，获得内部致密层和外部多孔层的陶瓷内衬；对烧成的陶瓷进行精车、精磨；
(2)复合缸套铝合金金属外套的熔铸成型：在陶瓷内衬和外加模具之间熔铸铝合金，并保温一段时间实现液相铝合金在陶瓷内衬外层多孔陶瓷内的熔渗，冷却后获得双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套。
4.根据权利要求3所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中陶瓷细颗粒的粒径范围在0.3～1.5μm之间。
5.根据权利要求3所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中陶瓷粗颗粒的粒径范围在50～1000μm之间。
6.根据权利要求3所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的等静压成型压力为100～200MPa。
7.根据权利要求3所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的烧结温度为1450～1680℃，保温2～5h。
8.根据权利要求3所述的双骨架结合的金属-陶瓷复合缸套的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中的熔铸温度为700～1000℃，保温2～10h。
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