[发明专利]一种氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料，具体地说，涉及一种氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法。

背景技术

在目前石油钻井中，泥浆泵是钻井工作台的“心脏”，泥浆泵中的缸套是耗量很大的易损部件。目前油田所用的泥浆泵中的缸套，基本上都是由低碳钢外套和高铬铸铁内衬组合而成的复合型金属缸套，由于工况恶劣，金属缸套使用寿命短，不得不频繁更换，从而严重影响生产效率，并且增加设备成本消耗，带来很大的经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化锆陶瓷缸套材料以及这种氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，这种氧化锆陶瓷缸套材料具有非常高的耐磨损、耐腐蚀、耐高温的特性，采用这种材料制作的泥浆泵缸套的内衬具有使用寿命长、性价比高的优点。采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种氧化锆陶瓷缸套材料，这种氧化锆陶瓷缸套材料的组成为：氧化锆65～75wt％，氧化铈3～6wt％，氧化钇1～3wt％，氧化铝20～30wt％，二氧化钛0.5～2wt％。

上述氧化锆陶瓷缸套材料中，氧化锆(ZrO2)是这种材料的基体；氧化钇(Y2O3)可以稳定氧化锆的四方晶相；氧化铈(CeO2)除了能够稳定氧化锆的四方晶相外，还能防止材料在高温、高湿度条件下的强度退化；氧化铝(Al2O3)能提高材料的强度、硬度和耐磨性等力学性能；二氧化钛(TiO2)能降低材料的烧结温度，缩短烧结时间，二氧化钛固融于氧化铝还可以使得材料具有很好的抗热震性。

另一方面，本发明还提供上述氧化锆陶瓷缸套材料的一种制备方法，依次包括下述步骤：

(1)将氧化锆、氧化铈、氧化钇、氧化铝和二氧化钛加入到搅拌磨的球磨桶中，形成混合物料，并向混合物料中加入粘结剂，然后进行球磨，得到浆料；上述混合物料中，各种原料的配比为：氧化锆65～75wt％，氧化铈3～6wt％，氧化钇1～3wt％，氧化铝20～30wt％，二氧化钛0.5～2wt％；加入的粘结剂的重量是混合物料总重的0.5-1.5％；

优选上述粘结剂为纤维素醚类有机物。粘结剂在干压成型阶段起到粘合作用，提高所压制的生坯的强度，降低生坯破损率。

优选球磨采用湿式搅拌磨的方式，磨介采用氧化锆球，氧化锆球、水、混合物料的重量比例为(5～8)∶(1～1.5)∶1；

球磨是一个将混合物料细化和均匀化的过程，经过球磨，球磨桶内的各种原料被磨细并混合均匀，为造粒工序准备浆料。

优选在球磨之前，向上述混合物料中加入分散剂，加入的分散剂的重量是混合物料总重的0.5-1.5％。优选上述分散剂是聚羧酸系有机物，如聚丙烯酸盐类有机物、聚丙烯酸酯类有机物、聚马来酸类有机物、聚马来酸酐类有机物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸盐、聚甲基丙烯酸酯或马来酸共聚物。分散剂在球磨阶段能降低浆料的粘度，提高浆料的均匀性，提高研磨效率；并且在造粒阶段有助于提高粉料的流动性。

(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，去除浆料中的水分，得到造粒粉；

造粒可在喷雾干燥塔中进行，优选喷雾干燥塔中离心喷雾盘的转速为6500～8000rpm，进风温度为200～300℃，出风温度为100～150℃；

得到的造粒粉具备良好流动性。

(3)将步骤(2)得到的造粒粉置于模具中进行预成型压制，然后进行冷等静压处理，得到生坯；优选预成型压制的工作压力是200～400kg/cm²；冷等静压处理是目前常用的干压成型技术，优选冷等静压处理的工作压力是1300～1800kg/cm²；

对于尺寸较大的产品，也可直接将步骤(2)得到的造粒粉置于软胶套中，进行冷等静压处理，得到生坯；

(4)对步骤(3)得到的生坯进行预烧，排除生坯中的粘结剂；

优选预烧温度为600～900℃；保温时间根据生坯的形状和厚度而定，一般为8～12小时；

如果步骤(1)中，在球磨之前向混合物料中加入分散剂，则本步骤通过预烧，还排除生坯中的分散剂。

通过预烧，有利于下一步材料的致密化成瓷；

(5)对步骤(4)得到的生坯进行烧结，使生坯致密化成瓷，得到氧化锆陶瓷缸套材料。

优选烧结温度为1550～1600℃；保温时间根据生坯的形状和厚度而定，一般为5～10小时。