[发明专利]稀土掺杂的Al2O3/ZrO2复合材料及陶瓷缸套的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种稀土掺杂的Al₂O₃/ZrO₂复合材料及陶瓷缸套的制备方法。

背景技术

在石油工业中，高压泥浆泵是油田钻井工作台的“心脏”，负责将钻机的血液——“泥浆”输送到井下，完成物质和能量传递，而缸套是泥浆泵的重要部件。目前油田所用泥浆泵中的缸套，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，增加设备成本消耗，带来很大的经济损失。

由于结构陶瓷在强度、硬度、耐磨、耐腐蚀等方面优良性能，陶瓷缸套应运而生。目前，市场上的陶瓷缸套主要是氧化铝陶瓷缸套及氧化锆陶瓷缸套，虽然它们较金属缸套的使用寿命有提高，但其自身仍然存在着许多缺点和不足。就氧化铝陶瓷缸套而言，氧化铝陶瓷是一种综合性能优良的陶瓷材料，如硬度高、强度大、耐高温、耐磨、耐腐蚀、膨胀系数低等，可以在比较苛刻的情况下使用。但氧化铝陶瓷的致命弱点是脆性大，抗冲击载荷能力差，其产品加工难度大，陶瓷件与金属装配困难，且装配合格率低；而氧化锆陶瓷缸套，在湿热环境下材料容易老化，严重影响其使用寿命，成本较高。

如何在保持氧化铝陶瓷材料及氧化锆陶瓷已有性能的前提下，提高陶瓷材料及其制品的力学性能，满足物料长期对陶瓷缸套的冲击、冲刷、腐蚀及磨损，提高其使用寿命，是目前陶瓷材料研究的重点之一。 

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种耐磨、耐腐蚀、耐冲击、使用寿命较长的稀土掺杂的Al₂O₃/ZrO₂复合材料；

还提供了利用上述复合材料制备陶瓷缸套的方法。

本发明的技术方案如下：

[微软用户1] ，由下述重量百分比的原料组成：α-Al₂O₃ 30%～50%、ZrO₂ 40%～60%、MgO 0.3%～1.2%、Y₂O₃ 2%～6%、CeO₂ 0.5%～2.5%、La₂O₃ 0.5%～3.5%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.03%～0.12 %的粘结剂、0.1%～0.6%的分散剂。

其中的原料粒度要求为：α-Al₂O₃ 1.2～1.8um、Y₂O₃ 0.8～1.5 um、CeO₂ 0.5～1.5um、La₂O₃ 0.5～1.5um、ZrO₂ 0.8～1.6 um。

所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素中的一种或多种；所述分散剂为偏硅酸钠、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸纳、六偏磷酸钠、焦磷酸钠中的一种。

利用上述材料制备陶瓷缸套的方法，包括以下步骤：

（1）根据配方称量好各种原料，先将α-Al₂O₃、ZrO₂微粉投入搅拌磨，加水球磨，加入料、球和水的重量比为1:2.5:0.8，当料浆细度D₅₀达到3.0～3.5微米时，向球磨机中加入除粘结剂外的其余原料，继续球磨；当料浆细度D₅₀达到1.5～2.0微米时，加入粘结剂，再球磨5～10min出磨，喷雾造粒，得到粒度为40～150目的造粒粉，造粒粉的含水率控制在1.2%（质量）以下；

（2）冷等静压成型  将造粒粉装入冷等静压成型模套，压制成陶瓷缸套毛坯；成型压力为180～200MPa，在此压力下保压2-4 min；

（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制毛坯，车床转速200～360r/min；

（4）烧成 将车制后的毛坯采用座烧方法装窑，烧成温度为1590～1640℃，在此温度下保温4～4.5h烧成，出窑。

所述等静压成型时的压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至180-200MPa，历时7min，保压2-5min；由180-200MPa逐渐减压至100MPa，历时1min，保压2-4min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压1-3min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时1-3min。