專利名稱：含碳化釩的鐵基形狀記憶合金及其形狀記憶封隔器的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵基形狀記憶合金和油田封隔器，特別是一種含有碳化釩的鐵基形狀記憶合金和形狀記憶封隔器。
背景技術(shù)：
鐵基形狀記憶合金在建筑、機(jī)械、石油化工、電力等各項領(lǐng)域用于操作結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)，防松結(jié)構(gòu)均有廣泛前途并備受關(guān)注。
上述常用的形狀記憶合金是以Fe、Mn和Si為主要組成成分的Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N系的形狀記憶合金。
但是，目前上述幾個系列合金還不方便實用，主要原因是這種合金如不經(jīng)過多次記憶訓(xùn)練，就不能充分顯示形狀記憶的效果。所謂多次記憶訓(xùn)練即指在一定溫度下施加變形，然后在逆相變點(diǎn)以上附近進(jìn)行退火熱處理，再重復(fù)上述循環(huán)多次訓(xùn)練的操作工藝。以往的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金由于必須執(zhí)行上述繁瑣訓(xùn)練工藝，影響到推廣使用。
中國專利CN 1317595 A公開了一種主要成分是Fe-Mn-Si并含有少量碳化鈮的形狀記憶合金，經(jīng)過實效處理即可得到較大回復(fù)率。但是上述形狀記憶合金中鈮元素是貴重元素，成本較高，另外均勻化處理的溫度也較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含碳化釩的鐵基形狀記憶合金，可以解決以往的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金的繁瑣訓(xùn)練問題，即改進(jìn)的新型Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，不需要通過復(fù)雜處理也能獲得良好的形狀記憶性能。本發(fā)明成本低，均勻化處理容易，形狀記憶效果好。
本發(fā)明提供一種含碳化釩的鐵基形狀記憶合金封隔器，它包含新的鐵基形狀記憶合金成分，是在石油油井封隔器上的成功應(yīng)用。這種封隔器結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、封隔良好、抗高溫、易坐封、多級使用方便。
本發(fā)明是一種含有碳化釩的鐵基形狀記憶合金，它是至少含有Fe、Mn和Si作為主要化學(xué)成分的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，其中的組織中含有碳化釩。
本發(fā)明上述所說的Fe-Mn-Si系合金中的碳化釩的重量百分比為0.1-1.5％；本發(fā)明上述所說的該合金含有碳化釩，要求化學(xué)成分中釩與碳的原子比例為V/C≥1。
本發(fā)明的制造方法是冶煉添加釩和碳而熔煉成合金，在1000-1200℃的范圍內(nèi)進(jìn)行均勻化熱處理，然后在400-1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時效處理，使碳化釩析出。
本發(fā)明的優(yōu)選合金是含有Fe、Mn和Si作為主要組成成分，也可包括Ni、Cr、N元素，即為Fe-Mn-Si-Cr、Fe-Mn-Si-Cr-N或Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N合金系。該合金的組織中含有碳化釩，由于合金組織中存在碳化釩共格析出，促進(jìn)了ε馬氏體定向長大，從而提供了形狀記憶過程所需的參照系統(tǒng)，所以能夠獲得更好的形狀記憶效果。因此本發(fā)明的形狀記憶合金不需要進(jìn)行多次訓(xùn)練；同時為了配置碳化釩，增加了合金的含碳量，這樣簡化了冶金工藝，冶煉合金可不必要采用AOD或VOD精煉，當(dāng)合金含碳量超過0.08％，則可以直接用電弧爐冶煉，因此能大大降低工藝成本。
本發(fā)明合金中，上述所說的碳化釩的最佳含量為0.1-1.5％，當(dāng)碳化釩的重量百分比低于0.1％的時候，不能得到本發(fā)明的預(yù)期結(jié)果；另外，當(dāng)碳化釩的含量超過1.5％時，合金的力學(xué)性能和切削加工性能急劇下降，從實用角度考慮不可取。
本發(fā)明的形狀記憶合金的化學(xué)組成(重量百分比％)如下Mn2-30；Si2-6；Cr0-20；Ni0-20；N0-0.2；Fe余量在說明這些化學(xué)組成時，需要提出本發(fā)明的形狀記憶合金組織中含有碳化釩，這樣相應(yīng)碳化釩的化學(xué)組成(重量％)應(yīng)當(dāng)是V≥0.08-1.25；C＝0.02-0.25即由釩和碳構(gòu)成的碳化釩，如上所述最佳重量比為0.1-1.5％，另外，釩與碳的原子比應(yīng)在1以上。
上述發(fā)明的含有碳化釩的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金可以采用下述方法制造，即使用規(guī)定的元素原料，并添加微量的釩和碳進(jìn)行熔煉，然后在1000-1200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均質(zhì)化處理，然后在400-900℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時效處理，使碳化釩析出如圖1所示，圖1(a)為碳化釩的透射電子顯微鏡(111)VC暗場像，圖1(b)為電子衍射譜，其中大斑點(diǎn)為奧氏體斑點(diǎn)，屬于[211]晶帶軸，小班點(diǎn)是同位向共格的碳化釩析出相的斑點(diǎn)。
本發(fā)明提供了含有碳化釩的形狀記憶合金的形狀記憶封隔器，它是包含上主體、下主體螺結(jié)成本體，本體上下分別有陰陽錐面管螺紋，用于連接上下拉管，上主體和下主體之間螺結(jié)上蓋圈和下蓋圈，其中間夾有膠筒，膠筒內(nèi)側(cè)上、下水平圓周上均布上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片；所述的形狀記憶弓片是含有碳化釩的形狀記憶合金。所述的上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片可以是上下1-5組形狀記憶弓片；所述的上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片每組可以是6-12片。
本發(fā)明可以免除以往Fe-Mn-Si系形狀記憶合金繁瑣的訓(xùn)練工藝，即不通過復(fù)雜處理也能獲得良好的形狀記憶效果；同時簡化了冶煉工藝。本發(fā)明可適用于任意形狀的合金零件，可以用作連接部件，例如用于連接自來水管、煤氣管、石油輸送管道等，因為不用焊接連接，就避免了焊縫延遲斷裂和應(yīng)力腐蝕問題。
本發(fā)明提供了在石油油井封隔器上成功的應(yīng)用。這種封隔器結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、封隔良好、抗高溫、易坐封、多級使用方便。


圖1.碳化釩的電子顯微鏡圖及電子衍射譜。
圖2.彎曲法測量形狀記憶效應(yīng)示意圖。
圖3.不同處理制度獲得的形狀記憶效應(yīng)。
圖4.形狀記憶封隔器示意圖。
具體實施例方式
實施例1下面舉實例對比說明加入碳化釩與未加碳化釩的效果區(qū)別。
通過空氣感應(yīng)爐熔煉制造下列三種化學(xué)組成(重量％)的合金。
①Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni②Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-0.5(VC)③Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-1.5(VC)對于②③兩種合金，在1200℃溫度下均質(zhì)化10小時，然后在800℃時效處理1.5小時。經(jīng)過時效處理后的合金試樣在透射電鏡照片中都發(fā)現(xiàn)存在碳化釩。
為了便于比較，熔煉①合金，只進(jìn)行上述均質(zhì)化處理，因為合金不含釩，因此檢測不到碳化釩，該合金一般要經(jīng)過多次訓(xùn)練。
對于上述含碳化釩的合金②③和用于比較的一般記憶合金①，通過彎曲法評價形狀記憶效果。實驗使用的板條狀試樣，尺寸為0.5mm(厚)×100mm(長)×3mm(寬)。試樣的變形量為5％。圖2是彎曲法測量形狀記憶效應(yīng)示意圖。變形量采用(1)式計算ϵp=tt+d×100%---(1);]]>其中，t是試樣的厚度，d是模具的直徑；形狀記憶回復(fù)率采用(2)式計算 其中θm代表加熱后回復(fù)的角度；形狀記憶應(yīng)變回復(fù)量采用(3)式計算εm＝ηm×εp(3)；圖3示出不同處理制度的形狀記憶效果。由圖中可以看出，與以往合金相比，本發(fā)明合金可以提高20-30％形狀記憶回復(fù)量。根據(jù)本發(fā)明，不需要進(jìn)行多次訓(xùn)練熱處理，就可以獲得明顯的形狀記憶功能。本發(fā)明可適用于任意形狀連接部件，例如用于連接自來水管、煤氣管、石油輸送管道等，其中由于由于本發(fā)明材料形狀記憶性能好，用于形狀記憶封割器效果非常良好。
實施例2利用上述材料作成零件，可以制備下述特殊功能封隔器。
石油油井封隔器是油田采油的常用工具，常用于組成注汽管柱、封上注下管柱、封下注上管柱、封竄管柱和兩層分注管柱和其他多種用途，有目的封隔和密封油井套管內(nèi)部空間。過去多用C-Z、DGT、HBD-1、MJS、KT-2、UN1-V1、和R-2等，液壓式封隔器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，采用雙金屬片封隔器可控性很差，熱穩(wěn)定欠佳，因此本發(fā)明提出改進(jìn)。
本發(fā)明提出一種形狀記憶封隔器，見圖4，由上主體1、下主體7螺結(jié)成本體、本體上下分別有陰陽錐面管螺紋，用于連接上下拉管，上主體和下主體之間螺結(jié)上蓋圈2和下蓋圈6，其中間夾膠筒4，膠筒內(nèi)側(cè)上、下水平圓周上均布上形狀記憶弓片3和下形狀記憶弓片5，有上下兩組每組八片，每組還可以是6-12片，按上述材料制造形狀記憶弓片。通過上主體壁孔熱蒸汽加熱形狀記憶弓片，使其分別弓起、均勻撐大膠筒，從而壓緊密封油井套管，起到封隔采油空間作用。所述的形狀記憶封隔器，其組成有上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片共兩組形狀記憶弓片，根據(jù)需要可增加至5組，或減少至一組。本發(fā)明形狀記憶封割器結(jié)構(gòu)非常簡單，抗高溫、易坐封，人為控制性能好，分隔密封可靠，多級使用十分方便。
某油井地下原油粘度高7.9mPa.s，相對密度大0.804g/cm3，原油含臘42-50％，原油壓縮系數(shù)79.9×10-5/MPa，由于油層具有偏析和蒸汽超覆現(xiàn)象，則采用兩個封隔器以封上注下的方式，注入蒸汽進(jìn)行開采，注汽壓力17.5MPa，蒸氣溫度350℃，封隔器最大直徑118mm，最小內(nèi)徑90mm，封隔器總長短于一般封隔器1/3，為2900mm。形狀記憶材料組成為C 0.09，Si 5.8，Mn 16，Ni 2，Cr 9，V 0.4，S 0.02，P 0.03，余量Fe。
訓(xùn)練后形狀記憶補(bǔ)井尺寸為20mm×8mm×120mm，封隔器下井到預(yù)定位置后，通入蒸氣溫度高于200℃時，上述鐵基形狀記憶合金制作的形狀記憶弓片開始中間變彎隆起，壓迫膠筒擴(kuò)徑，緊密壓迫套管內(nèi)壁，封隔效果良好，坐封時間20min，內(nèi)外壓力差可達(dá)20MPa。記憶合金隨溫度升高，形狀彎曲回復(fù)越大，合金強(qiáng)度不下降反而升高，因此熱穩(wěn)定性良好，杜絕了封隔器高溫軟化現(xiàn)象，同時在減少汽量及停汽期間，仍能保持良好的密封狀態(tài)。由于利用封隔器卡封，該井平均日產(chǎn)達(dá)到18噸，平均每日增產(chǎn)6噸，每年單井增產(chǎn)612噸原油，收到良好效果。
權(quán)利要求
1.一種含碳化釩的鐵基形狀記憶合金，該合金是以Fe，Mn和Si作為主要成分的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，其特征在于其組織體積中含有0.1-1.5％碳化釩。
2.按照權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金，其特征在于該合金還可包括Ni、Cr和N元素，即Fe-Mn-Si-Cr、Fe-Mn-Si-Cr-N或Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N合金系。
3.按照權(quán)利要求的1-2中任一項所述的形狀記憶合金，其特征在于在合金的化學(xué)組成中釩與碳的原子比例為V/C≥1。
4.權(quán)利要求1所述的含有碳化釩的形狀記憶合金的制造方法，其特征在于添加釩和碳而熔煉成的合金，在1000-1200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均質(zhì)化處理，使碳化釩回熔，然后在400-900℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時效處理，使碳化釩析出。
5.一種權(quán)利要求1所述的含有碳化釩的形狀記憶合金的形狀記憶封隔器，其特征在于它是包含上主體、下主體螺結(jié)成本體，本體上下分別有陰陽錐面管螺紋，用于連接上下拉管，上主體和下主體之間螺結(jié)上蓋圈和下蓋圈，其中間夾有膠筒，膠筒內(nèi)側(cè)上、下水平圓周上均布上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片；所述的形狀記憶弓片是含有碳化釩的形狀記憶合金。
6.按照權(quán)利要求5所述的形狀記憶封隔器，其特征在于所述的上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片可以是上下1-5組形狀記憶弓片；所述的上形狀記憶弓片和下形狀記憶弓片每組可以是6-12片。
全文摘要
本發(fā)明涉及含碳化釩的鐵基形狀記憶合金及其形狀記憶封隔器，該合金是以Fe、Mn、Si作為主要組成成分的Fe－Mn－Si系、Fe－Mn－Si－Cr－Ni系和Fe－Mn－Si－Cr－Ni－N系形狀記憶合金，其組織中含有碳化釩。本發(fā)明的材料簡化了冶煉工藝，并能大幅度提高記憶性能，經(jīng)過一次訓(xùn)練即可充分顯示出良好的形狀記憶性能。利用該合金制備的形狀記憶封隔器，這種封隔器結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、封隔良好、抗高溫、易坐封、多級使用方便。
文檔編號C22C38/04GK1563466SQ20041001900
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月13日
發(fā)明者劉文西, 陳玉如, 陳士儀, 劉寶祥, 崔鵬, 劉潔 申請人:劉文西