專利名稱：一種氧化鋯陶瓷缸套材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷材料，具體地說，涉及一種氧化鋯陶瓷缸套材料及其制備方法。
背景技術：
在目前石油鉆井中，泥漿泵是鉆井工作臺的"心臟"，泥漿泵中的缸套是耗量很大的易損部件。目前油田所用的泥漿泵中的缸套，基本上都是由低碳鋼外套和高鉻鑄鐵內(nèi)襯組合而成的復合型金屬缸套，由于工況惡劣，金屬缸套使用壽命短，不得不頻繁更換，從而嚴重影響生產(chǎn)效率，并且增加設備成本消耗，帶來很大的經(jīng)濟損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種氧化鋯陶瓷缸套材料以及這種氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，這種氧化鋯陶瓷缸套材料具有非常高的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫的特性，采用這種材料制作的泥漿泵缸套的內(nèi)襯具有使用壽命長、性價比高的優(yōu)點。采用的技術方案如下
一方面，本發(fā)明提供一種氧化鋯陶瓷缸套材料，這種氧化鋯陶瓷缸套材料的組成為氧化鋯65 75wte/。，氧化鈰3 6\￥1%，氧化釔
l 3wt°/。，氧化鋁20 30wt。/。， 二氧化鈦0.5 2 wt%。
上述氧化鋯陶瓷缸套材料中，氧化鋯(Zr02)是這種材料的基體；氧化釔(Y203)可以穩(wěn)定氧化鋯的四方晶相；氧化鈰(Ce02)除了能夠穩(wěn)定氧化鋯的四方晶相外，還能防止材料在高溫、高濕度條件下的強度退化；氧化鋁(A1203)能提高材料的強度、硬度和耐磨性等力學性能；二氧化鈦(Ti02)能降低材料的燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間，二氧化鈦固融于氧化鋁還可以使得材料具有很好的抗熱震性。
另 一方面，本發(fā)明還提供上述氧化鋯陶瓷缸套材料的一種制備方法，依次包括下述步驟
(1) 將氧化鋯、氧化鈰、氧化釔、氧化鋁和二氧化鈦加入到攪拌磨的球磨桶中，形成混合物料，并向混合物料中加入粘結(jié)劑，然后進行球磨，得到漿料；上述混合物料中，各種原料的配比為氧化鋯
65 75wt%，氧化鈰3 6 wt%，氧化釔l 3wt°/。，氧化鋁20 30 wt%，二氧化鈦0.5 2 wt%;加入的粘結(jié)劑的重量是混合物料總重的
0.5-1.5%;
優(yōu)選上述粘結(jié)劑為纖維素醚類有機物。粘結(jié)劑在干壓成型階段起到粘合作用，提高所壓制的生坯的強度，降低生坯破損率。
優(yōu)選球磨采用濕式攪拌磨的方式，磨介采用氧化鋯球，氧化鋯球、
水、混合物料的重量比例為(5 8): (1 1.5): 1;
球磨是一個將混合物料細化和均勻化的過程，經(jīng)過球磨，球磨桶內(nèi)的各種原料被磨細并混合均勻，為造粒工序準備漿料。
優(yōu)選在球磨之前，向上述混合物料中加入分散劑，加入的分散劑
的重量是混合物料總重的0.5-1.5%。優(yōu)選上述分散劑是聚羧酸系有機
物，如聚丙烯酸鹽類有機物、聚丙烯酸酯類有機物、聚馬來酸類有機物、聚馬來酸酐類有機物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸酯或馬來酸共聚物。分散劑在球磨階
段能降低漿料的粘度，提高漿料的均勻性，提高研磨效率；并且在造粒階段有助于提高粉料的流動性。
(2) 造粒將步驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥，去除漿料中的水分，得到造粒粉；
造?？稍趪婌F干燥塔中進行，優(yōu)選噴霧干燥塔中離心噴霧盤的轉(zhuǎn)速為6500 8000rpm，進風溫度為200 300°C，出風溫度為100 150。C;
得到的造粒粉具備良好流動性。
(3) 將步驟(2)得到的造粒粉置于模具中進行預成型壓制，然后進行冷等靜壓處理，得到生坯;優(yōu)選預成型壓制的工作壓力是200 400 kg/cm2;冷等靜壓處理是目前常用的干壓成型技術，優(yōu)選冷等靜壓處理的工作壓力是1300 1800 kg/cm2;
對于尺寸較大的產(chǎn)品，也可直接將步驟(2)得到的造粒粉置于軟膠套中，進行冷等靜壓處理，得到生坯；
(4) 對步驟(3)得到的生坯進行預燒，排除生坯中的粘結(jié)劑；優(yōu)選預燒溫度為600 900°C;保溫時間根據(jù)生坯的形狀和厚度
而定， 一般為8 12小時；
如果步驟(1)中，在球磨之前向混合物料中加入分散劑，則本步驟通過預燒，還排除生坯中的分散劑。
通過預燒，有利于下一步材料的致密化成瓷；
(5) 對步驟(4)得到的生坯進行燒結(jié)，使生坯致密化成瓷，得到氧化鋯陶瓷缸套材料。
優(yōu)選燒結(jié)溫度為1550 1600°C;保溫時間根據(jù)生坯的形狀和厚度而定， 一般為5 10小時。
本發(fā)明提供的氧化鋯陶瓷缸套材料中，氧化鈰和氧化釔作為復合穩(wěn)定劑，氧化鋁作為增強劑，二氧化鈦作為抗熱震劑，因此這種氧化鋯陶瓷缸套材料具有較高的強度、韌性和抗熱震性，更耐磨損、耐腐蝕、耐高溫；其各項性能指標如下硬度(維氏)為13 14.5GPa，抗彎強度為900 1150MPa，斷裂韌性為8.30 10 MPa m1/2。采用這種氧化鋯陶瓷缸套材料制作泥漿泵缸套的內(nèi)襯，具有如下優(yōu)越性(1)使用壽命長，性價比高，陶瓷缸套的壽命約為金屬缸套的5-10倍，而其價格約為金屬缸套的3-5倍；這樣可降低設備成本消耗，并且可大幅度減少停機維修換缸套的次數(shù)，減少由于停產(chǎn)和維修造成的經(jīng)濟損失，減輕工人的工作強度；(2)減少缸套中活塞的磨損，延長活塞的使用壽命，節(jié)省活塞費用；(3)節(jié)省貴重金屬資源，高鉻鑄鐵含有相當數(shù)量的貴重金屬絡、鉬，使用一個陶瓷缸套就可少用5-10個金屬缸套。
具體實施例方式
6實施例1
本實施例中，氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法依次包括下述步
驟
(1) 將65Kg (千克)氧化鋯、3Kg氧化鈰、1Kg氧化釔、29Kg氧化鋁和2Kg 二氧化鈦加入到攪拌磨的球磨桶中，形成100Kg混合物料，并向混合物料中加入0.6Kg粘結(jié)劑(均為甲基纖維素)和1.5Kg分散劑(均為聚甲基丙烯酸氨)，然后進行球磨，得到均勻分散的漿料；
球磨采用濕式攪拌磨的方式，磨介采用氧化鋯球，氧化鋯球、水、
混合物料的重量比例為6: 1: 1;
(2) 造粒將步驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥，去除漿料中的水分，得到具備良好流動性的造粒粉；
造粒在噴霧干燥塔中進行，噴霧干燥塔中離心噴霧盤的轉(zhuǎn)速為
6500rpm，進風溫度為250。C，出風溫度為130°C;
(3) 將步驟(2)得到的造粒粉置于模具中進行預成型壓制，然后進行冷等靜壓處理，得到生坯；預成型壓制的工作壓力是210kg/cm2;冷等靜壓處理的工作壓力是1350 kg/cm2;
(4) 對步驟(3)得到的生坯進行預燒，排除生坯中的粘結(jié)劑和分散劑；
預燒溫度為90(TC，保溫時間為8小時；
(5) 對步驟(4)得到的生坯進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550°C，保溫時間為10小時，使生坯致密化成瓷，得到氧化鋯陶瓷缸套材料。
得到的100Kg氧化鋯陶瓷缸套材料由65Kg氧化鋯、3Kg氧化鈰、1Kg氧化釔、29Kg氧化鋁和2Kg 二氧化鈦組成。該材料的性能指標如下維氏硬度13.8GPa、抗彎強度920MPa、斷裂韌性9.7 MPa *m1/2。
當需要更大批量生產(chǎn)上述鈰穩(wěn)定氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料時，按步驟(1)的比例配備各種原料即可。
實施例2本實施例中，氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法依次包括下述步
驟
(1) 將68Kg氧化鋯、6Kg氧化鈰、3Kg氧化釔、22Kg氧化鋁 和1Kg 二氧化鈦加入到攪拌磨的球磨桶中，形成100Kg混合物料， 并向混合物料中加入1.5Kg粘結(jié)劑(均為乙基纖維素)和0.8Kg分散 劑(均為聚甲基丙烯酸乙酯)，然后進行球磨，得到均勻分散的漿料；
球磨采用濕式攪拌磨的方式，磨介采用氧化鋯球，氧化鋯球、水、 混合物料的重量比例為7: 1.5: 1;
(2) 造粒將步驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥，去除漿料中 的水分，得到具備良好流動性的造粒粉；
造粒在噴霧干燥塔中進行，噴霧干燥塔中離心噴霧盤的轉(zhuǎn)速為
7000rpm，進風溫度為290。C，出風溫度為150°C;
(3) 將步驟(2)得到的造粒粉置于模具中進行預成型壓制，然 后進行冷等靜壓處理，得到生坯；預成型壓制的工作壓力是300 kg/cm2;冷等靜壓處理的工作壓力是1800 kg/cm2;
(4) 對步驟(3)得到的生坯進行預燒，排除生坯中的粘結(jié)劑和 分散劑；
預燒溫度為80(TC，保溫時間為9小時；
(5) 對步驟(4)得到的生坯進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600°C， 保溫時間為5.5小時，使生坯致密化成瓷，得到氧化鋯陶瓷缸套材料。
得到的100Kg氧化鋯陶瓷缸套材料由68Kg氧化鋯、6Kg氧化鈰、 3Kg氧化釔、22Kg氧化鋁和1Kg二氧化鈦組成。該材料的性能指標 如下維氏硬度14.2GPa、抗彎強度1050MPa、斷裂韌性8.8 MPa m1/2。
當需要更大批量生產(chǎn)上述鈰穩(wěn)定氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料時，按步驟 (1)的比例配備各種原料即可。
實施例3
本實施例中，氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法依次包括下述步
驟
8(1) 將74Kg氧化鋯、4Kg氧化鈰、1.5Kg氧化釔、20Kg氧化 鋁和0.5Kg 二氧化鈦加入到攪拌磨的球磨桶中，形成100Kg混合物 料，并向混合物料中加入l.OKg粘結(jié)劑(均為羧甲基纖維素)和0.5Kg 分散劑(均為聚馬來酸酐)，然后進行球磨，得到均勻分散的漿料；
球磨采用濕式攪拌磨的方式，磨介采用氧化鋯球，氧化鋯球、水、 混合物料的重量比例為8: 1.3: 1;
(2) 造粒將步驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥，去除漿料中 的水分，得到具備良好流動性的造粒粉；
造粒在噴霧干燥塔中進行，噴霧干燥塔中離心噴霧盤的轉(zhuǎn)速為 7900rpm，進風溫度為200。C，出風溫度為100°C;
(3) 將步驟(2)得到的造粒粉置于模具中進行預成型壓制，然 后進行冷等靜壓處理，得到生坯；預成型壓制的工作壓力是400 kg/cm2;冷等靜壓處理的工作壓力是1500 kg/cm2;
(4) 對步驟(3)得到的生坯進行預燒，排除生坯中的粘結(jié)劑和 分散劑；
預燒溫度為600°C，保溫時間為12小時；
(5) 對步驟(4)得到的生坯進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1570°C， 保溫時間為8小時，使生坯致密化成瓷，得到氧化鋯陶瓷缸套材料。
得到的100Kg氧化鋯陶瓷缸套材料由74Kg氧化鋯、4Kg氧化鈰、 1.5Kg氧化釔、20Kg氧化鋁和0.5Kg 二氧化鈦組成。該材料的性能指 標如下維氏硬度14.2GPa、抗彎強度1050MPa、斷裂韌性8.8 MPa m1/2。
當需要更大批量生產(chǎn)上述鈰穩(wěn)定氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料時，按步驟 (1)的比例配備各種原料即可。
9
權(quán)利要求
1、一種氧化鋯陶瓷缸套材料，其特征在于其組成為氧化鋯65～75wt％，氧化鈰3～6wt％，氧化釔1～3wt％，氧化鋁20～30wt％，二氧化鈦0.5～2wt％。
2、 權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其特征在 于依次包括下述步驟(1) 將氧化鋯、氧化鈰、氧化釔、氧化鋁和二氧化鈦加入到攪拌 磨的球磨桶中，形成混合物料，并向混合物料中加入粘結(jié)劑，然后進 行球磨，得到漿料；上述混合物料中，各種原料的配比為氧化鋯65 75wt%，氧化鈰3 6 wt%，氧化釔l 3wt%，氧化鋁20 30 wt%， 二 氧化鈦O. 5 2 wt。/o;加人的粘結(jié)劑的重量是混合物料總重的0. 5-1. 5%;(2) 造粒將歩驟(1)得到的漿料進行噴霧干燥，去除漿料中 的水分，得到造粒粉；(3) 將步驟(2)得到的造粒粉置于模具中進行預成型壓制，然 后進行冷等靜壓處理，得到生坯；(4) 對步驟(3)得到的生坯進行預燒，排除生坯中的粘結(jié)劑；(5) 對步驟(4)得到的生坯進行燒結(jié)，使生坯致密化成瓷，得 到氧化鋯陶瓷缸套材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其特 征是所述粘結(jié)劑為纖維素醚類有機物。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其特 征是步驟(1)中球磨采用濕式攪拌磨的方式，磨介采用氧化鋯球， 氧化鋯球、水、混合物料的重量比例為(5 8): (1 1.5): 1。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其特征是步驟(1)中，在球磨之前，向所述混合物料中加入分散劑，加入的分散劑的重量是混合物料總重的0. 5-1. 5%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其特征是所述分散劑是聚丙烯酸鹽類有機物、聚丙烯酸酯類有機物、聚馬來酸類有機物、聚馬來酸酐類有機物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚 甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸酯或馬來酸共聚物。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其 特征是步驟(2)中，造粒在噴霧干燥塔中進行，噴霧干燥塔中離心噴霧盤的轉(zhuǎn)速為6500 8000rpm，進風溫度為200 300°C ，出風溫 度為100 150°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其 特征是步驟(3)中，預成型壓制的工作壓力是200 400 kg/cm2; 冷等靜壓處理的工作壓力是1300 1800 kg/cm2。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其 特征是步驟(4)中，預燒溫度為600 900°C;保溫時間為8 12 小時。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋯陶瓷缸套材料的制備方法，其 特征是步驟(5)中，燒結(jié)溫度為1550 1600°C;保溫時間為5 10小時。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氧化鋯陶瓷缸套材料，其組成為氧化鋯65～75wt％，氧化鈰3～6wt％，氧化釔1～3wt％，氧化鋁20～30wt％，二氧化鈦0.5～2wt％。本發(fā)明還提供上述氧化鋯陶瓷缸套材料的一種制備方法。本發(fā)明提供的氧化鋯陶瓷缸套材料具有較高的強度、韌性和抗熱震性，耐磨損、耐腐蝕、耐高溫。采用這種氧化鋯陶瓷缸套材料制作泥漿泵缸套的內(nèi)襯，具有如下優(yōu)越性(1)使用壽命長，性價比高，這樣可降低設備成本消耗，并且可大幅度減少停機維修換缸套的次數(shù)，減少由于停產(chǎn)和維修造成的經(jīng)濟損失，減輕工人的工作強度；(2)減少缸套中活塞的磨損，延長活塞的使用壽命，節(jié)省活塞費用。
文檔編號F04B15/02GK101514104SQ200910131180
公開日2009年8月26日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者張世平, 張中平, 王國營, 許小軍, 陳仲叢, 陳潮鈿, 黃超華 申請人:廣東東方鋯業(yè)科技股份有限公司