新型壓裂泵閥材料的耐磨損性能研究
簡(jiǎn)介:作者:楊啟明,周錫容,譙英 (西南石油學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,四川南充637001)摘要: 通過(guò)對(duì)多種材料在不同試驗(yàn)條件下耐沖擊磨料磨損性能的初步研究,優(yōu)選出20CrMnTi 材料開展了在沖擊磨損、滑動(dòng)磨料磨損和沖擊磨料磨 ... 關(guān)鍵字:壓裂泵泵閥;沖擊磨損 滑動(dòng)磨損 沖擊磨料磨損磨損量 變形量 作者:楊啟明,周錫容,譙英 (西南石油學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,四川南充637001)
摘要: 通過(guò)對(duì)多種材料在不同試驗(yàn)條件下耐沖擊磨料磨損性能的初步研究,優(yōu)選出20CrMnTi 材料開展了在沖擊磨損、滑動(dòng)磨料磨損和沖擊磨料磨損條件下的進(jìn)一步試驗(yàn),分析了在各磨損與變形條件下的特點(diǎn),對(duì)所觀察到的現(xiàn)象與機(jī)理進(jìn)行了討論,得出了一些有益結(jié)論。研究表明,20CrMnTi 材料經(jīng)滲碳+ 淬火+ 低溫回火處理后,具有較好的抗沖擊磨料磨損的能力。這對(duì)研究新型壓裂泵泵閥抗沖擊磨料磨損性能的材料具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:壓裂泵泵閥;沖擊磨損;滑動(dòng)磨損;沖擊磨料磨損;磨損量;變形量
在石油天然氣勘探開發(fā)工作中,壓裂泵泵閥工作于沖擊磨料磨損等極端惡劣的工況下,壽命極短。為研制新型壓裂泵泵閥,進(jìn)行了有關(guān)泵閥材料的篩選工作。研究表明,磨損不是材料固有的性質(zhì),是材料和磨損條件的綜合特性[1 ] 。沖擊磨料磨損具有如下特點(diǎn): ①瞬間完成加載與卸載,法向載荷是能量載荷; ②磨料對(duì)界面的作用具有鑿削式和碾碎式磨料磨損的雙重特征; ③ 沖擊瞬間有能量的快速轉(zhuǎn)換,沖擊動(dòng)能可能轉(zhuǎn)換為材料的塑性變形能、彈性波動(dòng)能、磨損及磨粒破碎能、以及熱能、聲能等[2 ] 。
通過(guò)對(duì)多種材料的初步研究,優(yōu)選出20CrMnTi材料,開展了在沖擊磨損、滑動(dòng)磨料磨損和沖擊磨料磨損條件下的進(jìn)一步試驗(yàn),分析了各磨損條件下的
特點(diǎn),并對(duì)有關(guān)現(xiàn)象、機(jī)理進(jìn)行了討論。
1 模擬試驗(yàn)
1. 1 模擬工況條件
本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了20CrMnTi 材料在特定載荷下的相對(duì)耐磨性特點(diǎn)。試驗(yàn)是在MLD - 10 型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的,試驗(yàn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)見圖1 。
1. 1. 1 基本工作參數(shù)
加載重量為157 N ;沖程為50 mm ;沖擊頻率為64 min - 1 ;泥漿中石英砂粒度為20~40 目,石英砂含量為35 %;上試件硬度梯度呈階梯變化,分別為HRC60~63 、45~35 、18 、≤2 ,表面粗糙度Ra = 0. 8μm ;下試件材料為高鉻鑄鐵,硬度為HRC63~65 ,表面粗糙度Ra = 0. 2μm。 根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)時(shí)間,試驗(yàn)機(jī)沖錘的工作頻數(shù)由記數(shù)器自動(dòng)記錄與停機(jī)控制。試件磨損量是用TG328B 電光分析天平稱量的,精度為0. 1 mg ;變形則用千分尺測(cè)量;上試件材料是經(jīng)鍛打后加工成型的,并按要求進(jìn)行了熱處理及表面強(qiáng)化工藝。
1. 1. 2 上試件材料的篩選
試驗(yàn)初期的結(jié)果表明,20CrMnTi 材料具有較優(yōu)良的綜合性能。針對(duì)該材料又進(jìn)行了多種表面強(qiáng)化處理工藝的篩選,確定20CrMnTi 滲碳+ 淬火+ 低溫回火的綜合性能最佳。以此作為本試驗(yàn)所選取的上述各表面強(qiáng)化工藝和試驗(yàn)材料依據(jù),進(jìn)一步開展了在磨損條件下的試驗(yàn)工作,以分別研究其影響。
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1. 2 幾種磨損的試驗(yàn)結(jié)果
1. 2. 1 沖擊磨損試驗(yàn)結(jié)果
所進(jìn)行的沖擊磨損,是在無(wú)磨料的情況下,兩金屬配對(duì)摩擦副材料間由于沖擊所產(chǎn)生的磨損。本試驗(yàn)是在20CrMnTi 上試件(上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)) 與高鉻鑄
鐵環(huán)(下試件,固定不動(dòng)) 間進(jìn)行的。 經(jīng)過(guò)多組配對(duì)試驗(yàn)(每組3 個(gè)試件) ,所獲得上試件材料的磨損量與變形量的結(jié)果如表1 所示,據(jù)此繪出的關(guān)系曲線如圖2 、3 所示。由于下試件材料與本研究沒(méi)有直接的關(guān)系,文中沒(méi)有加以討論。


1. 2. 2 滑動(dòng)磨料磨損試驗(yàn)結(jié)果
在該損試驗(yàn)中,上試件不動(dòng),下試件轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)攪拌裝置,將懸浮于泥漿中的石英砂磨料不斷地帶入摩擦面間,從而實(shí)現(xiàn)兩摩擦副間的滑動(dòng)磨料磨損
經(jīng)過(guò)多組配對(duì)試驗(yàn),所獲得上試件材料的磨損量結(jié)果如表2 ,據(jù)此所繪出的曲線如圖4 所示。測(cè)量表明,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上試件產(chǎn)生明顯的變形。
1. 2. 3 沖擊磨料磨損試驗(yàn)結(jié)果
沖擊磨料磨損試驗(yàn)中,上試件隨沖錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),下試件轉(zhuǎn)動(dòng),石英砂磨料通過(guò)攪拌裝置不斷地進(jìn)入摩擦面間,達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹K@得上試件材料
的磨損量與變形量的結(jié)果如表3 、表4 所示,根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)所繪出的曲線如圖5 、圖6 所示。
2 分析與討論
2. 1 試驗(yàn)結(jié)果分析
從圖2 和圖4 可見,沖擊磨損與滑動(dòng)磨料磨損的失重量均較小,其變化大致相似。不過(guò)在沖擊磨損的某一階段,試件的失重具有減緩趨勢(shì)(分別在
2250 沖、5250 沖和6000 沖后) ;而滑動(dòng)磨料磨損則未發(fā)現(xiàn)這一變化,但其斜率較小;沖擊磨料磨損(圖5) 則不同: ①各組的磨損量變化趨勢(shì)基本相同,具有較好的重復(fù)性; ②整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中幾乎不存在磨損減緩階段; ③在試驗(yàn)后期,磨損量急劇增加,曲線斜率急劇增大,這是與前兩種磨損的根本不同之處。
究其原因,在沖擊磨損和滑動(dòng)磨料磨損的同時(shí)作用下,兩種磨損的相互影響大大加速了沖擊磨料磨損的發(fā)展進(jìn)程,其最終磨損量較前兩種磨損約增大1個(gè)數(shù)量級(jí)。
盡管如此,其值仍較試驗(yàn)初期各種材料和表面強(qiáng)化方式的磨損量減少了1 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。對(duì)變形量的實(shí)測(cè)與觀察表明:沖擊磨損和沖擊磨料磨損都存在一個(gè)明顯“墩粗”的局部區(qū)域,通過(guò)肉眼即可觀察到類鼓形變化。同時(shí),在垂直面上則發(fā)現(xiàn)局部”縮聚”(如圖3 、6 各曲線的正、負(fù)值變化 區(qū)) ,這一現(xiàn)象主要發(fā)生在距沖擊面高度約1~2 mm 的范圍內(nèi)。對(duì)這兩種磨損而言,這一現(xiàn)象又有所區(qū)別:對(duì)沖擊磨損“, 墩粗”現(xiàn)象可能發(fā)生在試驗(yàn)的任何階段,此時(shí)試件長(zhǎng)、寬方向的尺寸變化趨勢(shì)相同,方向相反(圖3) 。沖擊磨料磨損的表觀現(xiàn)象盡管相似,但存在的差別是: ①這一現(xiàn)象主要發(fā)生在試驗(yàn)的前期(1500~3000 沖左右) ,且發(fā)生時(shí)間和變形量均有別于沖擊磨損; ②在某段時(shí)間內(nèi),變形量呈減小趨勢(shì),具有“自恢復(fù)”趨勢(shì)—彈性恢復(fù)(或逆向塑變) —長(zhǎng)、寬尺寸逐漸向初始尺寸靠攏,這一現(xiàn)象在沖擊磨損中未發(fā)現(xiàn)。

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電鏡觀察發(fā)現(xiàn),各試件上均存在微裂紋,裂紋呈無(wú)規(guī)律分布,其數(shù)量隨試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)而增多。在沖擊磨損中,接觸面除產(chǎn)生少量的片狀剝落外,難以發(fā)現(xiàn)裂紋交匯導(dǎo)致材料脫落的現(xiàn)象,如圖7 (1) 所示;而在沖擊磨料磨損中則能觀察到此現(xiàn)象。三種試件的表面都存在一定數(shù)量的微小凹坑(圖7) 。在 沖擊磨料磨損試件中,其凹下處邊緣呈現(xiàn)閃晶狀,有白亮金屬光澤,顯微鏡下可見為沿晶斷口(圖8) 。在多個(gè)試件上發(fā)現(xiàn)了較長(zhǎng)的宏觀裂紋(圖9) ,這應(yīng) 與磨料的鑿削作用和磨損后期的裂紋發(fā)展有關(guān)。對(duì)試驗(yàn)前、后的試件進(jìn)行金相對(duì)比分析表明:沖擊磨損與沖擊磨料磨損后,試件表面的殘余奧氏體微量減少,針狀馬氏體的數(shù)量則略有增加,試件表面硬度有增大的趨勢(shì)。在滑動(dòng)磨料磨損的試件上則未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。有關(guān)研究表明[3 ] ,在沖擊條件下,奧- 貝鋼材料表面形成非晶態(tài)組織和納米級(jí)晶粒,可能是材料表面硬度、強(qiáng)度和耐磨性提高的原因。


2. 2 討論
由于試件表面的不連續(xù)接觸,接觸區(qū)將產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力與應(yīng)變,導(dǎo)致兩接觸表面部分微凸體發(fā)生塑變或斷裂,壓平或產(chǎn)生微小裂紋。在滑動(dòng)磨
料磨損中,也存在上述變化,這應(yīng)是微裂紋產(chǎn)生的原因之一。
試件工作面經(jīng)滲碳淬火、低溫回火后,由于表面硬度高(HRC60~63) ,具有一定的脆性,加上表面處理后可能造成材料局部彈性變形的不協(xié)調(diào),因此, 試件表面上部分微凸體可能在初始階段即發(fā)生脆性脫落;此外,由于接觸的不均勻性及材料成分可能存在的分布不勻,也可能加速材料接觸面在短期內(nèi)形成初始微裂紋(圖7) ,并因此剝落。沖擊載荷的作用則可能造成試件邊緣部位出現(xiàn)早期的疲勞或脆性崩落,這可能是定時(shí)間內(nèi)兩類試驗(yàn)(沖,沖+ 磨) 材料磨損量較大的原因之一(圖2 、5) 。材料中潛在的或在試件鍛打加工過(guò)程中所存在的非金屬夾雜物等硬的第二相質(zhì)點(diǎn)則可能在試件表面的局部區(qū)域引起應(yīng)力集中,加上磨料犁削的綜合作用,都將促使微裂紋擴(kuò)展,發(fā)展成較大的裂紋。由于微裂紋的萌生和擴(kuò)展需要一定的時(shí)間,因此在試驗(yàn)的中后期階段,才發(fā)現(xiàn)有粗大的裂紋或犁溝,如圖9 和圖7 (1) 所示。
“墩粗”與“縮聚”現(xiàn)象的發(fā)生,應(yīng)與滲碳淬火后材料內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。沖擊載荷的重復(fù)作用造成了局部晶體的滑移或位錯(cuò),這種位錯(cuò)應(yīng)屬于螺型位錯(cuò)或混合型位錯(cuò)
[4 ] ,這對(duì)泵閥的工作壽命存在一定的影響。其成因還有待研究。此外,接觸表面出現(xiàn)的輕微凹陷,說(shuō)明試驗(yàn)材料在磨損過(guò)程中,在接觸處發(fā)生了明顯的材料損失或產(chǎn)生了局部塑變。
沿晶斷裂剝落坑的出現(xiàn),應(yīng)與磨料的存在有關(guān)。由于磨料的鑿削作用,加上因試件硬度較高,在載荷作用下,由于高應(yīng)力而引起材料的局部劇變,最終導(dǎo)致試驗(yàn)材料出現(xiàn)小塊脆性崩落。由于計(jì)算出的工作 應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度,可以認(rèn)為這是材料在低應(yīng)力下的斷裂
[4 ] 。
盡管沖擊載荷作用下的工作應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,但“在材料內(nèi)部由于彈性波動(dòng)能的影響,試件應(yīng)力狀態(tài)近似于對(duì)稱循環(huán),應(yīng)力循環(huán)頻率遠(yuǎn)大于沖擊頻率”[
5 ] ,在重復(fù)的沖擊載荷作用下引起表面材料的疲勞損傷累積,促使表層微觀體積內(nèi)裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展,最后匯合而成片狀磨屑脫落,這應(yīng)是少量疲勞磨屑的成因,也是材料產(chǎn)生重量損失的又一原因。
3 結(jié) 論
(1) 20CrMnTi 經(jīng)滲碳、淬火,低溫回火后,具有良好的抵抗沖擊磨料磨損的能力,可以作為壓裂泵閥的優(yōu)選材料。
(2) 沖擊磨料磨損中,20CrMnTi 材料表現(xiàn)出“自恢復(fù)”變形趨勢(shì),有助于提高壓裂泵閥的壽命。
(3) 材料磨損的發(fā)生、發(fā)展與磨損類型、沖擊載荷的作用時(shí)間和材料表面處理工藝密切相關(guān)。
(4) 表面微裂紋的產(chǎn)生,與材料表面硬度、磨料的作用和工作中各種引起應(yīng)力集中的因素有關(guān),這是材料失重的原因之一。
(5) 片狀磨屑的產(chǎn)生與沖擊載荷反復(fù)作用引起的材料表面疲勞有關(guān);坑狀剝落則與低應(yīng)力下材料的脆性斷裂有關(guān)。
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