張銀玲， 李柏男， 胡祥， 項(xiàng)偉

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040；2.南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院，南京 211167）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速平穩(wěn)增長(zhǎng)，能源礦產(chǎn)的開(kāi)采利用也加快了腳步。我國(guó)是世界上第二大石油消費(fèi)國(guó)，市場(chǎng)需求較大且每年還要依賴進(jìn)口，在這種背景下，對(duì)石油的勘探和開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。

油田射孔彈是一種為提高油田采油效率而使用的井下射孔工具，廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采領(lǐng)域，具有基體材料強(qiáng)度越高，爆炸威力越大、擴(kuò)孔半徑越大、穿透井下巖層距離越遠(yuǎn)的特點(diǎn)。穿孔深度和穿孔孔徑是評(píng)判射孔彈性能的重要指標(biāo)，據(jù)實(shí)踐認(rèn)知，提高基體材料強(qiáng)度可有效保證這兩項(xiàng)指標(biāo)的完整性。目前通常采用的彈體材料為20鋼，雖然能滿足基本的使用要求，但是仍然具有一定的缺陷，其爆炸后碎片尺寸較大，極易發(fā)生卡井事故，增加打撈作業(yè)成本且生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高。因此對(duì)現(xiàn)有材料的改性是我們研究的主要任務(wù)，也是實(shí)際生產(chǎn)中亟待解決的技術(shù)難題。

采用粉末冶金技術(shù)（壓制→燒結(jié)→成型）制造彈體可以有效提高基體強(qiáng)度，滿足射孔彈對(duì)彈體的性能要求，同時(shí)活化燒結(jié)技術(shù)能強(qiáng)化基體組織和性能，使彈體具有低屑性、易清除的優(yōu)點(diǎn)，可有效改善射孔彈彈體的制備難題。

1 燒結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

初步采用三種不同組分的合金進(jìn)行試驗(yàn)，分別是Fe-Cu-C合金、Fe-Ni-C合金、Fe-Ni-Cu-C合金。

1.1 燒結(jié)溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

燒結(jié)是粉末冶金成型過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的提高，原子活動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散能力越強(qiáng)，燒結(jié)頸的形成和長(zhǎng)大速度越快，顆粒與顆粒之間的間隙變小，結(jié)合愈來(lái)愈緊密，鏈接強(qiáng)度就越高。燒結(jié)溫度對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律如表1所示。

從圖1可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、延伸率及密度都隨之提高。彈體材料本身是Fe、Ni、Cu、C等的混合物，提高溫度的同時(shí)，能促進(jìn)材料合金化。以Fe-Cu-C合金為例，燒結(jié)溫度的提高會(huì)增加化合碳的含量，在增加碳含量的同時(shí)，又消除了非化合碳游離石墨的有害影響。當(dāng)燒結(jié)溫度大于1080℃時(shí)，Cu產(chǎn)生液相，形成活化燒結(jié)，對(duì)基體組織強(qiáng)化作用明顯增加。對(duì)Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金來(lái)說(shuō)，一方面，燒結(jié)溫度的適當(dāng)提高對(duì)彈體材料性能的優(yōu)化有重要影響，能顯著增加Ni在Fe中擴(kuò)散速度，當(dāng)燒結(jié)溫度大于1150℃時(shí)，合金元素的強(qiáng)化作用和合金化均勻程度有明顯提高。另一方面，燒結(jié)溫度的提高還可以提高碳在奧氏體中的均勻程度，在冷卻過(guò)程中能夠形成性能良好的珠光體組織，相反，若燒結(jié)過(guò)程溫度控制不好，導(dǎo)致奧氏體晶粒表面碳含量過(guò)高，則會(huì)形成二次滲碳體的非正常組織，對(duì)基體強(qiáng)化產(chǎn)生不利影響。

表1 燒結(jié)溫度對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律

過(guò)高的燒結(jié)溫度也會(huì)出現(xiàn)弊端，燒結(jié)過(guò)程難以控制且燒結(jié)體的形狀尺寸變化明顯。此外燒結(jié)溫度過(guò)高還會(huì)影響燒結(jié)爐的使用壽命。因此要獲得最佳的彈體材料，必須合理地控制燒結(jié)溫度。在本次試驗(yàn)中，F(xiàn)e-Cu-C合金采用1120℃的燒結(jié)溫度比較合理；Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金采用1200℃的燒結(jié)溫度比較合理。

圖1 燒結(jié)溫度與力學(xué)性能的關(guān)系

1.2 燒結(jié)溫度對(duì)彈體尺寸的影響

燒結(jié)溫度對(duì)彈體尺寸的影響規(guī)律如表2所示。

從表2可以得出如下結(jié)論：整體上，燒結(jié)收縮率隨燒結(jié)溫度的提高而增加。燒結(jié)中的收縮與膨脹是影響燒結(jié)零件尺寸重要因素。通常情況下燒結(jié)收縮率隨著燒結(jié)溫度的提高而增大，偶有相反，這在一定程度上取決于材料本身，不同合金或者不同的混合物有不同的收縮或膨脹極限。例如，C和Ni會(huì)促進(jìn)燒結(jié)體收縮且共同作用時(shí)會(huì)使收縮作用效果增強(qiáng)，而Cu會(huì)促進(jìn)燒結(jié)體膨脹且與C、Ni共同使用時(shí)會(huì)互相抵消彼此的變化，當(dāng)銅的含量超過(guò)5%時(shí)，其對(duì)材料尺寸的影響就占主導(dǎo)地位，促使燒結(jié)體膨脹，尺寸變化較為明顯。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)調(diào)節(jié)不同合金元素的含量來(lái)調(diào)節(jié)收縮率。

表2 不同燒結(jié)溫度下的彈體尺寸變化率 %

2 結(jié)語(yǔ)

利用粉末冶金技術(shù)制造和生產(chǎn)油田射孔彈彈體材料，制備方法較新穎，使用性能較好，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料的各項(xiàng)缺點(diǎn)，通過(guò)復(fù)壓-燒結(jié)工藝，提高了彈體的整體性能，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

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