新型壓裂泵閥材料的耐磨損性能研究
簡介：作者：楊啟明，周錫容，譙英 (西南石油學院機電工程學院,四川南充637001)摘要： 通過對多種材料在不同試驗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 (西南石油學院機電工程學院,四川南充637001)
摘要： 通過對多種材料在不同試驗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、滑動磨料磨損和沖擊磨料磨損條件下的進一步試驗,分析了在各磨損與變形條件下的特點,對所觀察到的現(xiàn)象與機理進行了討論,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: ①瞬間完成加載與卸載,法向載荷是能量載荷; ②磨料對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,沖擊動能可能轉(zhuǎn)換為材料的塑性變形能、彈性波動能、磨損及磨粒破碎能、以及熱能、聲能等[2 ] 。
通過對多種材料的初步研究,優(yōu)選出20CrMnTi材料,開展了在沖擊磨損、滑動磨料磨損和沖擊磨料磨損條件下的進一步試驗,分析了各磨損條件下的
特點,并對有關(guān)現(xiàn)象、機理進行了討論。
1 模擬試驗
1. 1 模擬工況條件
本試驗重點研究了20CrMnTi 材料在特定載荷下的相對耐磨性特點。試驗是在MLD - 10 型動載磨料磨損試驗機上進行的,試驗機基本結(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)定的試驗時間,試驗機沖錘的工作頻數(shù)由記數(shù)器自動記錄與停機控制。試件磨損量是用TG328B 電光分析天平稱量的,精度為0. 1 mg ;變形則用千分尺測量;上試件材料是經(jīng)鍛打后加工成型的,并按要求進行了熱處理及表面強化工藝。 
1. 1. 2 上試件材料的篩選
試驗初期的結(jié)果表明,20CrMnTi 材料具有較優(yōu)良的綜合性能。針對該材料又進行了多種表面強化處理工藝的篩選,確定20CrMnTi 滲碳+ 淬火+ 低溫回火的綜合性能最佳。以此作為本試驗所選取的上述各表面強化工藝和試驗材料依據(jù),進一步開展了在磨損條件下的試驗工作,以分別研究其影響。
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1. 2 幾種磨損的試驗結(jié)果
1. 2. 1 沖擊磨損試驗結(jié)果
所進行的沖擊磨損,是在無磨料的情況下,兩金屬配對摩擦副材料間由于沖擊所產(chǎn)生的磨損。本試驗是在20CrMnTi 上試件(上下往復(fù)運動) 與高鉻鑄
鐵環(huán)(下試件,固定不動) 間進行的。 經(jīng)過多組配對試驗(每組3 個試件) ,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有直接的關(guān)系,文中沒有加以討論。
1. 2. 2 滑動磨料磨損試驗結(jié)果
在該損試驗中,上試件不動,下試件轉(zhuǎn)動,通過攪拌裝置,將懸浮于泥漿中的石英砂磨料不斷地帶入摩擦面間,從而實現(xiàn)兩摩擦副間的滑動磨料磨損
經(jīng)過多組配對試驗,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。測量表明,沒有發(fā)現(xiàn)上試件產(chǎn)生明顯的變形。
1. 2. 3 沖擊磨料磨損試驗結(jié)果
沖擊磨料磨損試驗中,上試件隨沖錘上下往復(fù)運動,下試件轉(zhuǎn)動,石英砂磨料通過攪拌裝置不斷地進入摩擦面間,達到試驗?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 試驗結(jié)果分析
從圖2 和圖4 可見,沖擊磨損與滑動磨料磨損的失重量均較小,其變化大致相似。不過在沖擊磨損的某一階段,試件的失重具有減緩趨勢(分別在
2250 沖、5250 沖和6000 沖后) ;而滑動磨料磨損則未發(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基本相同,具有較好的重復(fù)性; ②整個試驗過程中幾乎不存在磨損減緩階段; ③在試驗后期,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,在沖擊磨損和滑動磨料磨損的同時作用下,兩種磨損的相互影響大大加速了沖擊磨料磨損的發(fā)展進程,其最終磨損量較前兩種磨損約增大1個數(shù)量級。
盡管如此,其值仍較試驗初期各種材料和表面強化方式的磨損量減少了1 個數(shù)量級以上。對變形量的實測與觀察表明:沖擊磨損和沖擊磨料磨損都存在一個明顯“墩粗”的局部區(qū)域,通過肉眼即可觀察到類鼓形變化。同時,在垂直面上則發(fā)現(xiàn)局部”縮聚”(如圖3 、6 各曲線的正、負值變化 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)。對這兩種磨損而言,這一現(xiàn)象又有所區(qū)別:對沖擊磨損“, 墩粗”現(xiàn)象可能發(fā)生在試驗的任何階段,此時試件長、寬方向的尺寸變化趨勢相同,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)生在試驗的前期(1500～3000 沖左右) ,且發(fā)生時間和變形量均有別于沖擊磨損; ②在某段時間內(nèi),變形量呈減小趨勢,具有“自恢復(fù)”趨勢—彈性恢復(fù)(或逆向塑變) —長、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,裂紋呈無規(guī)律分布,其數(shù)量隨試驗時間的增長而增多。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) 。在多個試件上發(fā)現(xiàn)了較長的宏觀裂紋(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)。對試驗前、后的試件進行金相對比分析表明: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。在滑動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)組織和納米級晶粒,可能是材料表面硬度、強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,這可能是定時間內(nèi)兩類試驗(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程中所存在的非金屬夾雜物等硬的第二相質(zhì)點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,都將促使微裂紋擴展,發(fā)展成較大的裂紋。由于微裂紋的萌生和擴展需要一定的時間,因此在試驗的中后期階段,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,這種位錯應(yīng)屬于螺型位錯或混合型位錯
[4 ] ,這對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,說明試驗材料在磨損過程中,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)致試驗材料出現(xiàn)小塊脆性崩落。由于計算出的工作 應(yīng)力小于材料的屈服強度,可以認為這是材料在低應(yīng)力下的斷裂
[4 ] 。
盡管沖擊載荷作用下的工作應(yīng)力是脈動循環(huán)應(yīng)力,但“在材料內(nèi)部由于彈性波動能的影響,試件應(yīng)力狀態(tài)近似于對稱循環(huán),應(yīng)力循環(huán)頻率遠大于沖擊頻率”[
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,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)。
參考文獻:
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