燒結溫度對油田射孔彈彈體性能的影響

張銀玲， 李柏男， 胡祥， 項偉

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

0 引言

隨著我國經濟的快速平穩增長，能源礦產的開采利用也加快了腳步。我國是世界上第二大石油消費國，市場需求較大且每年還要依賴進口，在這種背景下，對石油的勘探和開發顯得尤為重要。

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，廣泛應用于石油開采領域，具有基體材料強度越高，爆炸威力越大、擴孔半徑越大、穿透井下巖層距離越遠的特點。穿孔深度和穿孔孔徑是評判射孔彈性能的重要指標，據實踐認知，提高基體材料強度可有效保證這兩項指標的完整性。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，極易發生卡井事故，增加打撈作業成本且生產工藝復雜、成本高。因此對現有材料的改性是我們研究的主要任務，也是實際生產中亟待解決的技術難題。

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

1 燒結溫度試驗結果分析和討論

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

1.1 燒結溫度對力學性能的影響

燒結是粉末冶金成型過程中的重要環節，在一定的溫度范圍內，隨著燒結溫度的提高，原子活動越劇烈，擴散能力越強，燒結頸的形成和長大速度越快，顆粒與顆粒之間的間隙變小，結合愈來愈緊密，鏈接強度就越高。燒結溫度對力學性能的影響規律如表1所示。

從圖1可以看出，隨著燒結溫度的提高，材料的抗拉強度、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，能促進材料合金化。以Fe-Cu-C合金為例，燒結溫度的提高會增加化合碳的含量，在增加碳含量的同時，又消除了非化合碳游離石墨的有害影響。當燒結溫度大于1080℃時，Cu產生液相，形成活化燒結，對基體組織強化作用明顯增加。對Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金來說，一方面，燒結溫度的適當提高對彈體材料性能的優化有重要影響，能顯著增加Ni在Fe中擴散速度，當燒結溫度大于1150℃時，合金元素的強化作用和合金化均勻程度有明顯提高。另一方面，燒結溫度的提高還可以提高碳在奧氏體中的均勻程度，在冷卻過程中能夠形成性能良好的珠光體組織，相反，若燒結過程溫度控制不好，導致奧氏體晶粒表面碳含量過高，則會形成二次滲碳體的非正常組織，對基體強化產生不利影響。

表1 燒結溫度對力學性能的影響規律

過高的燒結溫度也會出現弊端，燒結過程難以控制且燒結體的形狀尺寸變化明顯。此外燒結溫度過高還會影響燒結爐的使用壽命。因此要獲得最佳的彈體材料，必須合理地控制燒結溫度。在本次試驗中，Fe-Cu-C合金采用1120℃的燒結溫度比較合理；Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金采用1200℃的燒結溫度比較合理。

圖1 燒結溫度與力學性能的關系

1.2 燒結溫度對彈體尺寸的影響

燒結溫度對彈體尺寸的影響規律如表2所示。

從表2可以得出如下結論：整體上，燒結收縮率隨燒結溫度的提高而增加。燒結中的收縮與膨脹是影響燒結零件尺寸重要因素。通常情況下燒結收縮率隨著燒結溫度的提高而增大，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會促進燒結體收縮且共同作用時會使收縮作用效果增強，而Cu會促進燒結體膨脹且與C、Ni共同使用時會互相抵消彼此的變化，當銅的含量超過5%時，其對材料尺寸的影響就占主導地位，促使燒結體膨脹，尺寸變化較為明顯。因此在實際生產過程中主要通過調節不同合金元素的含量來調節收縮率。

表2 不同燒結溫度下的彈體尺寸變化率 %

2 結語

利用粉末冶金技術制造和生產油田射孔彈彈體材料，制備方法較新穎，使用性能較好，彌補了傳統材料的各項缺點，通過復壓-燒結工藝，提高了彈體的整體性能，具有一定的經濟意義和實用價值。

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