烧结温度对油田射孔弹弹体性能的影响

张银玲， 李柏男， 胡祥， 项伟

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040；2.南京工程学院材料工程学院，南京 211167）

0 引言

随着我国经济的快速平稳增长，能源矿产的开采利用也加快了脚步。我国是世界上第二大石油消费国，市场需求较大且每年还要依赖进口，在这种背景下，对石油的勘探和开发显得尤为重要。

油田射孔弹是一种为提高油田采油效率而使用的井下射孔工具，广泛应用于石油开采领域，具有基体材料强度越高，爆炸威力越大、扩孔半径越大、穿透井下岩层距离越远的特点。穿孔深度和穿孔孔径是评判射孔弹性能的重要指标，据实践认知，提高基体材料强度可有效保证这两项指标的完整性。目前通常采用的弹体材料为20钢，虽然能满足基本的使用要求，但是仍然具有一定的缺陷，其爆炸后碎片尺寸较大，极易发生卡井事故，增加打捞作业成本且生产工艺复杂、成本高。因此对现有材料的改性是我们研究的主要任务，也是实际生产中亟待解决的技术难题。

采用粉末冶金技术（压制→烧结→成型）制造弹体可以有效提高基体强度，满足射孔弹对弹体的性能要求，同时活化烧结技术能强化基体组织和性能，使弹体具有低屑性、易清除的优点，可有效改善射孔弹弹体的制备难题。

1 烧结温度试验结果分析和讨论

初步采用三种不同组分的合金进行试验，分别是Fe-Cu-C合金、Fe-Ni-C合金、Fe-Ni-Cu-C合金。

1.1 烧结温度对力学性能的影响

烧结是粉末冶金成型过程中的重要环节，在一定的温度范围内，随着烧结温度的提高，原子活动越剧烈，扩散能力越强，烧结颈的形成和长大速度越快，颗粒与颗粒之间的间隙变小，结合愈来愈紧密，链接强度就越高。烧结温度对力学性能的影响规律如表1所示。

从图1可以看出，随着烧结温度的提高，材料的抗拉强度、硬度、延伸率及密度都随之提高。弹体材料本身是Fe、Ni、Cu、C等的混合物，提高温度的同时，能促进材料合金化。以Fe-Cu-C合金为例，烧结温度的提高会增加化合碳的含量，在增加碳含量的同时，又消除了非化合碳游离石墨的有害影响。当烧结温度大于1080℃时，Cu产生液相，形成活化烧结，对基体组织强化作用明显增加。对Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金来说，一方面，烧结温度的适当提高对弹体材料性能的优化有重要影响，能显著增加Ni在Fe中扩散速度，当烧结温度大于1150℃时，合金元素的强化作用和合金化均匀程度有明显提高。另一方面，烧结温度的提高还可以提高碳在奥氏体中的均匀程度，在冷却过程中能够形成性能良好的珠光体组织，相反，若烧结过程温度控制不好，导致奥氏体晶粒表面碳含量过高，则会形成二次渗碳体的非正常组织，对基体强化产生不利影响。

表1 烧结温度对力学性能的影响规律

过高的烧结温度也会出现弊端，烧结过程难以控制且烧结体的形状尺寸变化明显。此外烧结温度过高还会影响烧结炉的使用寿命。因此要获得最佳的弹体材料，必须合理地控制烧结温度。在本次试验中，Fe-Cu-C合金采用1120℃的烧结温度比较合理；Fe-Ni-C合金和Fe-Ni-Cu-C合金采用1200℃的烧结温度比较合理。

图1 烧结温度与力学性能的关系

1.2 烧结温度对弹体尺寸的影响

烧结温度对弹体尺寸的影响规律如表2所示。

从表2可以得出如下结论：整体上，烧结收缩率随烧结温度的提高而增加。烧结中的收缩与膨胀是影响烧结零件尺寸重要因素。通常情况下烧结收缩率随着烧结温度的提高而增大，偶有相反，这在一定程度上取决于材料本身，不同合金或者不同的混合物有不同的收缩或膨胀极限。例如，C和Ni会促进烧结体收缩且共同作用时会使收缩作用效果增强，而Cu会促进烧结体膨胀且与C、Ni共同使用时会互相抵消彼此的变化，当铜的含量超过5%时，其对材料尺寸的影响就占主导地位，促使烧结体膨胀，尺寸变化较为明显。因此在实际生产过程中主要通过调节不同合金元素的含量来调节收缩率。

表2 不同烧结温度下的弹体尺寸变化率 %

2 结语

利用粉末冶金技术制造和生产油田射孔弹弹体材料，制备方法较新颖，使用性能较好，弥补了传统材料的各项缺点，通过复压-烧结工艺，提高了弹体的整体性能，具有一定的经济意义和实用价值。

[1] 杜明章,谢湛,付代轩,等.钨粉形貌对石油射孔弹穿深性能的影响[J].测井技术,2008,32(5):483-486.

[2] 王新生.高孔密石油射孔器优化设计与研制[D].长春:吉林大学,2013.

[3] 朱传胜,黄正祥,刘荣忠,等.带隔板中空装药的EFP成型研究[J].弹道学报,2013,25(1):53-58.

[4] 唐凯,罗苗壮,陈锋,等.全通径射孔工艺技术应用研究[J].测井技术,2010,34(5):496-500.

[5] 阮建明.粉末冶金原理[M].北京:机械工业出版社,2012.

[6] DOREF,LAZZAROTTO L,BOURDIN S.HighVelocity Compaction:Overview of Materials,Applications and Potential[C]//Materials Science Forum.2007:293-296.

[7] CAO Shunhua,HUANG Baiyun,QU Xuanhui,etal.Densification Mechanism of Warm Compaction and Powder Mixture Designing Rules[J].Journal of Central South University of Technology,2000,7(1):4-6.

[8] 张渝,周杰,胡启国.射孔弹壳体冷挤压工艺分析及有限元模拟[J].热加工工艺,2010,39(1):76-78.

[9] 韩凤麟.铁基粉末冶金零件热处理[J].粉末冶金工业,2006,16(6):27-30.

[10] 郭希明,蒋宏伟,黄玉康,等.新型水平井复合射孔枪研究[J].石油矿场机械,2011,40(5):5-10.

[11]陆宇衡.高性能铁基粉末冶金烧结材料制备、性能及超声疲劳行为研究[D].广州:华南理工大学,2014.

[12]蔺绍江.粉末冶金法制备TiC/316L复合材料及其致密化与性能研究[D].武汉:华中科技大学,2012.