作者：杨启明，周锡容，谯英 (西南石油学院机电工程学院,四川南充637001)
摘要： 通过对多种材料在不同试验条件下耐冲击磨料磨损性能的初步研究,优选出20CrMnTi 材料开展了在冲击磨损、滑动磨料磨损和冲击磨料磨损条件下的进一步试验,分析了在各磨损与变形条件下的特点,对所观察到的现象与机理进行了讨论,得出了一些有益结论。研究表明,20CrMnTi 材料经渗碳+ 淬火+ 低温回火处理后,具有较好的抗冲击磨料磨损的能力。这对研究新型压裂泵泵阀抗冲击磨料磨损性能的材料具有一定的指导意义。
关键词：压裂泵泵阀;冲击磨损;滑动磨损;冲击磨料磨损;磨损量;变形量

      在石油天然气勘探开发工作中,压裂泵泵阀工作于冲击磨料磨损等极端恶劣的工况下,寿命极短。为研制新型压裂泵泵阀,进行了有关泵阀材料的筛选工作。研究表明,磨损不是材料固有的性质,是材料和磨损条件的综合特性^{[1 ]} 。冲击磨料磨损具有如下特点: ①瞬间完成加载与卸载,法向载荷是能量载荷; ②磨料对界面的作用具有凿削式和碾碎式磨料磨损的双重特征; ③ 冲击瞬间有能量的快速转换,冲击动能可能转换为材料的塑性变形能、弹性波动能、磨损及磨粒破碎能、以及热能、声能等^{[2 ]} 。
      通过对多种材料的初步研究,优选出20CrMnTi材料,开展了在冲击磨损、滑动磨料磨损和冲击磨料磨损条件下的进一步试验,分析了各磨损条件下的
特点,并对有关现象、机理进行了讨论。
1 　模拟试验
1. 1 　模拟工况条件
本试验重点研究了20CrMnTi 材料在特定载荷下的相对耐磨性特点。试验是在MLD - 10 型动载磨料磨损试验机上进行的,试验机基本结构见图1 。
 
1. 1. 1 　基本工作参数
      加载重量为157 N ;冲程为50 mm ;冲击频率为64 min - 1 ;泥浆中石英砂粒度为20～40 目,石英砂含量为35 %;上试件硬度梯度呈阶梯变化,分别为HRC60～63 、45～35 、18 、≤2 ,表面粗糙度Ra = 0. 8μm ;下试件材料为高铬铸铁,硬度为HRC63～65 ,表面粗糙度Ra = 0. 2μm。
      根据设定的试验时间,试验机冲锤的工作频数由记数器自动记录与停机控制。试件磨损量是用TG328B 电光分析天平称量的,精度为0. 1 mg ;变形则用千分尺测量;上试件材料是经锻打后加工成型的,并按要求进行了热处理及表面强化工艺。
1. 1. 2 　上试件材料的筛选
      试验初期的结果表明,20CrMnTi 材料具有较优良的综合性能。针对该材料又进行了多种表面强化处理工艺的筛选,确定20CrMnTi 渗碳+ 淬火+ 低温回火的综合性能最佳。以此作为本试验所选取的上述各表面强化工艺和试验材料依据,进一步开展了在磨损条件下的试验工作,以分别研究其影响。
1. 2 　几种磨损的试验结果
1. 2. 1 　冲击磨损试验结果
所进行的冲击磨损,是在无磨料的情况下,两金属配对摩擦副材料间由于冲击所产生的磨损。本试验是在20CrMnTi 上试件(上下往复运动) 与高铬铸
铁环(下试件,固定不动) 间进行的。
      经过多组配对试验(每组3 个试件) ,所获得上试件材料的磨损量与变形量的结果如表1 所示,据此绘出的关系曲线如图2 、3 所示。由于下试件材料与本研究没有直接的关系,文中没有加以讨论。

 
1. 2. 2 　滑动磨料磨损试验结果
      在该损试验中,上试件不动,下试件转动,通过搅拌装置,将悬浮于泥浆中的石英砂磨料不断地带入摩擦面间,从而实现两摩擦副间的滑动磨料磨损
经过多组配对试验,所获得上试件材料的磨损量结果如表2 ,据此所绘出的曲线如图4 所示。测量表明,没有发现上试件产生明显的变形。