CN100548565C - 一种管状硬面堆焊材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其组分：钢铁20～40%，填充粉料60～80%；填充粉料的组分：单晶碳化钨粒子35～75%，表面处理过的热稳定性铸造碳化钨粒子20～60%，SiMn合金粉2～6%，树脂粉0.2～0.6%，稀土金属0.1～2%；单晶碳化钨粒子的粒度为40～200目；表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40～100目，粒子外部为一层10～20μm厚由纳米级碳化钨颗粒组成的包裹层，心部为针状的铸造碳化钨共晶组织。本发明采用热稳定性硬质颗粒，显著提高堆焊层的耐磨性和可焊性，另外加入少量的稀土元素可同时提高基体金属的硬度和韧性，明显提高了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力，从而延长了堆焊层的使用寿命。

Description

一种管状硬面堆焊材料
技术领域
本发明涉及堆焊材料，尤其涉及一种管状硬面堆焊材料，主要用于钢齿牙轮钻头齿面、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化。
背景技术
众所周知，在石油钻探过程中，工作环境非常恶劣，机件磨损十分严重；由于工况特殊，牙轮钢齿钻头齿面需堆焊一层耐磨材料。碳化钨是工业上应用的除金刚石以外硬度最高、耐磨性最好的材料之一。牙轮钢齿钻头齿面堆焊的传统工艺是采用管装粒状铸造碳化钨焊条，用氧-乙炔火焰堆焊，但是铸造碳化钨在高温熔池中会溶解，在使用过程中也极易受冲击而崩碎，对提高抗磨性能不利。而使用球形烧结碳化钨，虽然提高了硬质颗粒的耐冲击性，但是球形烧结碳化钨材料硬度较低，且高温堆焊容易烧损，降低了堆焊层的耐磨性。另外，支撑碳化钨颗粒的基体金属必须要有较高的强度、硬度和韧性，才能有效的支撑碳化钨，免使脱落。如果基体太软，很容易被磨粒削掉，会造成碳化钨颗粒脱落；基体太硬，在应力作用下本身就发生脆裂，无法支撑碳化钨，因而降低了堆焊层的耐磨性，最终影响钻头的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种管状硬面堆焊材料，能有效避免堆焊材料硬质颗粒在高温堆焊过程中的熔损，满意解决基体金属的强度、硬度和韧性之间不匹配的问题，显著提高堆焊层的耐磨性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其特征在于其组分具有如下的重量百分比：
钢铁                        20～40％，
填充粉料                    60～80％；
所述填充粉料的组分重量百分比：
单晶碳化钨粒子              35～75％，
表面处理过的铸造碳化钨粒子  20～60％，
SiMn合金粉                  2～6％，
树脂粉                      0.2～0.6％，
稀土金属                    0.1～2％。
进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述单晶碳化钨粒子的粒度为40～200目。
更进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40～100目，粒子外部为一层10～20μm厚由纳米级碳化钨颗粒组成的包裹层，心部为针状的铸造碳化钨共晶组织。
更进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述SiMn合金粉中Si的重量百分含量为14～20％，Mn的重量百分含量为60～72％，C的重量百分含量为1～3％，P的重量百分含量为0.2～0.3％，S的重量百分含量为0.4～0.5％，还会含有不可避免的杂质。
更进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述树脂粉为酚醛树脂。
再进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述稀土金属为Y、La、Yb、Ce中的至少一种，加入形式为纯金属元素或含稀土元素合金粉或含稀土元素氧化物，或上述一种或任意几种的混合物。
再进一步地，上述的一种管状硬面堆焊材料，所述管皮采用低碳钢，卷成圆管状，管皮厚度为0.2～0.4mm。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明在填充粉料中采用了热稳定性好的单晶碳化钨和经过工艺处理的热稳定性铸造碳化钨粒子，可以大大提高硬质颗粒的耐高温烧蚀性，显著改善了硬质颗粒的耐磨性；同时在填充粉料中添加了微量的稀土金属元素，明显提高了基体金属的强度和韧性，基体金属的耐磨性较好，并使堆焊层中硬质颗粒不易脱落，通过同时提高硬质颗粒的耐磨性和基体金属的强度、韧性可极大提高整个堆焊层的耐磨性；非常实用，经济效益和社会效应显著。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明经过表面处理过的铸造碳化钨粒子的金相照片图；
图2：本发明管状硬面堆焊材料堆焊后堆焊层的金相照片图。
图中附图标记的含义：a为单晶碳化钨，b为经表面处理过的热稳定性铸造碳化钨。
具体实施方式
一种管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其组分：钢铁料20～40％，填充粉料60～80％。填充粉料的组分：单晶碳化钨粒子35～75％，表面处理过的热稳定性铸造碳化钨粒子20～60％，SiMn合金粉2～6％，树脂粉0.2～0.6％，稀土金属0.1～2％。其中，单晶碳化钨粒子的粒度为40～200目；表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40～100目，粒子外部为一层10～20μm厚由纳米级碳化钨颗粒组成的包裹层，心部为针状的铸造碳化钨共晶组织；SiMn合金粉中Si的重量百分含量为14～20％，Mn的重量百分含量为60～72％，C的重量百分含量为1～3％，P的重量百分含量为0.2～0.3％，S的重量百分含量为0.4～0.5％，其余组分为不可避免的杂质；树脂粉为酚醛树脂；稀土金属为Y、La、Yb、Ce中的至少一种，加入形式为纯金属元素或含稀土元素合金粉或含稀土元素氧化物，或上述一种或任意几种的混合物；管皮采用低碳钢，卷成圆管状，管皮厚度为0.2～0.4mm。
本发明在管状堆焊材料的填充粉料中，加入35～75％40～200目的单晶碳化钨颗粒，这种特粗晶粒的碳化钨粉的硬度和韧性介于铸造碳化钨和烧结碳化钨之间，具有优良的耐烧蚀性，用氧乙炔火焰高温堆焊后，其颗粒表面无脆性包覆层，此外这种碳化钨的最大特点是对铁族金属的润湿性好，有利于增强硬质颗粒与基体金属的结合强度。另外加入20～60％的经表面处理过的40～100目铸造碳化钨颗粒，这种碳化钨粒子的特点是颗粒心部是铸造碳化钨，其外部包裹一层纳米级的碳化钨粒子，其颗粒具有卓越的耐磨性和可焊性，在高温堆焊过程中，外层纳米级碳化钨粒子由于具有优异的热稳定性，能够阻止高温熔体对心部铸造碳化钨粒子的烧蚀，从而避免了铸造碳化钨颗粒因高温烧蚀造成的硬度降低，提高了堆焊层的耐磨性。另外，还加入2～6％的SiMn脱氧剂和0.2～0.6％的有机树脂，改善基体金属的强度和韧性；还在填充粉料中加入0.1～2％稀土金属元素，利用稀土元素对基体金属的变质、净化、强化作用，减少并细化夹杂物，改善粘结相合金组织，从而提高基体的抗磨损、抗磨蚀能力。本发明管状硬面堆焊材料通常为管状焊条，其填充粉料的理想含量是占整个管状焊条重量的67～70％。
实施例1：
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：60％表面包覆处理过的碳化钨粒子，粒度为40～100目；35％单晶碳化钨颗粒，粒度为40～200目；2.8％200目的SiMn粉；0.2％200目的酚醛树脂粉；2％200目的稀土合金粉。管皮为低碳钢SPCD-SD，管径为4mm，管皮厚度为0.4mm。填充粉料占焊条重量比为60％。经表面处理过的铸造碳化钨颗粒金相照片如图1，粒子外部为一层10～20μm厚由纳米级铸造碳化钨颗粒组成的包裹层，心部为针状的铸造碳化钨共晶组织。堆焊后，堆焊层的金相如图2，从金相图中可以看出，这两种硬质颗粒与基体金属具有清晰的界面，没有发生明显的溶解，说明这两种硬质颗粒具有良好的热稳定性。本实施例堆焊层中铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV0.12965，单晶碳化钨颗粒的显微硬度为：HV0.1 1968，基体金属的显微硬度为：HV0.05 813，金属湿砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高20～60％。
实施例2：
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：75％单晶碳化钨颗粒，粒度为40～80目；22.3％表面包覆处理过的碳化钨粒子，粒度为80～100目；2％200目的SiMn粉；0.6％200目的酚醛树脂粉；0.1％200目的稀土合金粉。管皮为低碳钢SPCD-SD，管径为4mm，管皮厚度为0.2mm。填充粉料占焊条重量比为80％。本实施例堆焊层中铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV0.12971，单晶碳化钨颗粒的显微硬度为：HV0.11975，基体金属的显微硬度为：HV0.05 816，金属湿砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高20～80％。
实施例3：
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：73％单晶碳化钨颗粒，粒度为40～80目；20％表面包覆处理过的碳化钨粒子，粒度为80～100目；6％200目的SiMn粉；0.4％200目的酚醛树脂粉；0.6％200目的稀土合金粉。管皮为低碳钢SPCD-SD，管径为4mm，管皮厚度为0.3mm。填充粉料占焊条重量比为70％。本实施例堆焊层中铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV0.12975，单晶碳化钨颗粒的显微硬度为：HV0.11978，基体金属的显微硬度为：HV0.05820，金属湿砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高50～100％。
综上所述，本发明采用了热稳定性硬质颗粒，显著提高堆焊层的耐磨性和可焊性，另外加入少量的稀土元素可同时提高基体金属的硬度和韧性，明显提高了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力，从而延长了堆焊层的使用寿命；具有极好的实际应用价值。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，管皮为低碳钢，其特征在于其组分具有如下的重量百分比：
低碳钢                      20～40％，
填充粉料                    60～80％；
所述填充粉料的组分重量百分比：
单晶碳化钨粒子              35～75％，
表面处理过的铸造碳化钨粒子  20～60％，
SiMn合金粉                  2～6％，
树脂粉                      0.2～0.6％，
稀土金属                    0.1～2％。
2.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述单晶碳化钨粒子的粒度为40～200目。
3.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40～100目，粒子心部为铸造碳化钨，外面包裹一层10～20μm厚的纳米级碳化钨粒子。
4.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述SiMn合金粉中Si的含量为14～20％，Mn的含量为60～72％。
5.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述树脂粉为酚醛树脂。
6.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述稀土金属为Y、La、Yb、Ce中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述管皮的厚度为0.2～0.4mm。
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