CN101380698B

CN101380698B - 管状硬面堆焊材料

Info

Publication number: CN101380698B
Application number: CN2008101557549A
Authority: CN
Inventors: 徐纯芳; 余立新; 廖江雄
Original assignee: SUZHOU KINGDREAM SHAREATE CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Current assignee: Suzhou Xinrui Alloy Tool Co.,Ltd.
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: CN101380698A

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：球形硬质合金粒子35～75％，表面处理过的铸造碳化钨粒子15～40％，球形铸造碳化钨粒子5～20％，SiMn合金粉2～6％，树脂粉0.2～0.6％，金属Nb 0.1～2％。采用了韧性好的球形硬质合金颗粒、热稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钨颗粒，显著提高了堆焊层的耐磨性和耐冲击性，加入少量的Nb元素改善堆焊工艺性，提高了基体金属的强度和韧性，增强了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力，延长了堆焊层的使用寿命，该管状硬面堆焊材料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化。

Description

管状硬面堆焊材料

技术领域

本发明涉及一种管状硬面堆焊材料，用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化。

背景技术

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、背锥和掌尖需堆焊一层耐磨材料，避免钻头过早磨损失效。碳化钨是在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。牙轮钢齿钻头硬面材料堆焊的传统工艺是采用管装粒状破碎铸造碳化钨焊条，用氧--乙炔火焰堆焊，但是单纯使用铸造碳化钨作为硬质相，由于铸造碳化钨较脆，而且铸造碳化钨在高温熔池中会溶解，冷却时在铸造碳化钨颗粒周围析出脆性相，在使用过程中极易受冲击而崩碎，从而加速钻头的磨损失效。而使用碳化钨粉和钴粉制成的球形硬质合金粒子作为硬质相，虽然提高了堆焊层的耐冲击性，但是球形硬质合金粒子硬度较低，降低了堆焊层的耐磨性。另外，支撑硬质颗粒的基体金属必须要有较高的强度、硬度和韧性，才能有效的支撑硬质颗粒避免脱落。如果基体太软，很容易被磨粒削掉，造成硬质颗粒脱落；基体太硬，在应力作用下堆焊层会发生脆裂，无法有效支撑硬质颗粒，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，旨在有效解决基体金属的强度与韧性之间不匹配的问题，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：

管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，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：

球形硬质合金粒子 35～75％，

表面处理过的铸造碳化钨粒子 15～40％，

球形铸造碳化钨粒子 5～20％，

SiMn合金粉 2～6％，

树脂粉 0.2～0.6％，

金属Nb 0.1～2％。

进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，所述球形硬质合金粒子的粒度为14～40目，球形硬质合金粒子由WC粉与Co粉烧结而成，WC粉粒度为1～15μm，Co粉粒度为0.8～1.2μm，Co粉含量为3～8％。

更进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，所述表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40～100目，粒子心部为铸造碳化钨，外面包裹一层纳米级碳化钨粒子。

更进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，所述球形铸造碳化钨粒子的粒度为80～325目。

更进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，所述SiMn合金粉中Si的重量含量为14～20％，Mn的重量含量为60～72％。

再进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，所述树脂粉为酚醛树脂。

再进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，金属Nb的加入形式为纯金属元素或含Nb元素合金粉或含Nb元素氧化物，或上述一种或任意几种的混合物。

再进一步地，上述的管状硬面堆焊材料，管皮为低碳钢，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：

本发明在堆焊焊条填充粉料中采用了韧性好的球形硬质合金颗粒、热稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钨颗粒，综合利用发挥了各自特点，球形硬质合金粒子主要组成为球形粒子，减少了外力作用下引起的应力集中，铸造碳化钨经过表面处理减少了高温烧蚀，大大提高堆焊层的耐磨性；同时由于在填充粉料中添加了微量的Nb元素，改善了堆焊工艺性，并且提高了基体金属的强度和韧性，从而提高了基体金属的耐磨性，使堆焊层中硬质颗粒不易脱落，增强了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力。该技术方案通过同时优化硬质颗粒的组成和基体金属的强度、韧性极大提高整个堆焊层的耐磨性和耐冲击性，延长了堆焊层的使用寿命，堪称是具有新颖性、创造性、实用性的新技术；该管状硬面堆焊材料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化，应用前景非常广阔。

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为球形硬质合金粒子，b为经表面处理过的热稳定性铸造碳化钨，c为球形铸造碳化钨。

具体实施方式

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：球形硬质合金粒子35～75％，表面处理过的铸造碳化钨粒子15～40％，球形铸造碳化钨粒子5～20％，SiMn合金粉2～6％，树脂粉0.2～0.6％，金属Nb 0.1～2％。其中，球形硬质合金粒子的粒度为14～40目，球形硬质合金粒子由WC粉与Co粉烧结而成，WC粉粒度为1～15μm，Co粉粒度为0.8～1.2μm，Co粉含量为3～8％；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；球形铸造碳化钨粒子的粒度为80～325目。SiMn合金粉中Si的重量含量为14～20％，Mn的重量含量为60～72％；树脂粉为酚醛树脂；金属Nb的加入形式为纯金属元素或含Nb元素合金粉或含Nb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。

在管状堆焊材料的填充粉料中，加入35～75％的14～40目的球形硬质合金粒子，球形硬质合金粒子的硬度低于铸造碳化钨，但韧性高于铸造碳化钨，且其形状为球形可以减少外力作用引起的的应力集中，用氧乙炔火焰高温堆焊后，由于球形硬质合金粒子的粘结金属为钴，与铁基体是同族元素，有良好的互溶性，有利于增强硬质颗粒与基体金属之间的结合强度。

另外，加入15～40％的经表面处理过的40～100目铸造碳化钨粒子，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，从而减少了铸造碳化钨颗粒因高温烧蚀造成的硬度降低和脆性相的析出，提高了堆焊层的耐磨性。

同时，加入5～20％的80～325目球形铸造碳化钨粒子，球形铸造碳化钨相比于传统的破碎铸造碳化钨具有较好的热稳定性，组织缺陷少，在外力作用下不容易引起应力集中。此外，还加入2～6％的SiMn脱氧剂和0.2～0.6％的有机树脂，改善堆焊工艺性和粉料装填均匀性；在填充粉料中还加入0.1～2％的Nb金属元素，改善堆焊工艺性，并且改善粘结相合金组织，从而提高基体的抗磨损、抗磨蚀能力。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：75％球形硬质合金粒子，粒度为14～40目；15％表面处理过的铸造碳化钨颗粒，粒度为40～100目；5％球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80～325目；2.8％的200目SiMn粉；0.2％的200目酚醛树脂粉；2％的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A，管径为4mm，管皮厚度为0.4mm。填充粉料占焊条重量比为60％。

堆焊后，堆焊层的金相如图1所示。本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为：HV_0.1 1366，表面处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV_0.1 2993，球形铸造碳化钨颗粒的显微硬度为：HV_0.1 3011，基体金属的显微硬度为：HV_0.05 760，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10～30％。

实施例2：

管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：60％球形硬质合金粒子，粒度为14～40目；17.3％表面处理过的铸造碳化钨粒子，粒度为40～100目；20％球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80～325目；2％的200目SiMn粉；0.6％的200目酚醛树脂粉；0.1％的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A，管径为4mm，管皮厚度为0.2mm。填充粉料占焊条重量比为80％。

本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为：HV_0.1 1341，表面处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV_0.1 2971，球形铸造碳化钨颗粒的显微硬度为：HV_0.1 3080，基体金属的显微硬度为：HV_0.05 786，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20～40％。

实施例3：

管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：55％球形烧结硬质合金颗粒，粒度为14～40目；25％表面处理过的碳化钨粒子，粒度为40～100目；13％球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80～325目；6％200目的SiMn粉；0.4％200目的酚醛树脂粉；0.6％的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A，管径为4mm，管皮厚度为0.3mm。填充粉料占焊条重量比为70％。

本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为：HV_0.1 1368，表面处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV_0.1 2897，球形铸造碳化钨颗粒的显微硬度为：HV_0.1 3015，基体金属的显微硬度为：HV_0.05 807，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30～50％。

实施例4：

管状焊条填充粉料按重量百分比组成为：35％球形硬质合金粒子，粒度为14～40目；40％表面处理过的铸造碳化钨粒子，粒度为40～100目；18％球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80～325目；5％的200目SiMn粉；0.5％的200目酚醛树脂粉；1.5％的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A，管径为4mm，管皮厚度为0.2mm；填充粉料占焊条重量比为65％。

本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为：HV_0.1 1341，表面处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为：HV_0.1 2974，球形铸造碳化钨颗粒的显微硬度为：HV_0.1 3082，基体金属的显微硬度为：HV_0.05 780，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15～35％。

综上所述，本发明在堆焊焊条填充粉料中采用了韧性好的球形硬质合金颗粒、热稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钨颗粒，综合利用发挥了各自特点，球形硬质合金粒子主要组成为球形粒子，减少了外力作用下引起的应力集中，铸造碳化钨经过表面处理减少了高温烧蚀，大大提高堆焊层的耐磨性；同时由于在填充粉料中添加了微量的Nb元素，改善了堆焊工艺性，并且提高了基体金属的强度和韧性，从而提高了基体金属的耐磨性，使堆焊层中硬质颗粒不易脱落，提高了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力。该技术方案通过同时优化硬质颗粒的组成和基体金属的强度、韧性极大提高整个堆焊层的耐磨性和耐冲击性，延长了堆焊层的使用寿命。此管状硬面堆焊材料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化，为本领域的技术进步拓展了空间。

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

1.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：

球形硬质合金粒子 35～75％，

表面处理过的铸造碳化钨粒子 15～40％，

球形铸造碳化钨粒子 5～20％，

SiMn合金粉 2～6％，

树脂粉 0.2～0.6％，

金属Nb 0.1～2％。

2.根据权利要求1所述的管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述球形硬质合金粒子的粒度为14～40目，球形硬质合金粒子由WC粉与Co粉烧结而成，WC粉粒度为1～15μm，Co粉粒度为0.8～1.2μm，Co粉含量为3～8％。

3.根据权利要求1所述的管状硬面堆焊材料，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，外面包裹一层纳米级碳化钨粒子。

4.根据权利要求1所述的管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述球形铸造碳化钨粒子的粒度为80～325目。

5.根据权利要求1所述的管状硬面堆焊材料，其特征在于：所述树脂粉为酚醛树脂。