CN103305830A

CN103305830A - 专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末

Info

Publication number: CN103305830A
Application number: CN2013102416341A
Authority: CN
Inventors: 柳岸敏; 张翀昊; 顾斌; 邵国峰; 王小红; 朱小虎
Original assignee: JIANGSU HEHAO LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGSU HEHAO LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末，按重量百分比计，包含10-12%碳化钨，0.2-0.4%碳，4-7%氟化钙，3-5%氮化硅，2-4%硼，11-14%铬，0.6-1%钒，2-4%硅，8-10%铁，15-18%钼，余量为钴。该钴基金属陶瓷合金粉末专用于钻杆的激光熔覆，提高钻杆表面金属组织致密性，减少熔覆层的气孔、裂纹和缩孔缺陷，从而提高钻杆的硬度、强度、耐磨性和抗腐蚀性能。

Description

专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末

技术领域

本发明涉及一种合金粉末，特别是指一种专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末。

背景技术

激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，现在正被越来越多的领域所使用，激光熔覆就是表面处理技术中的一种。概括的说，激光熔覆的原理就是利用高能激光束照射金属材料表面，基材表面被迅速融化，液态的金属形成一个小规模的熔池，同时填注新的粉末材料，在这个熔池中，原本的金属材料与被添加的粉末相互混合，形成一层新的液态金属层。待激光光束经过以后，液态金属层迅速冷却由此在金属表面形成一层固态的熔覆层。钻杆是连接钻头用以传递动力的杆件，在采煤或采油等恶劣的工作环境下易磨损和腐蚀。目前专用于钻杆激光熔覆的金属粉末在实际使用时，传热与熔融不均匀，新添加的金属粉末与基材之间的融合度差，造成裂纹、缩松、缩孔、气孔等一系列不良后果，并且提高钻杆机械性能的效果并不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末，该钴基金属陶瓷合金粉末专用于钻杆的激光熔覆，提高钻杆表面金属组织致密性，减少熔覆层的气孔、裂纹和缩孔缺陷，从而提高钻杆的硬度、强度、耐磨性和抗腐蚀性能。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末，按重量百分比计，包含10-12%碳化钨，0.2-0.4%碳，4-7%氟化钙，3-5%氮化硅，2-4%硼，11-14%铬，0.6-1%钒，2-4%硅，8-10%铁，15-18%钼，余量为钴。

其中，专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末优选配比包含11%碳化钨，0.3%碳，5%氟化钙，4%氮化硅，3%硼，12%铬，0.8%钒，3%硅，9%铁，17%钼，余量为钴。

本发明中的钴基金属陶瓷合金粉末中各成分的作用如下：

钴（Co）：作为金属陶瓷基材，熔覆时彻底熔融，与熔融状态的钻杆表面基材一同形成激光熔池，以供其他元素或化合物在熔池中均匀分布后凝固成熔覆层，以增加熔覆层硬度。

碳化钨（WC）颗粒：在激光熔覆过程中不熔化，在对钻杆激光熔覆时钴基金属陶瓷合金粉末从激光头的粉末喷孔均匀喷出，WC均匀分布在熔池中，作为强化微粒存在于熔覆层中，极大地增强了熔覆层的硬度。

碳（C）：属于非金属元素，碳含量越高，硬度就越高，耐磨性能就越好，屈服点和抗拉强度升高，但是其韧性、塑性、冲击性和抗腐蚀性能会随着碳含量的增加而降低，因此该金属陶瓷合金粉末中C含量的选择确保钻杆满足耐磨性的同时，尽可能的兼顾韧性和抗腐蚀性。

氟化钙(CaF2)：作为添加材料，用于减少熔覆层凝固时的内应力，防止凝固后出现热裂纹、缩孔、缩松等缺陷，提高金属内部组织的致密性。

氮化硅(SiN4)：作为除碳化钨WC之外的第二种陶瓷颗粒存在，在熔覆过程中不熔化，但对激光的热吸收率大，可加速分散热量，并作为低硬度金属元素与超高硬度陶瓷颗粒的缓和，增强抗蠕变性，抗氧化性，提高耐腐蚀性。

硼（B）：具有晶界强化作用，可以提高熔覆层的硬度，强度，能提高钢的淬透性，促使钢的正火态组织由珠光体向贝氏体转变。

铬（Cr）：具有较强的固溶强化能力，提高熔覆层的强度，可增大钢的淬火度和淬火后的变形能力，提高的淬透性，并且使熔覆层具有优良的抗腐蚀性、耐磨性、硬度、弹性、耐热性、抗磁力和抗强力。

钒（V）：具有细晶强化作用，可提高回火抗力和材料的淬透性，也能和碳形成碳化物。

硅（Si）：在自熔性粉末中起自造渣及保护作用，可以与进入熔池的氧元素优先形成硅酸盐，覆盖于熔池表面，防止液态金属过渡氧化，提高液态金属的润湿能力。对铁素体有较大的固熔强化作用，硅能细化珠光体组织，但是过高的Si对钢的焊接性不利。

铁（Fe）：与钻杆基体的材料相同，增加液态金属与基体的亲和性，提高熔覆层冶金结合的强度，使该金属陶瓷合金粉末在与钻杆表面充分均匀融合。

钼（Mo）：作为一种稀土元素添加剂，促进晶粒细化，提高熔覆层的组织均匀性，从而改善熔覆层的摩擦磨损性能。

采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该钴基金属陶瓷合金粉末专门用于钻杆表面的激光熔覆，可与钻杆基材充分融合，各成分均匀分布于熔覆层中，减少熔覆层的气孔、裂纹和缩孔缺陷，采用超高硬度陶瓷颗粒以提高钻杆表面的硬度和强度，另外再选择一些微量元素以提高钻杆耐磨性和抗腐蚀性能，从而使钻杆可适应各种恶劣的工作环境，延长使用寿命。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

将100g碳化钨、2g碳、40g氟化钙、30g氮化硅、20g硼、110g铬，6g钒、20g硅、80g铁、150g钼、442g钴充分混合，得到100-200目钴基金属陶瓷合金粉末。

实施例2

将120g碳化钨、4g碳、70g氟化钙、50g氮化硅、40g硼、140g铬，10g钒、40g硅、100g铁、180g钼、246g钴充分混合，得到100-200目钴基金属陶瓷合金粉末。

实施例3

将110g碳化钨、3g碳、50g氟化钙、40g氮化硅、30g硼、120g铬，8g钒、30g硅、90g铁、170g钼、349g钴充分混合，得到100-200目钴基金属陶瓷合金粉末。

将该实施例3中混合好的金属合金粉末由激光头的喷粉孔均匀喷出，金属陶瓷合金粉末的送粉方向与激光光束同轴，激光的激光波长为1.06um，输出功率为4000W，运行速度为3m/min，单道宽度为2mm。经过激光熔覆得到的钻杆进行机械检测得到以下数据：（下表中的距离是以熔覆层的最下表面为基平面，基平面以上为正，基平面以下为负）

任何技术人员在本发明披露的技术范围之内，根据本发明的技术方案和发明构思加以等同替换或改变的技术方案都应该落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末，按重量百分比计，包含10-12%碳化钨，0.2-0.4%碳，4-7%氟化钙，3-5%氮化硅，2-4%硼，11-14%铬，0.6-1%钒，2-4%硅，8-10%铁，15-18%钼，余量为钴。

2.如权利要求1所述的专用于钻杆表面激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末，其特征在于：包含11%碳化钨，0.3%碳，5%氟化钙，4%氮化硅，3%硼，12%铬，0.8%钒，3%硅，9%铁，17%钼，余量为钴。