CN104646849A - 用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条 - Google Patents

用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，包括钢铁管皮和填充物，其组分：钢铁管皮25～40％，填充物60～75％；填充物的成分：球形烧结碳化钨颗粒40～75％，破碎烧结碳化钨颗粒5～35％，破碎铸造碳化钨颗粒10～40％，铁合金粉末2.0～6.0％，单质金属粉末0.1～2.0％，树脂类有机粘结剂0.2～1.0％。采用韧性好的球形烧结碳化钨颗粒、抗疲劳性好的破碎烧结碳化钨颗粒及耐磨性好的破碎铸造碳化钨颗粒，提高堆焊性、抗冲击性、抗疲劳性及耐磨性，金属元素提高堆焊层与母材的结合强度、增加堆焊层中钢铁管皮在堆焊过程中熔化后形成的基体材料强度，加强基体材料对各类碳化钨硬质颗粒的固着能力，延长堆焊层的使用寿命。

Description

用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条
技术领域
本发明涉及一种用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，应用于牙轮钻头的掌尖和掌背、金刚石钻头的刀翼背面和胎体、钢齿牙钻头的齿面和背锥、扶正器，以及其它钢铁类以疲劳磨损失效为主的工程工具的工作表面耐磨强化。
背景技术
在石油钻探过程中，作为钻进工具的钻头，工况非常恶劣，磨损十分严重。为了避免钻头体过早磨损失效，通常在牙轮钻头的齿面、背锥及掌尖、掌背部位堆焊一层耐磨材料。
专利公开号为CN1404956A、CN1562550A、CN101168221A、CN101380698A的中国专利中涉及用于齿面、背锥及掌尖、掌背的碳化钨管状焊条是未加区分的，事实上，在牙轮钻头的钻进过程中，上述各部位的工况存在较大差异，在钻进过程中，牙轮钻头的牙轮上牙齿随着牙轮的转动，依次接触井底，依靠强大的钻压吃入岩石从而进行钻进，整个过程中受到强烈的冲击和磨损；背锥为牙轮的平整锥背，无强烈的冲击作用，仅存在磨损作用，但其随着牙轮的自转与岩石的接触部分并非固定；掌尖、掌背是支撑牙轮体的牙掌的尖端和背部，不能自由转动，钻进过程中，紧贴井壁，工况为无强烈冲击的持续接触的疲劳磨损。因此，牙轮钻头所使用的硬面堆焊材料也应加以区别。
另外，以往的技术中加入较多量的价格较高的铸造碳化钨，特别是球形铸造碳化钨加入更是增加了原材料成本，限制了碳化钨管状焊条的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，旨在解决牙轮钻头的掌尖、掌背部位的持续接触的疲劳磨损等问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，包括钢铁管皮和填充物，其组分有如下的重量百分比：
钢铁管皮  25～40％
填充物    60～75％
所述填充物的组分重量百分比：
进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述钢铁管皮由冷轧低碳带钢卷制而成，厚度为0.1～0.5mm。
更进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述球形烧结碳化钨颗粒粒度为15～40目，破碎烧结碳化钨颗粒粒度为20～60目，烧结碳化钨颗粒由碳化钨粉与钴粉烧结组成，碳化钨粉的粒度为0.8～10μm，钴粉的粒度为0.8～1.5μm，钴粉的重量百分比含量为3～10％。
更进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述破碎铸造碳化钨颗粒粒度为40～140目。
更进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述铁合金粉末是硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中的一种或几种与铌铁合金的混合物。
再进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中，硅元素重量百分比含量为10～30％，或/和，锰元素重量百分比含量为50～80％；所述铌铁合金中铌元素重量百分比含量为40～75％。
再进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述铁合金粉末粒度为-200目。
再进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述单质金属粉末为锰粉、铌粉、镍粉中的一种或几种的混合物。
再进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述单质金属粉末粒度为-200目。
再进一步地，上述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其中，所述树脂类有机粘结剂为酚醛树脂或松香树脂，粒度为-325目。
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：
本发明采用韧性好的球形烧结碳化钨颗粒、抗疲劳性好的破碎烧结碳化钨颗粒及耐磨性好的破碎铸造碳化钨颗粒，显著提高堆焊性、抗冲击性、抗疲劳性及耐磨性，同时加入金属元素提高堆焊层与母材的结合强度、增加堆焊层中钢铁管皮在堆焊过程中熔化形成的基体材料强度，加强基体材料对各类碳化钨硬质颗粒的固着能力，从而延长堆焊层的使用寿命；该碳化钨管状焊条广泛适用于牙轮钻头的掌尖和掌背、金刚石钻头的刀翼背面和胎体、钢齿牙钻头的齿面和背锥、扶正器，以及其它钢铁类以疲劳磨损失效为主的工程工具的工作表面强化。同时，减少了铸造碳化钨的使用量，未使用价格昂贵的球形铸造碳化钨，大大降低了原材料成本，增加了碳化钨管状焊条的经济性。
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为本发明碳化钨管状焊条堆焊后堆焊层的金相照片；
图中标记的含义：a为球形烧结碳化钨，b为破碎烧结碳化钨，c为破碎铸造碳化钨，d为基体，e为工件母材。
具体实施方式
用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，包括钢铁管皮和填充物，成分为：钢铁管皮25～40％，填充物60～75％；填充物的组分为：球形烧结碳化钨颗粒40～75％，破碎烧结碳化钨颗粒5～35％，破碎铸造碳化钨颗粒10～40％，铁合金粉末2.0～6.0％，单质金属粉0.1～2.0％，树脂类有机粘结剂0.2～1.0％。其中，钢铁管皮由冷轧低碳带钢卷制而成，厚度0.1～0.5mm。球形烧结碳化钨颗粒粒度为15～40目，破碎烧结碳化钨颗粒粒度为20～60目，烧结碳化钨颗粒由碳化钨粉与钴粉烧结组成，碳化钨粉的粒度为0.8～10μm，钴粉的粒度为0.8～1.5μm，钴粉的重量百分比含量为3～10％。破碎铸造碳化钨颗粒粒度为40～140目。铁合金粉末为铁合金粉末是硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中的一种或几种与铌铁合金的混合物，硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中，硅元素重量百分比含量为10～30％，或/和，锰元素重量百分比含量为50～80％；铌铁合金中铌元素重量百分比含量为40～75％；铁合金粉末粒度为-200目。单质金属粉末为锰粉、铌粉、镍粉中的一种或几种的混合物，粒度为-200目。树脂类有机粘结剂为酚醛树脂或松香树脂，粒度为-325目。采用的堆焊方式包括氧乙炔焊、电弧焊、氢原子焊及氩弧焊。
在碳化钨管状焊条的填充物中，加入40～75％的15～40目球形烧结碳化钨颗粒，其硬度低于铸造碳化钨，韧性高于铸造碳化钨，且形状为球形可以减少外力作用引起的应力集中；高温堆焊后，由于球形烧结碳化钨的粘结金属为钴，与钢铁母材及钢铁管皮熔化后的基体中的铁元素为同族元素，有良好的互溶性，有利于增强烧结碳化钨颗粒与母材、基体的结合强度。
加入5～35％的20～60目破碎烧结碳化钨颗粒，在高温堆焊时，与钢铁母材及钢铁管皮熔化后的基体中的铁元素为同族元素，有良好的互溶性，有利于增强烧结碳化钨颗粒与母材、基体的结合强度；破碎烧结碳化钨颗粒有不规则的外形，加强了破碎烧结碳化钨颗粒在基体中的固着能力，防止颗粒从基体中过早脱落，因此增加了堆焊层的抗疲劳磨损性。
同时，加入10～40％的40～140目破碎铸造碳化钨颗粒，其硬度远高于烧结碳化钨颗粒，提高了堆焊层的耐磨性。
同时，加入粒度为-200目2.0～6.0％的铁合金粉末，铁合金粉末是硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中的一种或几种与铌铁合金的混合物，用于堆焊脱氧造渣，去除堆焊层的气孔，提高堆焊层质量。
同时，加入粒度为-200目的0.1～2.0％的锰粉、铌粉、镍粉中的一种或几种的混合物，用于改善堆焊工艺性，并且改善粘结相合金组织，从而提高堆焊层的抗磨损、抗磨蚀能力。
此外，还加入粒度为-325目酚醛树脂、松香树脂类有机粘结剂0.2～1.0％，用来改善装填的均匀性。
实施例1：
碳化钨管状焊条填充物重量百分含量为：粒度为15～40目的球形烧结碳化钨颗粒50％，粒度为20～60目的破碎烧结碳化钨颗粒30％，粒度为40～140目的破碎铸造碳化钨13％，粒度-200目的硅铁合金3.9％，粒度-200目的铌铁合金1.0％，粒度为-200目的镍粉1.5％，粒度为-325目的酚醛树脂0.6％。钢铁管皮为低碳钢H08A，管径为4.5mm，管皮厚度0.4mm。填充物点整根焊条的重量百分比为63％。
堆焊后，堆焊层金相图如图1所示。本实施例堆焊层中球形烧结碳化钨的显微硬度为HV0.21586，破碎烧结碳化钨颗粒的显微硬度为HV0.21379，破碎铸造碳化钨颗粒的显微硬度为HV0.22237，基体的显微硬度为HV0.05786。橡胶轮磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高15～30％。
实施例2：
碳化钨管状焊条填充物重量百分含量为：粒度为15～40目的球形烧结碳化钨颗粒45％，粒度为20～60目的破碎烧结碳化钨颗粒35％，粒度为40～140目的破碎铸造碳化钨15％，粒度-200目的硅锰铁合金2.0％，粒度为-200目的铌铁合金1.8％；粒度为-200目的铌粉1.0％，粒度为-325目的松香树脂0.2％。钢铁管皮为低碳钢SPCC-SD，管径为3.5mm，管皮厚度0.25mm。填充物点整根焊条的重量百分比为75％。
本实施例堆焊层中球形烧结碳化钨的显微硬度为HV0.21538，破碎烧结碳化钨颗粒的显微硬度为HV0.21391，破碎铸造碳化钨颗粒的显微硬度为HV0.22272，基体的显微硬度为HV0.05816。橡胶轮磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高20～45％。
综上所述，本发明在碳化钨管状焊条填充物中加入了韧性好的球形烧结碳化钨颗粒、抗疲劳性好的破碎烧结碳化钨颗粒、耐磨性好的破碎铸造碳化钨颗粒，综合利用了各种颗粒的特点，提高了堆焊性抗冲击性及耐磨性；单质金属粉末的加入提高了堆焊层与母材的结合强度、增加了堆焊层中钢铁管皮在堆焊过程中熔化后形成的基体材料强度，同时加入的破碎烧结碳化钨外形不规则，不易从基体中脱落，因而加强了基体材料对各类碳化钨硬质颗粒的固着能力，提高了抗疲劳磨损性。因此，该技术方案通过优选碳化钨管状焊条填充物的组分，改善了堆焊层的抗冲击性、耐磨性及抗疲劳性，从而延长了堆焊层的使用寿命。此碳化钨管状焊条广泛适用于牙轮钻头的掌尖和掌背、金刚石钻头的刀翼背面和胎体、钢齿牙钻头的齿面和背锥、扶正器，以及其它钢铁类以疲劳磨损失效为主的工程工具的工作表面耐磨强化。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，包括钢铁管皮和填充物，其特征在于其组分具有如下的重量百分比：
钢铁管皮   25～40％
填充物     60～75％
所述填充物的组分重量百分比：
2.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述钢铁管皮由冷轧低碳带钢卷制而成，厚度为0.1～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述球形烧结碳化钨颗粒粒度为15～40目，破碎烧结碳化钨颗粒粒度为20～60目，烧结碳化钨颗粒由碳化钨粉与钴粉烧结组成，碳化钨粉的粒度为0.8～10μm，钴粉的粒度为0.8～1.5μm，钴粉的重量百分比含量为3～10％。
4.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述破碎铸造碳化钨颗粒粒度为40～140目。
5.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述铁合金粉末是硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中的一种或几种与铌铁合金的混合物。
6.根据权利要求5所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述硅铁合金、锰铁合金、硅锰铁合金中，硅元素重量百分比含量为10～30％，或/和，锰元素重量百分比含量为50～80％；所述铌铁合金中铌元素重量百分比含量为40～75％。
7.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述铁合金粉末粒度为-200目。
8.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述单质金属粉末为锰粉、铌粉、镍粉中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述单质金属粉末粒度为-200目。
10.根据权利要求1所述的用于硬面堆焊的碳化钨管状焊条，其特征在于：所述树脂类有机粘结剂为酚醛树脂或松香树脂，粒度为-325目。
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