CN110216397A

CN110216397A - 耐磨合金粉及其应用、耐磨焊层的制备方法

Info

Publication number: CN110216397A
Application number: CN201910506905.9A
Authority: CN
Inventors: 余伟; 李玉玺; 颜维; 雷勇; 王维民; 朱飞飞; 蒲春
Original assignee: ZIGONG TUNGSTEN CARBIDE CO Ltd
Current assignee: ZIGONG TUNGSTEN CARBIDE CO Ltd
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明涉及一种耐磨合金粉，包括以下质量比的组分制备得到：铸造碳化钨粉：镍铬硼硅合金粉质量比为3‑6:4‑7，所述铸造碳化钨粉或镍铬硼硅合金粉的粒度为80‑325目。本发明仅采用两种组分即可，成本更低，且制备的产品使用寿命长，经过等离子堆焊后的搅拌器使用寿命达到10个月，提高了6倍。

Description

耐磨合金粉及其应用、耐磨焊层的制备方法

技术领域

本发明涉及等离子堆焊增强矿山、油井高速搅拌器、钻具等耐磨性能的方法，特别是利用等离子堆焊将铸造碳化钨/镍基粉的混合粉制备耐磨焊层的方法。

背景技术

矿山用高速搅拌器为某铁矿企业地下挖矿后回填工序中的搅拌功能，目的将水泥、沙粒和水按一定比例进行高速搅拌混合，再将搅拌后的混泥土回填到采挖空洞进行回填作业。该高速搅拌器为该工序的关键设备部件，易磨损，使用寿命短，一般为45天，材质为40CrMo钢。

等离子转移弧(Plasma TransferredArc，PTA)堆焊是以转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，堆焊时将工件表面及堆焊材料同时熔化，并使两种材料相互混合构成熔池，熔池经冷凝结晶形成堆焊层。具有以下特点：

(1)稀释率低，稀释率过高会影响堆焊材料固有的性质，这是堆焊质量的重要指标，等离子弧粉末堆焊的稀释率可控制在5％～10％。

(2)生产率高，熔敷率最高可达12kg/h，粉末利用率可达95％。

(3)易于实现自动化、机械化。

等离子堆焊技术可广泛的可应用于矿山、煤矿、农机、机械、石油等行业的特殊环境中的关键耐磨耐蚀部件。可使大大提高工件使用寿命，经济效益显著。

等离子堆焊使用的合金粉末主要有Ni基粉、Fe基粉。

铸造碳化钨粉，化学成分为WC·W₂C，是WC和W₂C的共晶体组织，具有硬度高(HRA92-93)，熔点高(2525℃)，耐磨性优良特点。广泛应用于采掘、石油、机械、加工等行业。镍铬硼硅合金粉的特点是自熔性、润湿性和堆焊性好，其焊层耐蚀、耐磨、耐冲击，有较好的抗高温氧化性，是等离子堆焊普遍采用的合金粉末。等离子粉末堆焊技术非常成熟的材料表面强化手段，具有熔敷率高、稀释率低,堆焊用粉末使用范围广等突出优点。

发明内容

现有技术公开的堆焊形成的耐磨层，在实际应用存在使用寿命短、表面易产生细裂纹的缺点。申请人研究发现，将高硬度、高耐磨的铸造碳化钨与镍基粉混合用等离子堆焊制备的焊层耐磨性会更好，焊层中镍基合金作为粘结相包覆着硬质相铸造碳化钨，将大幅度提高堆焊层的耐磨性能。

为了实现本发明发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种耐磨合金粉，包括以下质量比的组分制备得到：铸造碳化钨粉：镍铬硼硅合金粉质量比为3-6:4-7，所述铸造碳化钨粉或镍铬硼硅合金粉的粒度为80-325目。

本发明一具体实施例中，所述铸造碳化钨粉包括以下质量百分比的化学成分：C3.8-4.1％、W 95-96％、Fe≤0.5％。

本发明一具体实施例中，所述铸造碳化钨粉包括以下质量百分比的化学成分：C3.8-4.1％、W 95-96％、Fe≤0.5％、Cr≤0.01％、Si≤0.02％、O≤0.05％、V≤0.05％。

本发明一具体实施例中，所述镍铬硼硅合金粉包括以下质量百分比的化学成分：Cr 10-17％、B 2-4％、Si 3-5％、Fe≤5％、Ni70-85％。所述镍铬硼硅合金粉的根据现有公开的水雾法或气雾法制备得到，具体的制备过程参照现有技术公开的内容。

本发明一具体实施例中，所述镍铬硼硅合金粉包括以下质量百分比的化学成分：Cr 10-17％、B 2-4％、Si 3-5％、Fe≤5％、、Ni70-85％、O≤0.08％。

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：将铸造碳化钨粉和镍铬硼硅合金粉混合，采用等离子堆焊方法进行焊接即得耐磨焊层。

本发明一具体实施例中，所述等离子堆焊包括以下一项或多项焊接参数：堆焊电流80-200A；送粉量20-100g/min；送粉气流2-4L/min；保护气流10-20L/min；焊接距离10-15mm；焊枪摆动速度1000-2000mm/min；焊枪移动速度40-100mm/min。

所述耐磨合金粉在金属表面耐磨强化处理中的应用，如应用于制备包括油井、矿山的钻具的耐磨焊层。

一种油井用钻具，包括采用上述耐磨合金粉制备耐磨焊层。

一种矿山用搅拌器，包括采用上述耐磨合金粉制备耐磨焊层。

相比现有技术，本发明具有包括以下有益效果：

本发明特别将粒度为80-325目的铸造碳化钨与镍基粉混合用等离子堆焊制备的焊层耐磨性好，焊层中镍基合金作为粘结相包覆着硬质相铸造碳化钨，将大幅度提高堆焊层的耐磨性能。相比现有技术公开的采用三种以上的组分制备耐磨焊层，本发明仅采用两种组分即可，成本更低，且制备的产品使用寿命长，经过等离子堆焊后的搅拌器使用寿命达到10个月，提高了6倍。

附图说明

图1为PTA堆焊层金相图；

图2为矿山用搅拌器结构图。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请所述对比样采用CN201811317967.7一种钻具用PTA堆焊材料及其制备方法所述技术方案的实施例1制备得到。

实施例1

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉40g与80-325目的镍基合金粉(Ni：余量，Cr：12％，B：2％，Si：3.5％，Fe：5％，水雾法工艺生产)60g机械混合，其质量比例为4:6。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流110A、送粉量50g/min，送粉气流4L/min，保护气流15L/min，焊接距离12mm，焊枪摆动速度1400mm/min，焊枪移动速度70mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了3％，按ASTM G65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例等离子堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了7％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了13％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是112.5W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK；本实施例制备的高速搅拌器使用寿命达到10个月，堆焊焊层无裂纹，相比传统的搅拌器寿命提高了6倍。

实施例2

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉60g与80-325目的镍基合金粉(Ni：余量，Cr：15％，B：3.5％，Si：4％，Fe：3.5％气雾法工艺生产)40g机械混合，其质量比例为6:4。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流120A、送粉量50g/min，送粉气流4L/min，保护气流15L/min，焊接距离12mm，焊枪摆动速度1400mm/min，焊枪移动速度70mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了5％，按ASTM G65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了6％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了10％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是109.3W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK。本实施例制备的高速搅拌器使用寿命达到11个月，堆焊焊层无裂纹，相比传统的搅拌器寿命提高了6倍。

实施例3

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉(C 3.8％、W 95％、Fe0.5％、Cr0.01％、Si0.02％、O0.05％、V0.05％)35g与80-325目的镍基合金粉(Cr 12％、B 2％、Si 3％、Fe5％、O0.08％、Ni：余量，水雾法工艺生产)65g机械混合。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流90A；送粉量60g/min；送粉气流3.5L/min；保护气流13L/min；焊接距离12mm；焊枪摆动速度1200mm/min；焊枪移动速度60mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了4％，按ASTM G65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了6％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了7％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是115.3W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK。本实施例制备的油井钻具使用寿命达到4.5个月，堆焊焊层无裂纹，相比对比样制备的钻具寿命提高了1.5倍。

实施例4

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉(C 4.0％、W 96％、Fe0.4％、Cr0.01％、Si0.02％、O0.03％、V0.03％)50g与80-325目的镍基合金粉(Cr 14％、B 3％、Si 4％、Fe3％、O0.08％、Ni：余量，水雾法工艺生产)50g机械混合，其质量比例为3-6:4-7。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流150A；送粉量60g/min；送粉气流3L/min；保护气流18L/min；焊接距离13mm；焊枪摆动速度1500mm/min；焊枪移动速度50mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了7％，按ASTM G65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了8％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了15％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是113.7W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK。本实施例制备的油井钻具使用寿命达到6个月，堆焊焊层无裂纹，相比对比样制备的钻具寿命提高了2倍。

实施例5

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉(C 4.0％、W 96％、Fe0.4％、Cr0.01％、Si0.02％、O0.03％、V0.03％)45g与80-325目的镍基合金粉(Cr 14％、B 3％、Si 4％、Fe3％、O0.08％、Ni：余量，水雾法工艺生产)55g机械混合。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流120A；送粉量80g/min；送粉气流2.5L/min；保护气流18L/min；焊接距离15mm；焊枪摆动速度1800mm/min；焊枪移动速度100mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了8％，按ASTMG65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了9％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了10％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是114.5W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK。本实施例制备的油井钻具使用寿命达到6.5个月，堆焊焊层无裂纹，相比对比样制备的钻具寿命提高了2倍。

实施例6

一种耐磨焊层的制备方法，包括以下内容：

将80-325目的铸造碳化钨粉(C 4.0％、W 96％、Fe0.4％、Cr0.01％、Si0.02％、O0.03％、V0.03％)50g与80-325目的镍基合金粉(Cr 14％、B 3％、Si 4％、Fe3％、O0.08％、Ni：余量，水雾法工艺生产)50g机械混合，其质量比例为3-6:4-7。将该100g混合粉利用等离子堆焊设备在基体为Q235钢上进行堆焊，调整堆焊参数，堆焊电流200A；送粉量100g/min；送粉气流2L/min；保护气流13L/min；焊接距离14mm；焊枪摆动速度1900mm/min；焊枪移动速度80mm/min，获得良好的耐磨焊层。将堆焊层取样，按ASTM B611标准检测其在高应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能提升了7.5％，按ASTM G65标准检测其在低应力工况下的耐磨损性能，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比耐磨损性能相比提升了9％，应用30J冲击能量进行的疲劳冲击实验，采用本实施例PTA堆焊材料的堆焊层与对比样的堆焊层相比抗冲击次数提高了17％。检测堆焊层的热传导率，本实施例的堆焊层热传导率是117.3W/mK，对比样的堆焊层热传导率是100.9W/mK。本实施例制备的油井钻具使用寿命达到6个月，堆焊焊层无裂纹，相比对比样制备的钻具寿命提高了2倍。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐磨合金粉，其特征在于，包括以下质量比的组分制备得到：铸造碳化钨粉：镍铬硼硅合金粉质量比为3-6:4-7，所述铸造碳化钨粉或镍铬硼硅合金粉的粒度为80-325目。

2.根据权利要求1所述耐磨合金粉，其特征在于：所述铸造碳化钨粉包括以下质量百分比的化学成分：C 3.8-4.1％、W 95-96％、Fe≤0.5％。

3.根据权利要求1所述耐磨合金粉，其特征在于：所述铸造碳化钨粉包括以下质量百分比的化学成分：C 3.8-4.1％、W 95-96％、Fe≤0.5％、Cr≤0.01％、Si≤0.02％、O≤0.05％、V≤0.05％。

4.根据权利要求1所述耐磨合金粉，其特征在于：所述镍铬硼硅合金粉包括以下质量百分比的化学成分：Cr 10-17％、B 2-4％、Si 3-5％、Fe≤5％、Ni 70-85％。

5.根据权利要求1所述耐磨合金粉，其特征在于：所述镍铬硼硅合金粉包括以下质量百分比的化学成分：Cr 10-17％、B 2-4％、Si 3-5％、Fe≤5％、Ni 70-85％、O≤0.08％。

6.一种耐磨焊层的制备方法，其特征在于，包括以下内容：将铸造碳化钨粉和镍铬硼硅合金粉混合得到的耐磨合金粉，采用等离子堆焊方法进行焊接即得耐磨焊层。

7.根据权利要求1所述耐磨焊层的制备方法，其特征在于：所述等离子堆焊包括以下一项或多项焊接参数：堆焊电流80-200A；送粉量20-100g/min；送粉气流2-4L/min；保护气流10-20L/min；焊接距离10-15mm；焊枪摆动速度1000-2000mm/min；焊枪移动速度40-100mm/min。

8.耐磨合金粉在金属表面耐磨强化处理中的应用。

9.一种油井用钻具，其特征在于：包括采用权利要求1-5任一所述耐磨合金粉制备耐磨焊层。

10.一种矿山用搅拌器，其特征在于：包括采用权利要求1-5任一所述耐磨合金粉制备耐磨焊层。