CN110385547B - 一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝，其中所述的药芯焊丝采用以低碳钢H08A冷轧薄钢带为外层包皮，该包皮内配以高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、中碳锰铁和超细化铝粉以及雾化还原铁粉构成药芯，形成包括以针状马氏体和其中原位弥散析出的复合碳化钒铁(Ti,V)C增强相组成的胞状组织以及沿晶分布的奥氏体的组织结构的堆焊合金；优点为：本发明极大提高了堆焊合金韧性，可应用于石油钻具的耐磨环焊缝带堆焊制造或者修复，也可用作冷作模具钢的表面磨损层修复制造。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻具领域，尤其是涉及一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝。
背景技术
在石油勘探开发，尤其是钻井作业过程中，钻柱和套管的磨损问题，一直影响着油田生产开发。首先钻具的磨损，导致其使用寿命的下降，甚至钻具失效，从而造成经济损失和资源浪费；其次由于钻具经常在套管内作业，同样会造成套管的磨损，导致套管的变形甚至磨穿损坏，影响到随后的钻井、完井及开采作业的质量和安全，同样造成经济损失和资源浪费。
目前，国内外大多采用在钻具尤其是常用的钻杆上面堆焊耐磨带的方式来减少钻具和套管的磨损。目前钻杆上经常使用的耐磨带有两种方式：一种是堆焊碳化钨耐磨带，它的特点是硬度高，耐磨性好，但减摩性很差，对套管磨损严重，脆性大，可焊性差，裂纹多，容易掉块，直接影响钻头的破岩效率；第二种是药芯焊丝堆焊耐磨带，它的特点是减摩性好、耐磨性适中，既保护了钻杆、又保护了套管，但是该型药芯焊丝国内生产的品种性能不理想，主要表现为其堆焊合金的韧性偏低，常在耐磨堆焊环焊缝带的首尾搭接处产生裂纹，极易扩展而影响钻杆的强度，进而严重影响石油钻具的作业进度和生产效率。
究其原因，因所选用的耐磨药芯焊丝的碳含量偏高，而碳原子极易扩散到晶界等原子排列较为稀松处而形成沿晶网状分布的碳化物，这导致合金的韧性急剧降低而极易在堆焊带的搭接处萌生裂纹。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有技术的不足，而提供一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝。
本发明新的技术方案是：一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝，所述的药芯焊丝的直径为1.6mm，所述的药芯焊丝包括药芯及外层包皮，所述的外层包皮为H08A冷轧薄钢带，所述的药芯包括高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、锰铁、超细化铝粉及雾化还原铁粉，所述的超细化铝粉过300目筛，所述的药芯焊丝形成包括以针状马氏体和其中原位弥散析出的复合碳化钒铁(Ti,V)C增强相组成的胞状组织以及沿晶分布的奥氏体的组织结构的堆焊合金；所述的药芯组分的重量百分含量为：
含铬量为68～72%、含碳量为8%的60目高碳铬铁FeCr70C8.0 40～60%
含钒量为50%的钒铁FeV50-A 10～15%
含钼量为50%的钼铁FeMo50-A 4～8%
含钛量为25～35%的钛铁FeTi30A 4～7%
含硅量为40～47%的硅铁FeSi45 4～7%
含锰量为78～85%、含碳量为1.5%的中碳锰铁FeMn80C1.5 2～4%
含铝量不低于99%的超细化铝粉Al 1～3%
含铁量不低于98%的还原铁粉Fe 余量
所述的药芯填充率为 23～25%。
所述的药芯所含高碳铬铁、锰铁、钛铁、钒铁、钼铁、硅铁及雾化还原铁粉的粉末组分过60目筛。
所述的超细化铝粉先期脱氧，减小二氧化碳气保护焊的飞溅量。
堆焊电流值250～320A，焊接速度100～150mm/min，二氧化碳气体流量 15～20L/min。
采用钒和钛、铬和钼、锰和铁以及硅等组元组分的优化组配，构建立体层次的控碳方式，抑制碳原子向胞状晶界的扩散量而控制晶界碳浓度，以使之形成沿胞状晶网状或树枝状分布的奥氏体韧性组织。
本发明的有益效果为：（ⅰ）沿胞状相晶界的析出相不同：通常，碳易扩散到胞状相的晶界而形成沿晶网状或树枝状分布的碳化物而使堆焊合金的韧性急剧下降；本发明采用立体控碳方式，有效控制了向晶界扩散的碳原子数量，使之形成了沿胞状晶网状或者树枝状分布的奥氏体等韧性组织，显著提高了堆焊合金的韧性。
（ⅱ）胞状相组织不同：本发明胞状相为隐针状马氏体和其中原位析出的复合(Ti,V)C相组成的混合体，二者相互支撑，并使针状马氏体显著细化而成为隐针马氏体，形成强韧性高的团状耐磨相，既提高了堆焊合金的耐磨性，又使之具有较高韧性。这与通常胞状先析出相为奥氏体或者相变后的铁素体的堆焊合金的组织明显不同。
（ⅲ）控碳方式不同：采用强碳化物形成元素钒和钛、中强碳化物形成元素铬和钼、弱碳化物形成元素锰和铁以及非碳化物形成元素硅等组元组分的优化组配，构建了立体层次的控碳方式，抑制碳原子向胞状晶界的扩散量而控制晶界碳浓度，以使之形成沿胞状晶网状或树枝状分布的奥氏体韧性组织；这与通常单纯以铌、钒等直接析出的MC相的控碳方式显著不同，该方式无法避免高温MC相析出后的碳原子继续扩散而形成沿胞状晶分布的网状或者树枝状碳化物。
（ⅳ）宏观硬度不同：本堆焊药芯焊丝的宏观硬度58～61HRC，高于通常石油钻杆的宏观硬度。
（ⅴ）抗裂性不同：本钻具耐磨堆焊药芯焊丝，无预热多层堆焊不产生任何裂纹。由于石油钻具需环绕圆柱体钻杆堆焊一圈，并一次性形成宽25～35mm和厚度为3mm左右的堆焊环焊缝，并要求该环焊缝的收尾部位和焊缝起始处必须完全搭接25mm以上，并使该搭接焊缝的余高大于3mm。该部位拘束应很大而极易产生裂纹。经检测，本发明的药芯焊丝，未产生裂纹，这表明其堆焊合金具有极为优良的抗裂性。
附图说明
图1为本发明的组织形态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝，所述的药芯焊丝的直径为1.6mm，所述的药芯焊丝包括药芯及外层包皮，所述的外层包皮为H08A冷轧薄钢带，所述的药芯包括高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、锰铁、超细化铝粉及雾化还原铁粉，所述的超细化铝粉过300目筛，所述的药芯焊丝形成包括以针状马氏体和其中原位弥散析出的复合碳化钒铁(Ti,V)C增强相组成的胞状组织以及沿晶分布的奥氏体的组织结构的堆焊合金；所述的药芯组分的重量百分含量为：
含铬量为68～72%、含碳量为8%的60目高碳铬铁FeCr70C8.0 40～60%
含钒量为50%的钒铁FeV50-A 10～15%
含钼量为50%的钼铁FeMo50-A 4～8%
含钛量为25～35%的钛铁FeTi30A 4～7%
含硅量为40～47%的硅铁FeSi45 4～7%
含锰量为78～85%、含碳量为1.5%的中碳锰铁FeMn80C1.5 2～4%
含铝量不低于99%的超细化铝粉Al 1～3%
含铁量不低于98%的还原铁粉Fe 余量
所述的药芯填充率为 23～25%。
所述的药芯所含高碳铬铁、锰铁、钛铁、钒铁、钼铁、硅铁及雾化还原铁粉的粉末组分过60目筛。
所述的超细化铝粉先期脱氧，减小二氧化碳气保护焊的飞溅量。
堆焊电流值250～320A，焊接速度100～150mm/min，二氧化碳气体流量 15～20L/min。
采用钒和钛、铬和钼、锰和铁以及硅等组元组分的优化组配，构建立体层次的控碳方式，抑制碳原子向胞状晶界的扩散量而控制晶界碳浓度，以使之形成沿胞状晶网状或树枝状分布的奥氏体韧性组织。
该型药芯焊丝直径Φ1.6，由药芯和外层包皮两部分构成，其中药芯由各种类型粉末材料组成，如高碳铬铁、钼铁、钒铁、钛铁、硅铁、中碳锰铁和超微细铝粉等；外层包皮选用H08A冷轧薄钢带。在药芯焊丝成型之前，先将超细化铝粉过300目筛，其余合金组分过60目筛，然后将所有组成组分混合均匀，随即在药芯焊丝成型机上压制成型为Φ2.2的粗丝，然后以每次减径0.1mm，逐步拉拔至Φ1.6备用。
将Φ1.6的药芯焊丝用二氧化碳气保护焊机NBC-630在35CrMo钢板上明弧焊，形成第一层焊缝。待焊缝空冷至200℃以下，采用药芯焊丝明弧自保护堆焊第二层，焊后空冷；同上措施堆焊第三层焊缝。
药芯焊丝内加入1～3%超细化铝粉主要作用在于先期脱氧，以降低二氧化碳气保护时的氧化反应激烈程度而提高Cr、Mo、V、Ti等合金组元的过渡系数，并减小飞溅，提高焊缝成型性能。
基于此，结合附图，为防止碳扩散晶界处而形成沿晶网状或者树枝状分布的碳化物而脆化合金，提出一种立体层次控碳方式：γ-Fe相从堆焊熔体析出，并以胞状形式长大；γ-Fe相中固溶的强碳化物形成元素钛，先与碳原子结合形成TiC相，接着钒与碳原子以该TiC相为形核核心而结晶长大，形成弥散分布的复合（Ti，V)C相；复合（Ti，V)C相的析出，使γ-Fe相所含碳量迅速下降而控制向胞状晶界的扩散迁移碳量；随着温度下降，γ-Fe相所固溶的中强碳化物形成元素铬和钼，继续将碳原子吸引到胞状γ-Fe相内而控制向胞状晶界的扩散碳量；再随温度下降，γ-Fe相所固溶的Mn、Si等合金组元使其淬透性增加，促使γ-Fe相转变为马氏体，由于γ-Fe相碳量较高以及复合（Ti，V)C相的弥散析出，促使所转变产物为隐针马氏体；隐针马氏体和弥散析出的（Ti，V)C相混合一起，相互支撑，这使之具有该团状体组织具有很高的硬度和良好的韧性；由于晶内的固溶的铬、钼等中强碳化物形成组元对晶界处碳原子仍具有较强的亲和作用以及硅排挤碳原子而其扩散均匀化等因素，促使碳原子在晶界区域的浓度较为均衡，并使浓度值不足以达到形成碳化物的碳含量要求而抑制沿晶碳化物析出，从而避免在晶界处析出网状或者树枝状碳化物而脆化合金。
至此，该药芯焊丝应用方式为：优化药芯焊丝组分，通过超细化铝粉先期脱氧作用，采用强碳化物形成元素钒和钛、中强碳化物形成元素铬和钼、弱碳化物形成元素锰和铁以及非碳化物形成元素硅等组元组分的优化组配，构建立体层次的控碳方式，抑制碳原子向胞状晶界的扩散量而控制晶界碳浓度，以使之形成沿马氏体和复合（Ti，V)C相混合胞状体组织网状或树枝状分布的奥氏体组织，如附图1所示。
实施例1
结合附图，制作时按药芯焊丝的药芯组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、中碳锰铁、超细化铝粉和还原铁粉，其中超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，将所有组分放入电动搅拌器混合30分钟以上，以使之混合均匀；随即将该混合药粉在药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带（宽度10mm×厚度0.5mm，以下同），外层包皮内配以铁合金、超细化铝粉和还原铁粉构成药芯，其药芯组成（重量百分比）为：高碳铬铁 50%、钒铁12%、钼铁 8%、钛铁 5%、硅铁 6%、中碳锰铁2%、超细化铝粉 2%和还原铁粉15%，所述药芯填充率为 23%。药芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ2.2药芯焊丝，以每次减径0.1mm，再依次拉拔减径为Φ1.6焊丝。
在120mm×80mm×16mm的试板(35CrMo钢)将药芯焊丝用焊机NBC-630二氧化碳气保护焊，形成第一层焊缝；待焊缝冷却到200℃以上，堆焊该药芯焊丝熔敷形成第二层焊缝；同上，再堆焊第三层。药芯焊丝明弧堆焊工艺参数如表1所示，焊后焊缝无裂纹和气孔等缺陷。将堆焊试样用线切割技术加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用HR-150洛氏硬度计测试其表面硬度。
抗裂性试验：在300mm×150mm×30mm的试板(35CrMo钢)上，将药芯焊丝用焊机NBC-630二氧化碳气保护焊，堆焊形成一道长100mm×宽25～35mm×厚10～15mm的底层焊缝；待其冷却到室温后，再在该道焊缝的中间堆焊一道长30×宽25～35mm×厚10～15mm的拘束焊缝；待试件冷却到室温后，用角磨机打磨拘束焊缝两端的焊缝以及与该焊缝头、尾相邻的底层焊缝，用放大镜观察里面是否有裂纹。
表1 药芯焊丝二氧化碳气保护焊工艺参数
电流I 电压U CO2流量 焊接速度 层温T 焊后状态
（A） （V） （L/min） υ(mm/min) (℃)
20～350 25～28 25～30 20～30 200以下 空冷
耐磨性试验：采用MLS-225B型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径178mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重M0，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重M1，试样磨损绝对失重量ΔM =M0-M1。以对比例1堆焊试样为市售同类药芯焊丝堆焊标准试样1#，相对磨损系数ε=标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。
实施例2
结合附图，制作时按药芯焊丝的药芯组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、中碳锰铁、超细化铝粉和还原铁粉，其中超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，将之所有组分放入电动搅拌器混合30分钟以上，以使之混合均匀；随即将该混合药粉在药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带（宽度14mm×厚度0.3mm，以下同），外层包皮内配以铁合金、超细化铝粉和还原铁粉构成药芯，其药芯组成（重量百分比）为：高碳铬铁 45%、钒铁10%、钼铁 7%、钛铁 6%、硅铁 4%、中碳锰铁3%、超细化铝粉 1%和还原铁粉24%，所述药芯填充率为 24%。药芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ2.2药芯焊丝，以每次减径0.1mm，再依次拉拔减径为Φ1.6焊丝。
抗裂性试验和耐磨性试验内容同实施例1。
实施例3
结合附图，制作时按药芯焊丝的药芯组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、中碳锰铁、超细化铝粉和还原铁粉，其中超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，将之所有组分放入电动搅拌器混合30分钟以上，以使之混合均匀；随即将该混合药粉在药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带（宽度14mm×厚度0.3mm，以下同），外层包皮内配以铁合金、超细化铝粉和还原铁粉构成药芯，其药芯组成（重量百分比）为：高碳铬铁 60%、钒铁15%、钼铁 5%、钛铁 7%、硅铁 4%、中碳锰铁4%、超细化铝粉 2.5%和还原铁粉2.5%，所述药芯填充率为 24.5%。药芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ2.2药芯焊丝，以每次减径0.1mm，再依次拉拔减径为Φ1.6焊丝。
抗裂性试验和耐磨性试验内容同实施例1。
对比例1
采用市售的石油钻杆耐磨堆焊药芯焊丝(Φ1.6) 在120mm×80mm×16mm的试板(35CrMo钢)将药芯焊丝用焊机NBC-630二氧化碳气保护焊，形成第一层焊缝；待焊缝冷却到200℃以上，堆焊该药芯焊丝熔敷形成第二层焊缝；同上，再堆焊第三层。药芯焊丝堆焊工艺参数同表1。
抗裂性试验和耐磨性试验内容同实施例1。
对比例2
采用自制高锰含铌药芯焊丝(Φ3.2) 在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)上，用焊机MZ-1000自保护明弧堆焊三层，堆焊工艺参数同表1。堆焊后表面残留微量熔渣，无裂纹和气孔等缺陷，但试板变形较大。
其余内容同实施例1。
从表2可以看出，本发明一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝堆焊合金的相对磨损系数ε是市售石油钻杆药芯焊丝堆焊合金的1.28～1.38倍，宏观明显高于其3.8～5.8HRC。与市售石油钻杆相比，本发明的一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝合金的耐磨得到较为明显改善。本发明药芯焊丝无预热堆焊三层后没有出任何裂纹，这表明其具有极为优良的韧性。
表2 对比例和实施例堆焊合金的耐磨粒磨损性能和抗裂性
序号 裂纹 硬度 磨损前 磨损后 绝对失重量 相对磨损系数
(HRC) M0(g) M1(g) ΔM (g) ε
对比例1 4条 55.2 64.2715 63.9203 0.3512 1.00
实施例1 无 60.8 63.7892 63.5820 0.2612 1.34
实施例2 无 58.9 65.4743 65.2008 0.2735 1.28
实施例3 无 59.4 62.9217 62.6680 0.2537 1.38
。
Claims (2)
1.一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝，所述的药芯焊丝的直径为1.6mm，所述的药芯焊丝包括药芯及外层包皮，所述的外层包皮为H08A冷轧薄钢带，所述的药芯包括高碳铬铁、钒铁、钼铁、钛铁、硅铁、锰铁、超细化铝粉及雾化还原铁粉，所述的超细化铝粉过300目筛，其特征在于：所述的药芯焊丝形成包括以针状马氏体和其中原位弥散析出的复合碳化钒铁(Ti,V)C增强相组成的胞状组织以及沿晶分布的奥氏体的组织结构的堆焊合金；所述的药芯组分的重量百分含量为：
含铬量为68～72%、含碳量为8%的60目高碳铬铁FeCr70C8.0 40～60%
含钒量为50%的钒铁FeV50-A 10～15%
含钼量为50%的钼铁FeMo50-A 4～8%
含钛量为25～35%的钛铁FeTi30A 4～7%
含硅量为40～47%的硅铁FeSi45 4～7%
含锰量为78～85%、含碳量为1.5%的中碳锰铁FeMn80C1.5 2～4%
含铝量不低于99%的超细化铝粉Al 1～3%
含铁量不低于98%的还原铁粉Fe 余量
所述的药芯填充率为 23～25%。
2.根据权利要求1所述的一种细直径石油钻具耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述的药芯所含高碳铬铁、锰铁、钛铁、钒铁、钼铁、硅铁及雾化还原铁粉的粉末组分过60目筛。
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