CN111468859B - 一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，所述焊绳由以下重量百分比组分组成：0～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、0～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉、0.5～2％粘结剂和3～5％镍丝；本发明通过调整硬质相颗粒和镍基合金的具体组分，使得柔性焊绳具有良好的焊接性能和耐磨性能；且不仅仅适合用于牙轮钻头和钢体钻头的表面强化，也可用于其它钢铁材料的表面的强化。本发明还公开了上述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的制备方法。

Description

一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳及其制备 方法

技术领域

本发明涉及耐磨层的敷焊材料，尤其是一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳及其制备方法。

背景技术

随着地质勘探钻井技术的进步，钻井泵压不断提高，钢体钻头的冲蚀失效问题日益加重，严重影响了钻井速度。石油钻井钻头应对的工况也越来越复杂、恶劣，对钻头上耐磨敷焊层的耐磨性也提出了越来越高的要求。

钻头上需要提高耐磨性的区域较多，从钻头的使用工况和耐磨性的要求看，一种是对低应力下的耐磨性要求较高，低应力下的耐磨性通常用ASTMG65标准方法测量评价；另一种是对高应力下的耐磨性要求较高，高应力下的耐磨性通常用ASTMB611标准方法测量评价。根据钻头使用工况的复杂性，在钻头的不同部位需要应用不同性能特点的敷焊焊条，以提高钻头的整体性能。

针对上述问题，现有技术中通常采用堆焊的方法进行改进，即用氧气乙炔焰的方法将碳化钨管状焊条堆焊在钢体钻头表面。堆焊是在零部件表面熔覆上一层耐磨、耐热、耐蚀的合金层，从而实现堆焊层与基体之间、堆焊层内颗粒之间的冶金结合，堆焊层与基体的结合，以增强其强度、使其不易脱落。

但管状焊条的堆焊的方法也存在一些问题：堆焊层的耐磨性不高，钻头的冠部和保径在研磨性地层易于磨损；堆焊的致密性不高，碳化钨管状焊条熔化后的流动性低，堆焊后表面凹凸不平；在制造钻头中，需要对堆焊层表面进行长时间的打磨，降低了钻头的生产效率。

发明内容

针对上述不足，本发明旨在提供一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的中采用了镍基合金粉作为粘结金属，而镍基合金具有熔点低、流动性好、与WC颗粒和钢件的润湿性良好的特点，提升了柔性焊的柔性焊绳焊接性能、焊接效率、焊层的平整性和减少了焊层的孔隙缺陷。柔性焊绳中采用包覆金刚石颗粒、硬质合金球粒、球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒作为硬质相，提升焊层的耐磨性能。本发明所述柔性焊绳为成盘生产包装，每盘重量(单根)一般为10～20kg，也免去了像管状焊条使用时需要不断续接的问题，有利于提高钢体钻头堆焊的效率。本发明通过调整硬质相颗粒和镍基合金的具体组分，使得柔性焊绳具有良好的焊接性能和耐磨性能。本发明所述柔性焊绳也不仅仅适合用于牙轮钻头和钢体钻头的表面强化，也可用于其它钢铁材料的表面的强化。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，由以下重量百分比组分组成：0～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、0～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉、0.5～2％粘结剂和3～5％镍丝。

作为本发明的一个具体实施方式，所述的镍基合金粉由以下重量百分比组成：镍70～85％、铬5～20％、硼1～4％、硅2～5％、铁0～8％。

作为本发明的一个具体实施方式，所述的金刚石颗粒为包覆金刚石颗粒，包覆金属为W、Ti和/或Ni，包覆金刚石颗粒粒度按ISO标准筛为60～100目。

作为本发明的一个具体实施方式，所述硬质合金球粒的粒度按ISO标准筛为10～30目。

作为本发明的一个具体实施方式，所述硬质合金球粒中各元素所占重量百分比为：5～8％Co、5.2～5.9％C、86～89％W。

作为本发明的一个具体实施方式，所述球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒的粒度按ISO标准筛为40～200目。

作为本发明的一个具体实施方式，所述球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒中C和W相同，即球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒的各元素所占重量百分比均为：≥95.0％W、3.8～4.1％C。

作为本发明的一个具体实施方式，所述镍丝的直径为Φ0.5mm～Φ1.5mm，Ni质量百分比≥98％。

作为本发明的一个具体实施方式，所述粘结剂为环氧树脂和/或纤维素。

为了使得本领域技术人员更好的了解本发明所述焊绳，本发明还提供了上述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的制备方法，包括以下步骤：

将0～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、0～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉和0.5～2％粘结剂在搅拌器内搅拌为泥状并置于挤压机内挤出，同时将镍丝通过送丝机送出，获得镍丝位于中心部位的绳条状的焊绳半成品，经干燥后获得柔性焊绳。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳中采用了镍基合金粉作为粘结金属，而镍基合金具有熔点低、流动性好、与WC颗粒和钢件的润湿性良好的特点，提升了柔性焊的柔性焊绳焊接性能、焊接效率、焊层的平整性和减少了焊层的孔隙缺陷。柔性焊绳中采用包覆金刚石颗粒、硬质合金球粒、球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒作为硬质相，提升焊层的耐磨性能。

本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳为成盘生产包装，每盘重量(单根)一般为10～20kg，也免去了像管状焊条使用时需要不断续接的问题，有利于提高钢体钻头堆焊的效率。

本发明通过调整硬质相颗粒和镍基合金的具体组分，使得用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳具有良好的焊接性能和耐磨性能。

本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳也不仅仅适合用于牙轮钻头和钢体钻头的表面强化，也可用于其它钢铁材料的表面的强化。

将本发明所制得的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳分别进行磨损量以及耐磨性的性能评价，应用ASTM B611标准方法进行了敷焊层耐磨性的测量评价，并与国际上现有的性能先进的同类焊绳的性能进行对比，实验结果表明：与现有国际某焊绳产品相比，按ASTM B611(测定硬质材料高应力耐磨性的标准试验方法)标准方法(主要特征是钢轮、湿式磨粒磨损、磨粒为刚玉)进行性能测试。结果显示，本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的耐磨性相较于国际上现有的性能先进的同类焊绳的耐磨性提高27％-47.1％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不限于所述的实施例。

实施例1-3所述柔性焊绳通过以下步骤制备而得：将0～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、0～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉和0.5～2％粘结剂在搅拌器内搅拌为泥状并置于挤压机内挤出，同时将镍丝通过送丝机送出，获得镍丝位于中心部位的绳条状的焊绳半成品，经干燥后获得柔性焊绳。

将下述实施例1-3所制得的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳分别进行磨损量以及耐磨性的性能评价，应用ASTM B611标准方法进行了敷焊层耐磨性的测量评价，并与国际上现有的性能先进的同类焊绳的性能进行对比，对比结果详见表1：

表1本发明焊条与现用焊条性能对比

	ASTM B611磨损量(g)	ASTM B611耐磨性能提升(％)
			国外某焊绳	0.5225	-
实施例1所得焊绳	0.4113	27.0
			实施例2所得焊绳	0.3716	40.6
实施例3所得焊绳	0.3652	47.1

实施例1

一种直径为Φ6用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，包括以下重量百分比组分：0％金刚石颗粒、25％硬质合金球粒、25％球形铸造碳化钨颗粒、8％铸造碳化钨颗粒，40％镍基合金粉和2％有机粘结剂。

其中，金刚石颗粒粒度是40～60目，硬质合金球粒粒度是16～30目，球形铸造碳化钨颗粒粒度是40～200目，铸造碳化钨颗粒粒度40-200目，上述粒度均按ISO标准筛。

其中，镍基合金粉中各组分重量百分比为：镍81％、铬10％、硼2.5％、硅3.5％、铁3％。

其中，镍丝直径为Φ1.2。

实验结果表明：与现有国际某焊绳产品相比，按ASTM B611(测定硬质材料高应力耐磨性的标准试验方法)标准方法(主要特征是钢轮、湿式磨粒磨损、磨粒为刚玉)进行性能测试，本实施例所得用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的耐磨性提高27％。

实施例2

一种直径为Φ6用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，包括以下重量百分比组分：1％金刚石颗粒、30％硬质合金球粒、25％球形铸造碳化钨颗粒、7％铸造碳化钨颗粒，35％镍基合金粉和2％有机粘结剂。

其中，金刚石颗粒粒度是40～60目，硬质合金球粒粒度是16～30目，球形铸造碳化钨颗粒粒度是40～200目，铸造碳化钨颗粒粒度40-200目，上述粒度均按ISO标准筛。

其中，镍基合金粉中各组分重量百分比为：镍81％、铬10％、硼2.5％、硅3.5％、铁3％。

其中，镍丝直径Φ1.2。

实验结果表明：与现有国际某焊绳产品相比，按ASTM B611(测定硬质材料高应力耐磨性的标准试验方法)标准方法(主要特征是钢轮、湿式磨粒磨损、磨粒为刚玉)进行性能测试，本实施例所得用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的耐磨性提高40.6％。

实施例3：

一种直径为Φ8用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，包括以下重量百分比组分：1％金刚石颗粒、40％硬质合金球粒、20％球形铸造碳化钨颗粒、2％铸造碳化钨颗粒，35％镍基合金粉和2％有机粘结剂。

其中，金刚石颗粒粒度是40～60目，硬质合金球粒粒度是16～30目，球形铸造碳化钨颗粒粒度是40～200目，铸造碳化钨颗粒粒度40-200目，上述粒度均按ISO标准筛。

其中，镍基合金粉中各组分重量百分比为：镍85％、铬7％、硼2.0％、硅3.0％、铁3％。

其中，镍丝直径Φ1.5。

实验结果表明：与现有国际某焊绳产品相比，按ASTM B611(测定硬质材料高应力耐磨性的标准试验方法)标准方法(主要特征是钢轮、湿式磨粒磨损、磨粒为刚玉)进行性能测试，本实施例所得用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的耐磨性提高47.1％。

由此可见，本发明所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的中采用了镍基合金粉作为粘结金属，而镍基合金具有熔点低、流动性好、与WC颗粒和钢件的润湿性良好的特点，提升了柔性焊的柔性焊绳焊接性能、焊接效率、焊层的平整性和减少了焊层的孔隙缺陷。柔性焊绳中采用包覆金刚石颗粒、硬质合金球粒、球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒作为硬质相，提升焊层的耐磨性能。本发明所述柔性焊绳为成盘生产包装，每盘重量(单根)一般为10～20kg，也免去了像管状焊条使用时需要不断续接的问题，有利于提高钢体钻头堆焊的效率。本发明通过调整硬质相颗粒和镍基合金的具体组分，使得柔性焊绳具有良好的焊接性能和耐磨性能。本发明所述柔性焊绳也不仅仅适合用于牙轮钻头和钢体钻头的表面强化，也可用于其它钢铁材料的表面的强化。

Claims (10)

1.一种用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

将1～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、2～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉和0.5～2％粘结剂在搅拌器内搅拌为泥状并置于挤压机内挤出，同时将镍丝通过送丝机送出，获得镍丝位于中心部位的绳条状的焊绳半成品，经干燥后获得柔性焊绳。

2.根据权利要求1所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述的镍基合金粉由以下重量百分比组成：镍70～85％、铬5～20％、硼1～4％、硅2～5％、铁0～8％。

3.根据权利要求1所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述的金刚石颗粒为包覆金刚石颗粒，包覆金属为W、Ti和/或Ni。

4.根据权利要求3所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，包覆金刚石颗粒粒度按ISO标准筛为60～100目。

5.根据权利要求1所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述硬质合金球粒的粒度按ISO标准筛为10～30目。

6.根据权利要求1所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒的粒度按ISO标准筛为40～200目。

7.根据权利要求6所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述球形铸造碳化钨颗粒和铸造碳化钨颗粒的各元素所占重量百分比均为：≥95.0％W、3.8～4.1％C。

8.根据权利要求1所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述镍丝的直径为Φ0.5mm～Φ1.5mm，Ni质量百分比≥98％。

9.根据权利要求1所述的用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂和/或纤维素。

10.一种如权利要求1-9任一所述用于钢体钻头堆焊的硬质合金耐磨柔性焊绳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将1～2％金刚石颗粒、25～40％硬质合金球粒、10～25％球形铸造碳化钨颗粒、2～15％铸造碳化钨颗粒、35～40％镍基合金粉和0.5～2％粘结剂在搅拌器内搅拌为泥状并置于挤压机内挤出，同时将镍丝通过送丝机送出，获得镍丝位于中心部位的绳条状的焊绳半成品，经干燥后获得柔性焊绳。