CN116571914A - 自润滑耐磨堆焊药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，药芯焊丝包括包裹在低碳钢带内的药芯，药芯包括石墨粉以及硅铁合金粉，余量为铁粉；各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。本发明依据合金中石墨化理论确定药芯焊丝的石墨当量，从而确定其余各元素具体含量；同时遵守硅碳比例原则，即将硅碳原子数比例提高到1：1时，相当于硅与碳重量比达到2：1以上时，硅的石墨化与稳定作用达到峰值且处于稳定状态。本发明制备的药芯焊丝自润滑性能及耐磨性能优异，具有广阔的应用前景。

Description

自润滑耐磨堆焊药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，本发明还涉及该焊丝以及堆焊合金的制备方法。

背景技术

在石油钻探行业，石油钻杆在使用一段时间后，接头就会磨损，所以必须在接头外表面堆焊一层耐磨合金，以保护钻杆。最早采用在钻杆接头上堆焊的耐磨合金材料主要是钨钴系列硬质合金如碳化钨，虽然保护了钻杆,但这种耐磨合金像砂轮一样严重磨损套管，随着深井、定向井增多，套管磨损更严重，所以后来禁止使用碳化钨。因碳化钨耐磨合金严重磨损套管，人们又开始不使用耐磨堆焊材料，然而发现无耐磨堆焊材料钻杆接头对套管的磨损程度与碳化钨同样严重，特别当钻杆接头偏磨后，磨损更加严重。套管磨损将极大减少油井寿命，甚至使井报废，损失比钻杆磨损严重的多，

国内外开发了一系列新型抗磨材料来替代碳化钨硬质合金来延长了钻杆接头寿命，以达到既防止钻杆磨损，又减少套管磨损的目的；但套管磨损问题依然存在，需要进一步改善。

专利文献CN103170761B公布了一种钻杆耐磨堆焊材料药芯焊丝及制造方法，耐磨堆焊材料药芯焊丝由以下质量百分比的原料组成：铬：8-9％、硼：2～3％、钼：0.2～1％、镍：1～2％、碳：0.3～0.8％、余量为铁。包括：将铬、硼、钼、镍、碳、铁的粉末过60目筛后充分混合；将原料加入到焊丝外皮内并密封；填充率为27wt％，并将所述U形的焊丝外皮的开口处捏合；将宽为15mm、厚度为0.4mm的冷轧钢带轧成U形的焊丝外皮，经过拉丝模进行减径。专利文献CN101537548A公布了一种堆焊用药芯焊丝，所述药芯的组成及各组成重量百分比为：Mo 1～3％、B 2～6％、Si 1～4％、Mn 1～4％、C0.5～4％、Nb 3～7％、Cr 10～40％、Re1～4％，余量为Fe。以上开发的耐磨堆焊材料预防了钻杆磨损，在一定程度上减少了套管磨损，但都没有自润滑性。专利CN200710018767.7发明了一种自润滑耐磨堆焊材料，所述自润滑耐磨堆焊材料包括以下重量百分比的元素：碳C 2.5-4.5％、硅Si 1.8-4.9％、镁Mg0.02-0.18％、稀土0.02-0.18％、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1％、磷P≤0.4％，还包含以下重量百分比的元素：2.0％<锰Mn≤5.0％、铬Cr 0-2.5％、镍Ni0-1.5％、钼Mo 0-1.0％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。该合金成分与灰铸铁和球墨铸铁近似，但是由于焊接熔池冷却速度比铸铁浇铸后冷却速度快的多，凝固速度很快，碳原子扩散时间不够，来不及生成足够石墨。多年实践表明达不到预期自润滑效果。且由于含有大量镁元素，合金焊接性差，烟雾很大，飞溅严重。专利CN202010535613.0涉及一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法，含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝包括药芯以及用于包裹所述的药芯的碳钢带。其中，所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁18～22％；硼铁7～9％；硅铁3～5％，锰铁3～5％，金属铝0.4～0.6％，稀土元素2～3％，镍包石墨3～5％，余量为铁。采用该含有镍包石墨粉的药芯焊丝利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW堆焊方法制备的耐磨堆焊层具有自润滑功能。该含有镍包石墨粉的药芯焊丝直径是1.6mm，使用双恒流源无熔滴电弧热丝氩弧焊(GTAW)方法堆焊，其中部分石墨没有在电极熔化，过渡到焊缝中，最终耐磨堆焊层中残留很多石墨，具有自润滑功能。另一部分石墨熔化成碳原子固溶到合金中或形成碳化物，提高了合金硬度。该专利使用了氩弧焊方法，但采用了自行研制的双恒流源无熔滴电弧热丝技术，显著提高了焊接热输入，能够使用大直径1.6mm焊丝。该焊机是发明人自己研制的独有试验设备，不是工程广泛使用的成熟商品设备。该专利焊丝只能使用发明人独有的焊接设备实施堆焊，而且焊丝直径是1.6mm，才能实现专利效果。而工程上普遍采用的焊接方法是熔化极气体保护焊(MIG、GMAW)以及非熔化极钨极氩弧焊(TIG、GTAW)。如果使用熔化极气体保护焊机堆焊该专利焊丝，作为电极的焊丝熔化，焊丝药芯中的部分镍包石墨将在电极熔化，没有熔化的剩余石墨，过渡到熔池中，继续溶解，部分残留下来。溶解的石墨以碳原子固溶到合金中或形成碳化物，不能重新形成石墨。最终合金中石墨量太少，不足以形成自润滑功能。如果使用钨极氩弧焊(TIG、GTAW)方法堆焊该专利焊丝，由于钨极氩弧焊机热输入较低，即使采用热丝技术例如电阻热丝技术，焊接热输入仍然较低，所以只能使用直径1.0mm以下焊丝，小直径焊丝不能填充足够药粉，导致焊丝中镍包石墨量太少，向堆焊合金中过渡不了足够石墨，不足以实现自润滑功能。实践表明，如果该专利药芯焊丝采用通用焊接设备焊接，则制备的耐磨堆焊层中残留石墨太少，几乎不具有自润滑功能，该发明专利应用难度很大。

发明内容

本发明的目的是提供自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，实现了焊丝耐磨性能和自润滑性能同步提升的目的。

本发明的另一个目的是提供自润滑耐磨堆焊药芯焊丝的制备方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，所述药芯焊丝包括包裹在外皮内的药芯，所述药芯包括石墨粉以及硅铁合金粉，余量为铁粉；各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；所述药芯焊丝的外皮是低碳钢带；所述药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

本发明的特点还在于：

药芯中还可加入镍粉、铝粉、铜粉、钴粉中的一种或几种。

药芯焊丝的药芯中各种粉料的重量百分比含量为：石墨粉10％～15％、硅铁合金粉35％～85％、镍粉0％～30％、铝粉0％～20％、铜粉0％～10％、钴粉0％～5％、余量为铁粉。

按照自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G，根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝需要的最少石墨当量C_E；然后根据公式k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥C_E确定所述药芯焊丝的药芯中各种合金元素及其粉料加入量。

自润滑耐磨堆焊合金中石墨的体积百分比计算方法为：C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，式中，m是合金元素在焊接电弧中的烧损率，m取0.10～0.25；n是合金元素在所述耐磨堆焊合金中的稀释率，n取0.10～0.25；C_E是所述药芯焊丝的石墨当量；C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]，式中k为所述药芯焊丝的药芯填充率，C％、Si％、Ni％、Al％、Cu％和Co％分别表示C、Si、Ni、Al、Cu和Co元素在药芯中的含量。

本发明所采用的另一个技术方案是：上述自润滑耐磨堆焊药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取如下药粉：石墨粉10％～15％、硅铁合金粉35％～85％、镍粉0％～30％、铝粉0％～20％、铜粉0％～10％、钴粉0％～5％、余量为铁粉；

步骤2：将步骤1称取的石墨粉、硅铁合金粉、镍粉、铝粉、铜粉、钴粉及以及铁粉分别置于真空加热炉内进行烘干处理；将烘干后的粉料放置于混粉机中进行混合得到混合粉末；

步骤3：将混合粉末填充到低碳钢带U型槽内，经过闭合轧制后制成药芯焊丝。

本发明的特点还在于，

各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；所述药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

采用药芯焊丝制备堆焊合金的方法，将药芯焊丝采用钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊堆焊在工件表面形成堆焊合金；

其中，采用熔化极气体保护焊时，二氧化碳与氩气混合气作为保护气；

采用钨极氩弧焊时，氩气作为保护气；

焊接过程中合金元素烧损率m为：0.10≤m≤0.25；合金稀释率n为：0.10≤n≤0.25。

本发明的有益效果是：本发明为了提高堆焊合金的耐磨和自润滑性能，依据合金中石墨化理论确定药芯焊丝中石墨当量，从而确定各元素具体含量；同时遵守硅碳比例原则，即将硅与碳原子数比例提高到1比1，相当于重量百分比例提高到2比1时，硅的石墨化与稳定作用达到峰值且处于稳定状态。本发明制备的药芯焊丝自润滑性能及耐磨性能好，能够根据实际耐磨堆焊合金性能需求以及焊接方式确定焊丝各组分含量，这是本领域前所未有的创新，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为铁碳合金相图；

图2铁碳合金熔液中各相自由焓与温度的关系图；

图3(a)和图3(b)为采用钨极氩弧焊制备的耐磨合金组织；

图4(a)和图4(b)为采用熔化极气体保护焊制备的耐磨合金组织。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，药芯焊丝包括包裹在外皮内的药芯，所述药芯包括石墨粉以及硅铁合金粉，余量为铁粉；各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；药芯焊丝的外皮是低碳钢带；所述药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

药芯中还可加入镍粉、铝粉、铜粉、钴粉中的一种或几种。

药芯焊丝的药芯中各种粉料的重量百分比含量为：石墨粉10％～15％、硅铁合金粉35％～85％、镍粉0％～30％、铝粉0％～20％、铜粉0％～10％、钴粉0％～5％、余量为铁粉。

堆焊合金中石墨粉的体积百分比计算方法为C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，式中，m是合金元素在焊接电弧中的烧损率，m取0.10～0.25；n是合金元素在所述耐磨堆焊合金中的稀释率，n取0.10～0.25；C_E是所述药芯焊丝的石墨当量，石墨当量计算方法为C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]，式中k为所述药芯焊丝的药芯填充率，C％、Si％、Ni％、Al％、Cu％和Co％分别表示C、Si、Ni、Al、Cu和Co元素在药芯中的含量。

按照自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G，根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝需要的最少石墨当量C_E；然后根据公式k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥C_E确定所述药芯焊丝的药芯中各种合金元素及其粉料加入量。

本发明自润滑耐磨堆焊药芯焊丝各组分及含量设计的理论基础如下：

图1所示的铁碳合金双状态图表明，铁碳合金凝固结晶过程可以按照铁-石墨系(图1中虚线)进行，也可以按照铁-渗碳体系(图1中实线)进行，但石墨是稳定相，而渗碳体是亚稳定相，因此铁-石墨状态图是铁碳合金稳定系状态图，铁-渗碳体状态图是铁碳合金亚稳定系状态图，而且石墨结晶温度高于渗碳体，所以在铁碳合金凝固结晶过程，碳更倾向以石墨相析出或存在，这是灰铸铁铸造的理论基础，也是本发明的理论基础之一。

用热力学可以解释以上原理，图2是溶解有碳原子的铁水L、铁水L与渗碳体Fe₃C₄两相混合物、铁水L与石墨g两相混合物的自由焓G_L+C、G_L+Fe3C4、G_L+g随温度T变化趋势图，随着温度降低，各物质的自由焓升高，但升高的速度不一样，所以当温度降低到T_g，也就图1中的虚线，铁水与石墨两相自由焓G_L+g低于铁水的自由焓G_L+C，石墨更加稳定，部分碳元素将结晶析出，以更稳定的石墨形式存在。当温度降低到T_Fe3C4，也就是图1中的实线，虽然铁水与渗碳体两相混合物的自由焓G_L+Fe3C4也低于铁水，但铁水与石墨两相混合物的自由焓G_L+g更低，所以石墨更稳定，碳元素更倾向以石墨形式存在。显然凡是降低自由焓G_L+g，或增大自由焓G_L+Fe3C4的因素都促进铁水石墨化。这是灰铸铁制造的热力学基础，也是本发明的热力学理论基础。石墨化技术是灰铸铁制造的基础，大部分灰铸铁是接近共晶成分的亚共晶合金，在熔炼过程中，包括碳在内的全部合金元素溶解到铁水中，当温度降低到图1所示的共晶反应温度1154℃时，铁水中的碳原子析出，结晶成片状石墨，即石墨化。与灰铸铁不同的是，本发明的技术基础是石墨稳定与石墨化协同作用，即事先在焊丝中添加石墨，在堆焊过程中，一部分石墨没有被电弧熔化，过渡到熔池中。石墨的熔点很高(约为3700℃)，远高于铁水熔点，况且焊丝中添加了很多加强石墨性稳定性的元素，这些没有熔化的石墨在铁水中溶解较少，堆焊熔池中便出现了大量细小的石墨颗粒。相比几十毫米厚的钻杆接头，堆焊在其表面的堆焊熔池只有几毫米厚，面积也很小，很厚重的钻杆接头对熔池冷却起了很大的加速作用，过渡到熔池中的石墨，部分来不及溶解，直到熔池凝固，便残留在耐磨合金焊道中，但这部分石墨残留数量较少，不足以使耐磨合金出现足够的自润滑功能。另外一部分被电弧熔化或在熔池中熔化的石墨，分解成碳原子，溶解到熔池中。由于堆焊熔池中已经残留了很多细小石墨颗粒，况且焊丝中添加了很多促进石墨化元素，在熔池温度降低过程中，这部分溶解的碳原子便以残留石墨为核心继续结晶，石墨颗粒继续长大，直到熔池凝固，堆焊合金中便出现了足够体积的石墨，发挥出明显的自润滑效果。所以本发明的技术基础与灰铸铁的石墨化不同，是石墨稳定化与石墨化协同作用，一切加强石墨稳定、促进石墨化的因素都有利于所述自润滑耐磨堆焊合金的堆焊制造。

该药芯焊丝中主要组分的作用和功能如下：

碳是构成石墨的唯一元素，同时是促进铸铁石墨化作用最大的元素，也是加强石墨稳定性作用最大的元素，所以石墨是所述药芯焊丝的主要添加物。在堆焊过程中，一部分没有被电弧熔化的石墨过渡到熔池中，来不及溶解，残存下来，构成了石墨继续长大的核心。另一部分石墨溶解到熔池中，提高了熔池含碳量，进一步增大了残余石墨的稳定性。在熔池凝固过程中，溶解的碳原子会在残留石墨上继续结晶，生长成体积足够大的石墨，所以所述堆焊药芯焊丝中必须添加足够量的石墨。但过多石墨会影响焊接工艺性，飞溅增大，烟雾增多，所以石墨添加量不能过多，必须添加其它加强石墨稳定性、促进石墨化的元素，进一步减少石墨在熔池中溶解，促进已溶解碳原子在石墨上的结晶长大。

硅、镍、铝、铜、钴等也是促进铸铁石墨化或加强石墨稳定性的元素，目前这些元素促进石墨化的化学机制不是很清楚，仍然需要研究。这些元素有一个共同点，就是硅、镍、铝、铜、钴等在钢中都不能形成碳化物。

由于硅与铁的原子结合力大于碳与铁，当硅溶解于铁水中，削弱了碳原子和铁原子的结合力，因此硅提高了自由焓G_L+Fe3C4，也降低了自由焓G_L+g，所以硅提高了铁碳相图中虚线的温度，也就是降低了碳在铁水或固溶体的溶解度，降低了铁碳共晶相的碳含量，所以在热力学上硅强烈促使石墨化，增大石墨稳定性。所以所述药芯焊丝的药芯中，硅是不可缺少的最主要合金元素。本发明试验发现硅加强石墨稳定性、促进石墨化作用与硅碳原子数量比值有关，当硅碳原子数比例低于1比10时，硅几乎发挥不了石墨稳定与石墨化作用。随着硅碳原子数比例提高，在焊丝中石墨添加量相同情况下，堆焊耐磨合金中石墨逐渐增多，说明石墨稳定性逐渐增强、石墨化加快。当硅碳原子数比例提高到1比6以上时，在石墨添加量相同情况下，堆焊耐磨合金中石墨量明显增多，硅的石墨化与稳定作用明显。当硅碳原子数比例提高到1比2以上时，硅的石墨化与稳定作用加速。当硅碳原子数比例提高到1比1时，在石墨添加量相同情况下，堆焊耐磨合金中石墨量最多，说明硅的石墨化与稳定作用达到峰值。此后随着硅碳原子数比例继续提高，硅的石墨化与稳定效果逐渐稳定，不再增加。所以本发明所述药芯焊丝中必须添加足够的硅元素，使硅碳原子数比例提高到1比1以上，也就是相当于硅碳元素重量比达到2比1以上。所以本发明所述药芯焊丝的药芯中各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素的2倍以上。显然本发明所述药芯焊丝中硅元素明显多于普通灰铸铁。硅增大合金强度和硬度，也增大合金脆性，所以如此多的硅含量在普通灰铸铁中是不合适的，但本发明所述自润滑耐磨堆焊合金在工作过程中主要受压应力和摩擦力作用，主要性能指标是耐磨性和减摩性，所以合金的较大脆性不影响耐磨堆焊合金的服役性能。另外由于硅显著提高合金相变温度A₁，所以较多硅含量明显提高耐磨堆焊合金的耐热性。例如耐磨合金与零件摩擦，产生大量热，表面温度很高，短时间甚至会上升到800℃以上，因此耐磨合金含较多硅元素还可以提高耐热性。但过多硅元素也会在焊缝中形成过量夹杂，产生气孔，所以添加硅不能过多，还可以再添加其它促进石墨化与稳定性的元素。

镍、钴和铁都是第Ⅷ族元素，晶体都是面心立方结构，铁、钴、镍原子价电子层结构为3d⁶4s²、3d⁷4s²、3d⁸4s²，最外层都有两个4s电子，只是次外层的3d电子数不同，分别为6、7、8，原子量分别为55.8、58.9、58.7，铁、钴、镍原子半径分别为117、116、115pm，熔点分别是1538℃、1495℃、1455℃，铁、钴、镍的物理性质和化学性质十分相似，所以钴、镍原子能完全溶解在γ-Fe固溶体中，替代晶体点阵上的铁原子，也能溶解到渗碳体Fe₃C₄中，替代铁原子，由于钴、镍原子不能与碳原子结合为碳化物，所以就把渗碳体Fe₃C₄分解了，释放出碳原子，形成石墨。在热力学上，镍、钴提高了自由焓G_L+Fe3C4，在热力学上促进铸铁的石墨化。同时镍、钴提高了合金的结晶温度，缩小结晶温度区间，因此减少了熔池凝固时间，减少了石墨溶解，提高了石墨的稳定性。同时镍、钴能够提高合金的韧性，减少硅引起的合金脆性。镍、钴也能改进焊丝的焊接性。所以镍可以作为所述药芯焊丝的主要合金元素。但钴比较昂贵，可以选择性少量加入。

铝促进石墨化作用也比较强。铝的氧化物结构与石墨近似，可以成为石墨结晶核心，溶解在铁素体中的铝原子占据了原碳原子位置，减少了碳原子在铁素体中溶解度，促进了石墨稳定性。同时由于铝提高共晶转变温度，即提高了铸铁凝固温度，减少了铸铁凝固时间，所以减少了石墨在焊接熔池中溶解，进一步促进了石墨稳定性。但过多铝也会在耐磨合金中形成过多夹杂，产生气孔。铜是非碳化物元素，所以促进石墨化作用也比较强，但过多铜会在耐磨合金的晶界形成低熔点铜固溶体相，增大合金脆性。所以铝、铜可以作为所述药芯焊丝的选择性合金元素，适量加入。

本发明原理是在所述药芯焊丝中事先加入石墨，在堆焊过程中，由于石墨熔点很高，一部分石墨没有被电弧熔化，过渡到熔池中。由于熔池中含有大量石墨稳定元素，这部分石墨中的一部分继续保持稳定，直到熔池凝固，残存下来。另一部分溶解在熔池中的碳原子也会在温度降低过程中以残留石墨为核心重新结晶，石墨继续长大到足够体积。石墨体积百分比C_G(％)是所述自润滑耐磨堆焊合金的主要技术指标，实践证明石墨体积百分比C_G(％)与药芯焊丝中合金元素在堆焊电弧中的烧损率m、合金元素在耐磨堆焊合金中的稀释率n、以及药芯焊丝的石墨当量C_E有关，估算方法为C_G(％)＝0.7(耐磨堆焊合金密度/石墨密度)(1-m-n)C_E＝3(1-m-n)C_E。只有大约70％碳原子能以石墨形式存在，耐磨堆焊合金密度大约是8g/cm³，石墨密度大约是2g/cm³。

一部分石墨会在堆焊电弧中氧化成一氧化碳逸出，氧化烧损率m与堆焊保护气性质及热输入量有关，保护气氧化性越强，石墨烧损越大。二氧化碳保护气是常用的氧化性气氛，石墨及其它合金元素氧化较多，烧损率能达到25％。氩气、氮气等惰性保护气体显著降低石墨氧化，能将石墨烧损率降到10％以下。二氧化碳与氩气混合保护气的烧损率介于该值之间。所以合金元素烧损率m可以取10％～25％。

药芯焊丝在机械零件表面堆焊时，零件表面也会熔化，焊丝与零件表面材料发生熔合，耐磨堆焊合金中的合金元素浓度会稀释，所以合金元素在耐磨堆焊合金中的稀释率n与堆焊热输入量有关。熔化极电弧焊热输入较大，稀释率n能达到25％。钨极氩弧焊热输入较小，稀释率n最低能降到10％。

碳当量是灰铸铁的重要设计指标，对照该指标，本发明提出了石墨当量概念，并将石墨当量C_E作为所述药芯焊丝的设计指标，计算方法为C_E＝[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]，式中k为所述药芯焊丝的药芯填充率(％)，C％是药芯中石墨含量。Si％表示硅元素在药芯中的含量，通常硅以硅铁合金粉末形式加入，所以硅元素含量由硅铁合金粉末加入量及硅元素在合金粉末中的含量计算获得。Ni％、Al％、Cu％、Co％分别是药芯中镍粉、铝粉、铜粉、钴粉含量，通常Ni、AI、Cu、Co等合金元素以纯合金粉末形式加入。本发明发现，当硅碳原子数比例提高到1比1以上时，也就是相当于硅碳元素重量比达到2比1以上时，在同样石墨添加量下，耐磨堆焊合金中石墨量最多，硅原子提高石墨稳定性与石墨化作用最大可以达到相当于碳原子的40％。镍、铝、铜、钴等提高石墨稳定性及促进石墨化的作用相当于碳原子的10％。

上述自润滑耐磨堆焊药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取如下药粉：石墨粉10％～15％、硅铁合金粉35％～85％、镍粉0％～30％、铝粉0％～20％、铜粉0％～10％、钴粉0％～5％、余量为铁粉；

步骤2：将步骤1称取的石墨粉、硅铁合金粉、镍粉、铝粉、铜粉、钴粉及以及铁粉分别置于真空加热炉内进行烘干处理；将烘干后的粉料放置于混粉机中进行混合得到混合粉末；

步骤3：将混合粉末填充到低碳钢带U型槽内，经过闭合轧制后制成药芯焊丝，药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；石墨粉的体积百分比计算方法为C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，式中，m是合金元素在焊接电弧中的烧损率，m取0.10～0.25；n是合金元素在所述耐磨堆焊合金中的稀释率，n取0.10～0.25；C_E是所述药芯焊丝的石墨当量，石墨当量计算方法为C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]，式中k为所述药芯焊丝的药芯填充率，C％、Si％、Ni％、Al％、Cu％和Co％分别表示C、Si、Ni、Al、Cu和Co元素在药芯中的含量。

按照自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G，根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝需要的最少石墨当量C_E；然后根据公式k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥C_E确定所述药芯焊丝的药芯中各种合金元素及其粉料加入量。

采用本发明的药芯焊丝制备堆焊合金的方法，具体如下：

将所述药芯焊丝采用钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊堆焊在工件表面形成堆焊合金；其中，采用熔化极气体保护焊时，二氧化碳与氩气混合气作为保护气；

采用钨极氩弧焊时，氩气作为保护气；

焊接过程中合金元素烧损率m为：0.10≤m≤0.25；合金稀释率n为：0.10≤n≤0.25。

钨极氩弧焊(简称GTAW或TIG)技术采用直流电正接方法，即正极接在工件钻杆接头上，负极接在焊机钨极。在堆焊过程中，正负极之间产生电弧，作为正极的工件钻杆接头表面熔化，焊丝可以插入熔池，依靠熔池热量熔化，并溶入熔池，同时氩气进行保护，这样就降低了焊丝中石墨及其它合金元素烧损率，合金元素烧损率m最低可以达到10％。钨极氩弧焊热输入低，熔池温度低，母材熔化少，所以合金元素稀释率低，稀释率n能降到10％。

熔化极气体保护电弧焊(简称GMAW、MIG、MAG)堆焊，采用直流电反接方法，即正极接在焊机导电嘴及焊丝上，负极接在工件钻杆接头上。在堆焊过程中，正负极之间产生电弧，作为正极的焊丝被电弧熔化，喷射到钻具表面。这种堆焊技术热输入高，电弧直接加热焊丝，所以焊丝中石墨烧损较多，如果采用氧化性强的二氧化碳作为保护气，合金元素烧损率m可能达到25％，如果采用惰性氩气作为保护气，合金元素烧损率m可以降到15％，如果采用二氧化碳与氩气混合气作为保护气，合金元素烧损率m介于15％～25％。熔化极气体保护电弧焊(GMAW、MIG、MAG)高热输入高，熔池温度高，所以合金元素的稀释率n最大能达到25％。

钨极氩弧堆焊(简称GTAW或TIG)与熔化极气体保护电弧堆焊(简称GMAW、MIG、MAG)各有优缺点。因为热输入低，钨极氩弧焊堆焊熔池中石墨残留比例较高。但同样因为热输入低，钨极氩弧焊焊丝直径小，药芯少，合金粉加入量少，导致最终堆焊合金中石墨少。钨极氩弧焊堆焊效率低，耐磨堆焊合金厚度薄，厚度有时达不到要求。因为热输入高，熔化极气体保护电弧堆焊熔池中石墨残留比例较低，但因后续冷却时间长，溶解的石墨有更多时间在残留石墨上重新结晶长大。正是因为热输入高，熔化极气体保护电弧焊焊丝直径大，药芯多，堆焊效率高，耐磨堆焊合金厚度厚。

石墨是所述自润滑耐磨堆焊合金具有自润滑功能的来源，是必须存在的组成相。耐磨堆焊合金中石墨体积百分比含量C_G>1％时，才能表现出自润滑效果。当石墨体积百分比含量C_G>5％时，自润滑效果明显，但耐磨堆焊合金自身硬度下降。当石墨含量C_G超过15％时，石墨严重割裂合金基体，耐磨堆焊合金脆性增大过多，耐磨堆焊合金整体硬度下降很多，自身磨损寿命可能下降。一般而言，当耐磨堆焊合金石墨体积百分比含量C_G＝5％～15％时，自润滑性能及耐磨性能最好。可以根据工况要求确定耐磨堆焊合金需要的自润滑性和硬度，例如对于深井、超深井、水平井、大位移井，往往要求套管不要被钻具磨损，所以要求耐磨堆焊合金的自润滑性好、硬度低，这就要求较多石墨含量，反之，对于普通浅井，套管是否磨损不是很重要，所以要求耐磨堆焊合金硬度高些，自身耐磨性好些，以延长钻具寿命，因此耐磨堆焊合金可以含较少石墨。首先要根据钻井工况要求，确定所述自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G。

按照机械部件工况要求，确定了耐磨堆焊合金石墨含量后，根据采用的堆焊技术种类，确定焊丝中合金元素的烧损率m和稀释率n，就可以根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝中应该需要的最少石墨当量C_E。然后根据公式k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥C_E，设计药芯焊丝中各种合金元素含量，最后按照各种合金粉末的成分，确定所述药芯焊丝的药芯中各种粉料加入量，从而制造出满足性能要求的药芯焊丝。

所述自润滑耐磨堆焊合金及药芯焊丝的关键技术在于将焊丝药芯中的石墨过渡到堆焊熔池并使一部分残留到熔池凝固，另外一部分溶解的石墨在熔池凝固过程中以残留石墨为核心重新结晶长大到足够体积。要实现这种技术，首先要根据堆焊设备及技术，设计相对应的药芯焊丝，即在药芯中加入足够石墨，同时加入其它各种能够提高石墨稳定性、促进石墨化的合金元素硅元素及其它元素。

将所述药芯焊丝采用钨极氩弧焊(GTAW或TIG)或熔化极气体保护焊(GMAW、MIG、MAG)堆焊在工件表面，形成了所述自润滑耐磨堆焊合金。检测硬度一般为HRC40～55。切割制成金相试样，观察耐磨堆焊合金剖面显微组织(如图3(a)-图4(b)所示)，可见均匀分散、大小约10～50μm的石墨片或颗粒。钨极氩弧堆焊耐磨堆焊合金组织中颗粒状石墨较多，这是因为石墨残留部分比例大，后续长大部分比例小。熔化极气体保护堆焊耐磨堆焊合金组织石墨形状以片状为主，少量颗粒状，并在枝晶间形成网状。这是因为石墨残留部分比例小，后续长大部分比例大。

用HT-1000高温摩擦磨损试验机试验对比上述自润滑耐磨堆焊合金与普通耐磨堆焊合金的摩擦磨损性能及摩擦系数。每组试验设置10个平行试样。在摩擦磨损试验中，石油固井套管材料作为盘试样，其尺寸为20×30×5mm。钻杆耐磨堆焊合金作为销试样。销试样的端面与盘试样对磨，载荷为10N，磨损接触面的压力约为1.4Mpa。试验在常温下进行，试验介质为水，试验时间为40min，转速为224r/min，磨痕半径为5.5mm，试验机自动实时监测摩擦系数。摩擦磨损试验结束后，导出摩擦系数数据后，采用表面形状测量仪测量盘试样(套管)磨痕轮廓，利用积分法计算盘试样(套管)的体积磨损量，进而计算其体积磨损率。采用电子天平称量磨损前后的销试样的质量，进而计算销试样(钻杆耐磨堆焊合金)的质量磨损率。试验结果表明上述自润滑耐磨堆焊合金与石油固井套管之间摩擦系数比普通耐磨堆焊合金降低40～50％，减少套管磨损率近10倍以上，而自身耐磨性与普通耐磨堆焊合金相当或提高。

表1耐磨堆焊合金与套管配对摩擦磨损试验结果

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

某设备导轨磨损，需要修复，要求耐磨堆焊合金硬度高些，自身耐磨性好些，同时具有一定自润滑性。根据工况要求，自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G达到5％就能满足要求。

施工公司采用钨极氩弧焊(简称GTAW或TIG)堆焊耐磨合金，采用氩气作为保护气，预计合金元素烧损率m为10％，合金元素稀释率n为10％。根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝中具有的石墨当量C_E应至少达到2.1％。

钨极氩弧焊药芯焊丝直径选取1.0mm，药芯填充率k选取10％。根据公式C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥2.1％，推算出碳与硅元素加入量应满足C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)≥21％，如果药芯中石墨加入量为C％＝12％，按照硅元素的重量百分比含量应达到碳元素含量的2倍以上的原则，那么硅元素加入量可以选取Si％＝26％，换算硅铁合金粉加入量为62％，再加入镍粉Ni％＝15％，铝粉Al％＝5％，Cu％＝4％，Co％＝2％，这些粉料加入量已经达到100％，不需再加入铁粉。

将制造的药芯焊丝，采用氩气作为保护气，使用钨极氩弧焊机堆焊在导轨表面，堆焊耐磨合金厚度约2mm，导轨修复完成。截取试样进行检验，耐磨合金硬度为HRC47～52，石墨体积含量为4～6％。

实施例2

某油田的井很深，工况复杂，套管磨损严重，希望在保护钻具的基础上，重点减少套管磨损。所以要求钻具耐磨堆焊合金具有良好自润滑性，较低的硬度。根据钻井工况要求，自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G应达到15％。

管具公司采用熔化极气体保护焊机堆焊耐磨合金，采用二氧化碳气作为保护气，预计合金元素烧损率m为25％，合金元素稀释率n为25％。根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝中的石墨当量应至少达到C_E＝10％。

熔化极气体保护焊药芯焊丝直径选取1.6mm，焊丝中必须加入足量的药芯粉料，才能达到技术要求，所以药芯填充率k选取35％。由于要求耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比很高，所以焊丝药芯中首先要加入足够石墨粉，所以药芯应该以石墨与硅元素为主，根据公式

C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥10％，推算出碳与硅元素加入量应满足C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)≥29％，如果药芯中石墨加入量为C％＝15％，按照硅元素的重量百分比含量应达到碳元素含量的2倍以上的原则，硅元素加入量选为Si％＝35％，换算硅铁合金粉加入量为85％。石墨与硅铁合金粉加入量正好达到100％，所以药芯不需要再加入其它合金元素，也不需再加入铁粉。将制造的药芯焊丝，采用二氧化碳气作为保护气，使用熔化极气体保护焊机堆焊在钻杆接头表面，堆焊耐磨合金厚度约3mm。截取试样进行检验，耐磨合金硬度为HRC35～40，石墨体积含量为13～18％，符合设计要求。

实施例3

某油田的井较深，套管有时被钻杆磨损。钻井公司希望保护钻具与减少套管磨损兼顾，所以要求钻具耐磨堆焊合金硬度较高，自润滑性良好。根据钻井工况要求，自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G达到10％就能满足要求。

管具公司采用熔化极气体保护焊机堆焊耐磨堆焊合金，保护气采用氩气与二氧化碳混合气，其中氩气含量80％，预计合金元素烧损率m为15％，合金元素稀释率n为15％。根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝中的石墨当量C_E最少应达到5％。

熔化极气体保护焊药芯焊丝直径选取1.6mm，药芯填充率k选取25％，药芯中主要加入石墨粉以及硅铁合金粉，再加入适量镍、铝、铜、钴粉，余量为铁粉。根据设计公式C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥5％，推算出各种合金元素加入量应该满足C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)≥20％，如果药芯中石墨加入量为C％＝10％，按照硅元素的重量百分比含量应达到碳元素含量的2倍以上的原则，硅元素加入量选为Si％＝25％，换算硅铁合金粉加入量为60％。另外再加入镍粉20％、铝粉5％、铜粉4％、钴粉1％。全部粉料加入量已经达到100％，不需要再加入铁粉。

将制造的药芯焊丝，使用熔化极气体保护焊机堆焊在钻杆接头表面，氩气与二氧化碳混合气作为保护气，其中氩气含量80％，堆焊耐磨合金厚度约3mm。截取试样进行检验，耐磨合金硬度为HRC50～55，石墨体积含量为8～12％。

Claims (8)

1.自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝包括包裹在外皮内的药芯，所述药芯包括石墨粉以及硅铁合金粉，余量为铁粉；各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；所述药芯焊丝的外皮是低碳钢带；所述药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

2.根据权利要求1所述的自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中还可加入镍粉、铝粉、铜粉、钴粉中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的药芯中各种粉料的重量百分比含量为：石墨粉10％_～15％、硅铁合金粉35％_～85％、镍粉0％_～30％、铝粉0％_～20％、铜粉0％_～10％、钴粉0％_～5％、余量为铁粉。

4.根据权利要求3所述的自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，按照自润滑耐磨堆焊合金中需要的石墨体积百分比C_G，根据公式C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，推算出所述药芯焊丝需要的最少石墨当量C_E；然后根据公式k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]≥C_E，确定所述药芯焊丝的药芯中各种合金元素及其粉料加入量。

5.根据权利要求4所述的自润滑耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述自润滑耐磨堆焊合金中石墨的体积百分比计算方法为：C_G(％)＝3(1-m-n)C_E，式中，m是合金元素在焊接电弧中的烧损率，m取0.10_～0.25；n是合金元素在所述耐磨堆焊合金中的稀释率，n取0.10～0.25；C_E是所述药芯焊丝的石墨当量；C_E＝k[C％+0.4Si％+0.1(Ni％+Al％+Cu％+Co％)]，式中k为所述药芯焊丝的药芯填充率，C％、Si％、Ni％、Al％、Cu％和Co％分别表示C、Si、Ni、Al、Cu和Co元素在药芯中的含量。

6.自润滑药芯焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取如下药粉：石墨粉10％_～15％、硅铁合金粉35％_～85％、镍粉0％_～30％、铝粉0％_～20％、铜粉0％_～10％、钴粉0％_～5％、余量为铁粉；

步骤2：将步骤1称取的石墨粉、硅铁合金粉、镍粉、铝粉、铜粉、钴粉及以及铁粉分别置于真空加热炉内进行烘干处理；将烘干后的粉料放置于混粉机中进行混合得到混合粉末；

步骤3：将混合粉末填充到低碳钢带U型槽内，经过闭合轧制后制成药芯焊丝。

7.根据权利要求6所述的自润滑药芯焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：各种粉料的加入量应确保所述药芯焊丝中硅元素的重量百分比含量达到碳元素含量的2倍以上；所述药芯焊丝的药芯填充率为10％～35％。

8.采用权利要求1-5所述药芯焊丝制备堆焊合金的方法，其特征在于，将所述药芯焊丝采用钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊堆焊在工件表面形成堆焊合金；

其中，采用熔化极气体保护焊时，二氧化碳与氩气混合气作为保护气；

采用钨极氩弧焊时，氩气作为保护气；

焊接过程中合金元素烧损率m为：0.10≤m≤0.25；合金稀释率n为：0.10≤n≤0.25。