專利名稱：一種低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料加工焊接材料領域，具體涉及一種用于石油鉆桿耐磨帶堆焊的藥芯焊絲。
背景技術：
鉆桿及套管的磨損問題已經成為了影響石油鉆探的最主要問題之一，每年因磨損造成的鉆具失效導致了嚴重的經濟損失，大大的影響了油田開采的效率。鉆桿接頭耐磨帶有著優于接頭本身的耐磨性能，同時能夠對套管起到減摩的作用，因而耐磨帶技術在鉆井中得到越來越多的應用。鉆桿接頭耐磨帶的出現，對解決鉆具因磨損失效而報廢這一問題起到了關鍵性的作用，進一步延長了鉆桿及套管的使用壽命。目前，廣泛使用的耐磨帶堆焊藥芯焊絲主要是以高鉻、高硼鐵基合金為主的藥芯焊絲，通過控制鉻元素及硼元素含量，保證組織中形成初生M7C3及共晶Fe2B型硬質相來提高耐磨帶的硬度和耐磨性，初生M7C3及共晶Fe2B型硬質相均具有高的顯微硬度值，因而在提高合金耐磨性方面具有重要作用，然而，由于這兩種硬質相脆性大、顆粒尺寸大，導致合金韌性不足，增加了堆焊過程中的裂紋傾向，可能導致堆焊層在長時間磨損過程出現脫離。為了避免堆焊合金的開裂而引起的脫落，通過降低硼、鉻元素的含量，同時采用Nb、N1、Mn、Si等多元微合金強化的共同作用，在保證合金耐磨性的同時進一步提高耐磨帶堆焊合金的抗裂性能。
發明內容
本發明的目的在于解決當前大部分堆焊材料耐磨性和抗裂性能不能合理匹配的問題，提供一種低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，以細小晶粒的基體和硬質相組織代替傳統耐磨帶組織中出現的粗大初生硬質相組織。本發明所提供的低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，采用碳鋼鋼帶(優選SPCC碳鋼鋼帶)包裹藥芯粉末，藥芯焊絲填充率為19 26%，所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.6 0.95% ；B:0.55 0.9% ;Cr:2.5 4.9% ；Nb:1.6 1.9% ；N1:1.2 1.5% ；Mn:0.95 1.3% ；S1:0.8 1.3% ；Fe及不可避免的雜質:余量。優選所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.65 0.92% ；B:0.6
0.85% ；Cr:3.0 4.85% ;Nb:1.65 1.85% ;N1:1.28 1.45%;Mn:1.0 1.25% ;S1:
0.85 1.2% ；Fe及不可避免的雜質:余量。進一步優選所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.7 0.9% ；B:
0.65 0.8%;Cr:3.5 4.8% ；Nb:L7 1.8%;N1: 1.3 1.4% ;Mn: 1.1 1.2% ;S1:0.9
1.1% ；Fe及不可避免的雜質:余量。本發明低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲的制備方法包括以下步驟:1、將軋鋼帶成U形槽，再向U形槽中加入占本發明藥芯焊絲總重19-26%的藥芯粉末；
2、將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達到要求，一般優選為1.6mm，得到最終產品。其中合金元素作用如下:B:向焊縫金屬過渡硼元素，主要是為了獲得高硬度的硼碳化物，從而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度及耐磨性隨著硼含量的增加而提高，但硼含量過高組織中會析出粗大的共晶Fe2B硬質相，導致堆焊合金的抗裂性不足，因此，為了保證堆焊合金耐磨性同時避免共晶Fe2B相的生成，本發明設計堆焊合金中B含量為0.55 0.9wt.%。Cr:固溶強化元素，可形成高硬度、高脆性的粗大碳化物硬質相，本發明為了保證Cr元素能夠對基體起到固溶強化的作用同時能夠抑制這類初生硬質相的析出，設計堆焊合金中Cr含量為2.5 4.9wt.%。Nb:向焊縫金屬過渡鈮元素，鈮元素是強碳化物析出元素，形成的NbC相具有高硬度、高模量、較高抗彎強度，低摩擦系數，能有效細化晶粒等特點，是鉆桿工況下一種理想的硬質相。本發明設計堆焊合金中Nb含量為1.6 1.9wt.%。N1:考慮到B元素可能帶來的淬硬性，通過加入適量鎳粉過渡Ni元素，增強耐磨帶基體的韌性與強度。Mn、S1:利用錳硅聯合脫氧，提高元素過渡系數。Fe:填補余量。與現有材料相比，本發明的優點是:1、本發明藥芯焊絲堆焊合金兼備高耐磨性和高抗裂性的優點，綜合性能優于國外同類產品。2、采用本發明藥芯焊絲堆焊的合金組織晶粒細小，無晶粒粗大的初生硬質相析出，形成的細小的NbC硬質相和硼碳化物組織彌散的分布在基體上，同時Cr元素以固溶強化基體的方式取代了傳統工藝中依靠形成初生M7C3硬質相強化基體的方式，在提高堆焊合金強度和耐磨性的同時，保證了在使用過程中不會出現堆焊合金開裂而導致的剝離。3、堆焊工藝性好:無需焊前預熱、焊后緩冷，堆焊后耐磨帶不出現裂紋，并且焊接過程中飛濺小，焊縫成形美觀。4、本發明藥芯焊絲具有高的相容性，可重復堆焊使用。
圖1:本發明低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲堆焊焊縫形貌圖；圖2:實施例4中藥芯焊絲堆焊合金金相組織；圖3:實施例4藥芯焊絲堆焊合金XRD圖。
具體實施例方式下面通過實施例進一步闡明本發明的實質性特點和顯著優點，本發明決非僅局限于所陳述的實施例。各實施例中相同部分如下所述:1、實施例中藥芯焊絲外皮選用規格為12X0.3mm (寬度為12臟，厚度為0.3mm)的SPCC碳鋼鋼帶，藥芯焊絲藥芯成分在實施例中具體說明，所選相應粉末分別過60目篩子，將所選各種粉末放入混粉機內混合10分鐘，然后將得到的藥芯粉末加入U形的鋼帶槽中，將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后分別經過直徑為:3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉絲模,逐道拉拔、減徑,最后使其直徑達到1.6mm,得到低硼低鉻鐵
基堆焊藥芯焊絲。2、焊絲堆焊過程中將工藝參數均設定為:電壓:26_29V ；電流:260_290A ;送絲速度:430-460mm/min ;氣體流速:18_23L/min ;焊絲伸出導電嘴的長度:14-28mm。實施例1本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.6% ；B:0.55% ；Cr:
2.5% ；Nb:1.6% ；Ni:1.2% ；Mn:0.95% ；S1:0.8% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為19%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。實施例2本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.65% ；B:0.6% ；Cr:
3.0% ；Nb:1.65% ；Ni:1.28% ；Mn:1.0% ；S1:0.85% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為26%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。實施例3本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.7% ；B:0.65% ；Cr:
3.5% ；Nb:1.7% ；Ni:1.3% ；Mn:1.1% ；S1:0.9% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為25%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。實施例4本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.9% ；B:0.8% ；Cr:
4.8 ；Nb:1.8% ；Ni:1.4% ；Mn:1.2% ；S1:1.1% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為23%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。實施例5本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.92% ；B:0.85% ；Cr:4.85% ；Nb:1.85% ；N1:1.45% ；Mn:1.25% ；S1:1.2% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為24%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。實施例6本實施例的藥芯焊絲堆焊合金元素按質量百分含量包括:C:0.95% ；B:0.9% ；Cr:
4.9% ；Nb:1.9% ；Ni:1.5% ；Mn:1.3% ；S1:1.3% ；Fe:余量。將配制好的金屬粉、合金粉藥芯粉混合均勻后加入U形的鋼帶槽中，填充率為22%，將U形槽合口，得到直徑為1.6mm的低硼低鉻鐵基堆焊藥芯焊絲。對實例所制備的堆焊層熔敷金屬進行硬度實驗、耐磨損實驗、抗裂性實驗，測試結果如下表I所示。采用HR-150A洛氏硬度機測定硬度值，載荷為150kg，對熔敷金屬取十點打硬度，最后得到該藥芯焊絲堆焊層的平均洛氏硬度值。耐磨性實驗采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨粒磨損試驗機進行。磨損試樣尺寸為57mmX25.5mmX6mm,試驗參數如下:橡膠輪轉速:240r/min ;橡膠輪直徑:178mm ;橡膠輪硬度:60(邵爾硬度);載荷100N ;橡膠輪轉數:預磨1000轉、精磨4000轉、磨料:粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨損的失重量來衡量。實驗用Q36CrNiMo4鋼作為對比，對比件失重量與測量件失重量之比作為該配方的相對耐磨性。抗裂性試驗時，在保證焊前不預熱，焊后不進行熱處理的前提下，在未經過堆焊的石油鉆桿接頭上連續堆焊3層，焊完后觀測焊道表面，用砂輪打磨平整后再用著色探傷技術顯示焊道上的裂紋情況。表I實施例1-6熔敷金屬的硬度、相對耐磨性和抗裂性
權利要求
1.一種低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，其特征在于，采用碳鋼鋼帶包裹藥芯粉末，藥芯焊絲填充率為19 26%，所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.6 0.95% ；B:0.55 0.9% ;Cr:2.5 4.9% ；Nb:1.6 1.9% ；N1:1.2 1.5% ；Mn:0.95 1.3% ；S1:0.8 1.3% ；Fe及不可避免的雜質:余量。
2.按照權利要求1的低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，其特征在于，所述藥芯焊絲外皮所用帶材為SPCC碳鋼鋼帶。
3.按照權利要求1或2的一種的低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，其特征在于，所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.65 0.92% ；B:0.6 0.85% ；Cr:3.0 4.85% ；Nb:1.65 1.85% ；N1:1.28 1.45% ；Mn:1.0 1.25% ；S1:0.85 1.2% ；Fe 及不可避免的雜質:余量。
4.按照權利要求3的一種低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，其特征在于，所述藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括:C:0.7 0.9% ；B:0.65 0.8% ；Cr:3.5 4.8% ；Nb:1.7 1.8% ；Ni:1.3 1.4% ；Mn:1.1 1.2% ；Si:0.9 1.1% ；Fe 及不可避免的雜質:余Mo
全文摘要
一種低硼低鉻鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，屬于材料加工焊接材料領域。采用碳鋼鋼帶包裹藥芯粉末，藥芯焊絲填充率為19～26%，藥芯焊絲的合金元素按質量百分含量包括C0.6～0.95%；B0.55～0.9%；Cr:2.5～4.9%；Nb1.6～1.9%；Ni1.2～1.5%；Mn0.95～1.3%；Si0.8～1.3%；Fe及不可避免的雜質余量。本發明藥芯焊絲所制合金晶粒細小，組織中無粗大的初生硬質相析出，具有合理的耐磨性和抗裂性匹配性能；堆焊工藝性好，焊縫成形美觀，可重復堆焊使用，相容性優異。
文檔編號B23K35/368GK103111771SQ20131005582
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月21日 優先權日2013年2月21日
發明者賀定勇, 周正, 劉希學, 蔣建敏, 王智慧, 崔麗, 李曉延 申請人:北京工業大學