專利名稱：一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于石油鉆采裝備領域，具體涉及一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭。
背景技術：
鉆桿接頭是石油鉆柱的重要部件，其工作條件十分惡劣，受力情況非常復雜。它要承受拉伸，彎曲，扭轉，振動等多種載荷。此外，接頭在鉆 進中還要受到鉆井液和地層介質的腐蝕，其外部還會受到嚴重的磨損，因此鉆桿接頭的硬化及其防磨防腐性能的提高顯得尤為重要。普通金屬材料的接頭由于難以適應當前的磨損和腐蝕環境，已經逐漸被淘汰。為了提高鉆桿接頭的使用壽命，一般對其硬度進行提高，石油鉆桿接頭常用硬化方法有手工補焊，氧乙炔堆焊，等離子弧粉末噴焊，硫氮復合處理等。手工補焊它是直接以電焊方式向接頭補焊具有一定厚度的、50毫米左右寬的耐磨層，使用的是管裝鑄造碳化鎢顆粒的焊條。此方法是最直接最初始的硬化修復方法，但此方法工作效率低，且涂層質量不能保證。氧乙炔堆焊以氧乙炔還原焰熔化管裝顆粒狀碳化鎢焊條，在接頭表面形成耐磨層。這種方法溫度較低，碳化鎢顆粒不熔化，能保持耐磨性，氧乙炔火焰堆焊在耐磨表面堆焊中被廣泛應用，與其他堆焊方法相比，焊接設備簡單、操作靈活、投資成本低，但工效低，要求專門操作的工人。等離子弧粉末噴焊利用氬氣等離子弧產生的熱量，在鉆桿接頭表面形成熔池，合金粉末在弧柱中被預熱熔化，噴射到熔池內，通過調節參數，可在接頭上獲得需要的耐磨帶。等離子弧噴焊的弧柱穩定，熱量集中，熱能利用率高，可控性好，能控制熱量過度，沖淡率低，但由于重熔過程中基體局部受熱后溫度達900 V，會產生較大熱變形。硫氮復合處理進行滲氮處理后工件中的氮化物具有很高的硬度、熱穩定性和很高的彌散度，因而可使滲氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。離子滲硫技術可在金屬表面制備FeS固體潤滑層從而改善材料抵抗磨損的性能，因此通常在經過氮化處理后的接頭在進行離子滲硫處理，從而制備出氮硫符合處理層，提高了表面抗磨損的能力。但是滲氮或滲硫不能局部處理，上下鉆桿作業時，管鉗夾持部位易打滑，需要特殊的作業工具。另外，復合工藝比較復雜，成本較高。激光熔覆作為一種先進的表面改性技術，隨著激光器功率和穩定性的不斷提高，得到了廣泛應用和迅速推廣。激光熔覆技術是指以不同的添料方式在被涂敷基體表面上放置選擇的涂層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化性等的工藝方法。現在，它已成為現代表面技術體系中的極具發展前途和頗具特色的新技術之一，并在將來有著廣闊的應用前景。而且熔覆層耐磨耐蝕的性能正好可以解決鉆桿接頭工作中所遇到的問題，這對延長鉆桿接頭的使用壽命，提高油田鉆進的工作效率具有重要意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆鉆桿接頭，通過將鐵基合金粉末用激光熔覆的方式熔覆在鉆桿接頭表面，形成耐磨耐蝕鐵基合金涂層，從而使鉆桿接頭的耐磨耐蝕性能得到顯著提高，延長鉆桿接頭的使用壽命，提高油田鉆井的工作效率。為實現上述目的，本發明采取以下設計方案一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在于，該鉆桿接頭表面具有一層激光熔覆的耐磨耐蝕鐵基合金涂層 ，成型良好，組織致密，成分均勻，且無裂紋，其厚度為O. 3-1. 5mm，且熔覆層不用完全覆蓋整個鉆桿接頭的表面，只需在接頭圓柱體的兩端易磨帶熔覆即可。其中鐵基合金粉末的具體成分按照質量百分含量分別為C，0. 1-1. 5 ；Cr,10-30 ；Ni, 1-10 ;Μη，0· 2-3. O ;Μο，0· 1-3. O ；Si, I. 0-2. 5 ;Β，0· 1-3. 5 ;余量為鐵，其重量之和為100%。所述的激光熔覆層硬度可達53-58HRC。所述的高硬度激光熔覆鐵基熔覆層與基體為冶金結合，其結合強度不低于基材的90%。一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆鉆桿接頭，其特征在于，熔覆的具體步驟如下(I)基體表面預處理；(2)采用自動送粉器，調整好送粉量；(3)調整好激光器的工作參數，進行激光熔覆；(4)在自然狀態下冷卻，進行表面清理，檢查。所述步驟(I)中的表面預處理為用砂紙或手持式砂輪除銹，用酒精或丙酮清洗直至表面無油污。所述步驟(2)中的送粉量為10 120g/min，根據激光熔覆層所需要厚度調節。所述步驟(3)中的激光熔覆具體工藝參數為高功率CO2激光加工系統，激光功率O. 5 5kW，掃描速度100 400mm/min，搭接率20 30%。一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆鉆桿接頭，其特征在于，熔覆層不用完全覆蓋整個鉆桿接頭的表面，只需在接頭圓柱體的兩端易磨帶各熔覆30 50mm寬即可。本發明的優點是I.本發明耐磨耐蝕鐵基激光熔覆鉆桿接頭，激光能量密度高、對基體的熱影響小，可以對鉆桿接頭整體處理也可局部處理形成硬化帶。2.本發明耐磨耐蝕鐵基激光熔覆鉆桿接頭，其中鐵基合金涂層的形成是一種快速加熱快速冷卻的過程，因此晶粒均勻細小，且含有Cr、Ni、Mo等強化元素，所以整個熔覆層的硬度很高，可達53-58HRC，具有優異的耐磨性和耐蝕性。3.本發明耐磨耐蝕鐵基激光熔覆鉆桿接頭，其中的鐵基合金激光熔覆涂層的成分以鐵為主，在價格上有一定的優勢，且制備過程簡單，自動化程度高，質量穩定。4.本發明耐磨耐蝕鐵基激光熔覆鉆桿接頭，其中的鐵基合金激光熔覆涂層可以精細控制其厚度(在O. 3_ I. 5_范圍內連續可調)，可以消除由于堆焊層太厚帶來的鉆井桿柱環空減小從而影響鉆井液壓力及鉆井過程的問題。
5.本發明耐磨耐蝕鐵基激光熔覆鉆桿接頭，其中的鐵基合金激光熔覆涂層與基體的稀釋率低，冶金結合強度高，可以根據需要靈活選擇熔覆合金粉末，形成低摩擦系數硬化層。
附圖為本發明一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆鉆桿接頭結構示意圖。
實施例對鉆桿接頭進行激光熔覆處理，其按如下步驟進行(I)將鉆桿接頭的待處理表面用丙 酮擦拭干凈，徹底清除油污。(2)將鉆桿接頭放到旋轉工作臺上，使用重力送粉器，調整使其達到合適的送粉量15 30g/mino(3)在送粉的同時用激光對其表面進行掃描，激光熔覆的的工藝參數為激光功率3 4kW，掃描速度200 300mm/min，搭接率20 30%。其中鐵基合金粉末的具體成分按照質量百分含量分別為C,0. 1-1.5 ；Cr, 10-30 ;Ni，l_10 ;Μη，0· 2-3.0 ;Μο，0· 1-3. O ；Si,1.0-2. 5 ；Β,O. 1-3.5 ;余量為鐵，其重量之和為100%。(4)待鉆桿接頭自然冷卻到室溫，進行表面清理、檢查。該鉆桿接頭表面具有一層激光熔覆的耐磨耐蝕鐵基合金涂層，成型良好，組織致密，成分均勻，且無裂紋，其厚度為1mm，只在接頭圓柱體的兩端易磨帶各熔覆40mm寬。熔覆后鉆桿接頭的硬度可達55HRC。盡管參照實施例對所公開的一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆鉆桿接頭進行了特別的描述，以上描述實施例是說明性的，不是限制性的，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，所有的變化和修改都在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在干，該鉆桿接頭表面具有一層激光熔覆耐磨耐蝕鐵基合金涂層，成型良好，組織致密，成分均勻，且無裂紋，其厚度可以在O. 3-1. 5mm范圍內精確控制。
2.根據權利要求書I中所述的耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在于，該鐵基合金粉末的具體成分按照質量百分含量分別為C，0. 1-1. 5 ；Cr, 10-30 ；Ni,1-10 ;Μη，0· 2-3. O ;Μο，0· 1-3. O ；Si, I. 0-2. 5 ;Β，0· 1-3. 5 ;余量為鐵，其重量之和為 100%。
3.根據權利要求書I中所述的耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在于，所述激光熔覆層硬度為53 58HRC。
4.根據權利要求書I中所述的耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在于，所述的激光熔覆鐵基合金涂層與基體為冶金結合，其結合強度不低于基材的90%。
5.根據權利要求書I中所述的耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在于，激光熔覆エ藝參數為激光功率O. 5 5kW，掃描速度100 400mm/min，搭接率20 30%。
6.根據權利要求書I中所述的耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，其特征在干，熔覆層不用完全覆蓋整個鉆桿接頭的表面，只需在接頭圓柱體的兩端易磨帶各熔覆30 50mm寬即可。
全文摘要
本發明涉及一種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭，該鉆桿接頭表面具有一層激光熔覆耐磨耐蝕鐵基合金涂層，成型良好，組織致密，成分均勻，無裂紋，其厚度可以在0.3-1.5mm范圍內精確控制。熔覆層不用完全覆蓋整個鉆桿接頭的表面，只需在接頭圓柱體的兩端易磨帶各熔覆30-50mm寬即可。其中鐵基合金粉末的成分按照質量百分含量分別為C，0.1-1.5；Cr，10-30；Ni，1-10；Mn，0.2-3.0；Mo，0.1-3.0；Si，1.0-2.5；B，0.1-3.5；余量為鐵，其重量之和為100％。這種耐磨耐蝕鐵基合金激光熔覆石油鉆桿接頭的出現，不僅解決了油田中鉆桿接頭失效過快的問題，而且其制造加工工藝容易實現自動化，工作效率高，在經濟方面有很大的優勢，具有廣闊的推廣前景。
文檔編號E21B17/02GK102619477SQ20111003574
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者孫建波, 李美艷, 王勇, 董立先, 韓彬, 高寧 申請人:中國石油大學(華東)