专利名称：新型管状硬面堆焊材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型管状硬面堆焊材料，用于钢齿牙轮钻头齿面、背 锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化。
背景技术：
在石油钻探过程中，工作环境非常恶劣，机件磨损十分严重，由于工 况特殊，牙轮钢齿钻头齿面、背锥和掌尖需堆焊一层耐磨材料，避免钻头 过早磨损失效。碳化钨是在工业上应用的除金刚石以外硬度最高、耐磨性 最好的材料之一。牙轮钢齿钻头硬面材料堆焊的传统工艺是采用管装粒状 破碎铸造碳化钨焊条，用氧-乙炔火焰堆焊，但是单纯使用铸造碳化钨作 为硬质相，由于铸造碳化钨较脆，而且铸造碳化钨在高温熔池中会溶解， 冷却时在铸造碳化钨颗粒周围析出脆性相，在使用过程中极易受冲击而崩 碎，从而加速钻头的磨损失效。而使用碳化钨粉和钴粉制成的球形硬质合 金粒子作为硬质相，虽然提高了堆焊层的耐冲击性，但是球形硬质合金粒 子硬度较低，降低了堆焊层的耐磨性。另外，支撑硬质颗粒的基体金属必 须要有较高的强度、硬度和韧性，才能有效的支撑硬质颗粒避免脱落。如 果基体太软，很容易被磨粒削掉，造成硬质颗粒脱落；基体太硬，在应力 作用下堆焊层会发生脆裂，无法有效支撑硬质颗粒，因而降低了堆焊层的 耐磨性，最终影响钻头的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种新型管状硬面堆 焊材料，旨在有效解决基体金属的强度与韧性之间不匹配的问题，提高堆
焊层的耐磨性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现
新型管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其组分具有如下的重 量百分比
钢铁 20 40%， 填充粉料 60 80%;
所述填充粉料的组分重量百分比 球形硬质合金粒子 表面处理过的铸造碳化钨粒子 球形铸造碳化钨粒子
SiMn合金粉
树脂粉 金属Nb
35 75%， 15 40%， 5 20%, 2 6%， 0.2 0.6%， 0.1 2% 。
进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，所述球形硬质合金粒子的 粒度为14 40目，球形硬质合金粒子由WC粉与Co粉烧结而成，WC粉 粒度为1 15pm， Co粉粒度为0.8 1.2pm， Co粉含量为3 8% 。
更进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，所述表面处理过的铸造 碳化钨粒子的粒度为40 100目，粒子心部为铸造碳化钩，外面包裹一层 纳米级碳化鸨粒子。
更进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，所述球形铸造碳化鸭粒 子的粒度为80 325目。
更进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，所述SiMn合金粉中Si 的重量含量为14 20%， Mn的重量含量为60 72% 。
再进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，所述树脂粉为酚醛树脂。
再进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，金属Nb的加入形式为 纯金属元素或含Nb元素合金粉或含Nb元素氧化物，或上述一种或任意几
种的混合物。
再进一步地，上述的新型管状硬面堆焊材料，管皮为低碳钢，巻成圆
管状，管皮厚度为0.2 0.4mm。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在
本发明在堆焊焊条填充粉料中采用了韧性好的球形硬质合金颗粒、热 稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钩颗粒，综合利用发挥了各自 特点，球形硬质合金粒子主要组成为球形粒子，减少了外力作用下引起的 应力集中，铸造碳化钨经过表面处理减少了高温烧蚀，大大提高堆焊层的
耐磨性；同时由于在填充粉料中添加了微量的Nb元素，改善了堆焊工艺 性，并且提高了基体金属的强度和韧性，从而提高了基体金属的耐磨性， 使堆焊层中硬质颗粒不易脱落，增强了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒 的固着能力。该技术方案通过同时优化硬质颗粒的组成和基体金属的强 度、韧性极大提高整个堆焊层的耐磨性和耐冲击性，延长了堆焊层的使用 寿命，堪称是具有新颖性、创造性、实用性的新技术；该管状硬面堆焊材 料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的 耐磨强化，应用前景非常广阔。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明 图l:本发明管状硬面堆焊材料堆焊后堆焊层的金相照片图。 图中附图标记的含义a为球形硬质合金粒子，b为经表面处理过的热 稳定性铸造碳化钩，C为球形铸造碳化鸨。
具体实施例方式
新型管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其组分钢铁20
40%，填充粉料60 80%;填充粉料的组分球形硬质合金粒子35 75%， 表面处理过的铸造碳化钨粒子15 40%，球形铸造碳化钨粒子5 20%，
SiMn合金粉2 6。/。，树脂粉0.2 0.6%，金属Nb0.1 2。/。。其中，球形 硬质合金粒子的粒度为14 40目，球形硬质合金粒子由WC粉与Co粉烧 结而成，WC粉粒度为1 15jim， Co粉粒度为0.8 1.2nm， Co粉含量为 3 8% ;表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40 100目，粒子外部为 一层10 2(Him厚由纳米级碳化钨颗粒组成的包裹层，心部为针状的铸造 碳化钨共晶组织；球形铸造碳化钨粒子的粒度为80 325目。SiMn合金粉 中Si的重量含量为14 20%， Mn的重量含量为60 72% ;树脂粉为酚 醛树脂；金属Nb的加入形式为纯金属元素或含Nb元素合金粉或含Nb元 素氧化物，或上述一种或任意几种的混合物；管皮采用低碳钢，巻成圆管 状，管皮厚度为0.2 0.4mm。
在管状堆焊材料的填充粉料中，加入35 75%的14 40目的球形硬 质合金粒子，球形硬质合金粒子的硬度低于铸造碳化鸨，但韧性高于铸造 碳化钨，且其形状为球形可以减少外力作用引起的的应力集中，用氧乙炔 火焰高温堆焊后，由于球形硬质合金粒子的粘结金属为钴，与铁基体是同 族元素，有良好的互溶性，有利于增强硬质颗粒与基体金属之间的结合强 度。
另外，加入15 40%的经表面处理过的40 100目铸造碳化钩粒子， 这种碳化钨粒子的特点是颗粒心部是铸造碳化钨，其外部包裹一层纳米级 的碳化钨粒子，其颗粒具有卓越的耐磨性和可焊性，在高温堆焊过程中， 外层纳米级碳化钨粒子由于具有优异的热稳定性，能够阻止高温熔体对心 部铸造碳化钨粒子的烧蚀，从而减少了铸造碳化鸨颗粒因高温烧蚀造成的 硬度降低和脆性相的析出，提高了堆焊层的耐磨性。
同时，加入5 20%的80 325目球形铸造碳化钨粒子，球形铸造碳 化钨相比于传统的破碎铸造碳化钨具有较好的热稳定性，组织缺陷少，在 外力作用下不容易引起应力集中。此外，还加入2 6%的SiMn脱氧剂和 0.2 0.6%的有机树脂，改善堆焊工艺性和粉料装填均匀性；在填充粉料中200810155754.9
说明书第5/7页
还加入0.1 2%的Nb金属元素，改善堆焊工艺性，并且改善粘结相合金 组织，从而提高基体的抗磨损、抗磨蚀能力。管状硬面堆焊材料通常为管 状焊条，其填充粉料的理想含量是占整个管状焊条重量的67 70% 。
实施例l:
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为75%球形硬质合金粒子，粒
度为14 40目；15%表面处理过的铸造碳化钨颗粒，粒度为40 100目； 5%球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80 325目；2.8%的200目SiMn粉； 0.2%的200目酚醛树脂粉;2%的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A， 管径为4mm，管皮厚度为0.4mm。填充粉料占焊条重量比为60% 。
堆焊后，堆焊层的金相如图l所示。本实施例堆焊层中球形硬质合金 颗粒显维硬度为HVai1366，表面处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为 HVai2993，球形铸造碳化钨颗粒的显微硬度为HV(n3011，基体金属的 显微硬度为HVa()5 760，金属湿砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类 焊条耐磨性提高10 30% 。
实施例2:
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为60%球形硬质合金粒子，粒
度为14 40目；17.3%表面处理过的铸造碳化钨粒子，粒度为40 100目； 20%球形铸造碳化钩颗粒，粒度为80 325目；2%的200目SiMn粉；0.6% 的200目酚醛树脂粉；0.1%的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A， 管径为4mm，管皮厚度为0.2mm。填充粉料占焊条重量比为80%。
本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为HVai 1341,表面 处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为HV(u 2971，球形铸造碳化钨颗粒 的显微硬度为HVai3080，基体金属的显微硬度为HVaQ5 786，金属湿 砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高20 40% 。
实施例3:
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为55%球形烧结硬质合金颗粒，
粒度为14 40目；25%表面处理过的碳化钨粒子，粒度为40 100目；13% 球形铸造碳化钨颗粒，粒度为80 325目；6% 200目的SiMn粉；0.4% 200 目的酚醛树脂粉；0.6%的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A，管径 为4mm，管皮厚度为0.3mm。填充粉料占焊条重量比为70% 。
本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为HVal 1368，表面 处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为HV(u 2897，球形铸造碳化钨颗粒 的显微硬度为HVai3015，基体金属的显微硬度为HVaQ5 807，金属湿 砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高30 50% 。
实施例4:
管状焊条填充粉料按重量百分比组成为35°/。球形硬质合金粒子，粒
度为14 40目；40%表面处理过的铸造碳化钨粒子，粒度为40 100目； 18%球形铸造碳化鸨颗粒，粒度为80 325目；5%的200目SiMn粉；0.5% 的200目酚醛树脂粉；1.5%的200目Nb合金粉。管皮为低碳钢H08A， 管径为4mm，管皮厚度为0.2mm;填充粉料占焊条重量比为65% 。
本实施例堆焊层中球形硬质合金颗粒显维硬度为HV(u 1341，表面 处理过的铸造碳化钨颗粒显微硬度为HVcn 2974，球形铸造碳化钨颗粒 的显微硬度为HVai3082，基体金属的显微硬度为HVa()5 780，金属湿 砂磨损实验表明，本实施例耐磨性比同类焊条耐磨性提高15 35% 。
综上所述，本发明在堆焊焊条填充粉料中采用了韧性好的球形硬质合 金颗粒、热稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钨颗粒，综合利用 发挥了各自特点，球形硬质合金粒子主要组成为球形粒子，减少了外力作 用下引起的应力集中，铸造碳化钨经过表面处理减少了高温烧蚀，大大提 高堆焊层的耐磨性；同时由于在填充粉料中添加了微量的Nb元素，改善 了堆焊工艺性，并且提高了基体金属的强度和韧性，从而提高了基体金属
的耐磨性，使堆焊层中硬质颗粒不易脱落，提高了堆焊层的耐冲击能力和 对硬质颗粒的固着能力。该技术方案通过同时优化硬质颗粒的组成和基体 金属的强度、韧性极大提高整个堆焊层的耐磨性和耐冲击性，延长了堆焊 层的使用寿命。此管状硬面堆焊材料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、 掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化，为本领域的技术进步拓展了空 间。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限 制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利 保护范围之内。
权利要求
1. 新型管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其特征在于其组分具有如下的重量百分比钢铁 20～40％，填充粉料 60～80％；所述填充粉料的组分重量百分比球形硬质合金粒子 35～75％，表面处理过的铸造碳化钨粒子15～40％，球形铸造碳化钨粒子5～20％，SiMn合金粉2～6％，树脂粉0.2～0.6％，金属Nb0.1～2％。
2. 根据权利要求1所述的新型管状硬面堆焊材料，其特征在于所述球形硬质合金粒子的粒度为14 40目，球形硬质合金粒子由WC粉与 Co粉烧结而成，WC粉粒度为l 15|im， Co粉粒度为0.8 1.2pm， Co粉 含量为3 8% 。
3. 根据权利要求1所述的新型管状硬面堆焊材料，其特征在于所 述表面处理过的铸造碳化钨粒子的粒度为40 100目，粒子心部为铸造碳 化钩，外面包裹一层纳米级碳化钨粒子。
4. 根据权利要求1所述的新型管状硬面堆焊材料，其特征在于所 述球形铸造碳化钨粒子的粒度为80 325目。
5. 根据权利要求1所述的新型管状硬面堆焊材料，其特征在于所 述SiMn合金粉中Si的重量含量为14 20%，Mn的重量含量为60 72°/。。
6.根据权利要求1所述的新型管状硬面堆焊材料，其特征在于所 <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本发明提供一种新型管状硬面堆焊材料，包括管皮和填充粉料，其组分钢铁20～40％，填充粉料60～80％；填充粉料的组分球形硬质合金粒子35～75％，表面处理过的铸造碳化钨粒子15～40％，球形铸造碳化钨粒子5～20％，SiMn合金粉2～6％，树脂粉0.2～0.6％，金属Nb 0.1～2％。采用了韧性好的球形硬质合金颗粒、热稳定性铸造碳化钨硬质颗粒和球形铸造碳化钨颗粒，显著提高了堆焊层的耐磨性和耐冲击性，加入少量的Nb元素改善堆焊工艺性，提高了基体金属的强度和韧性，增强了堆焊层的耐冲击能力和对硬质颗粒的固着能力，延长了堆焊层的使用寿命，该管状硬面堆焊材料广泛适用于钢齿牙轮钻头齿面、背锥、掌尖及其他工程工具工作表面的耐磨强化。
文档编号B23K35/22GK101380698SQ20081015575
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者余立新, 廖江雄, 徐纯芳 申请人:苏州江钻新锐硬质合金有限公司