专利名称：一种低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝的制作方法
技术领域：
本发明属于材料加工焊接材料领域，具体涉及一种用于石油钻杆耐磨带堆焊的药芯焊丝。
背景技术：
钻杆及套管的磨损问题已经成为了影响石油钻探的最主要问题之一，每年因磨损造成的钻具失效导致了严重的经济损失，大大的影响了油田开采的效率。钻杆接头耐磨带有着优于接头本身的耐磨性能，同时能够对套管起到减摩的作用，因而耐磨带技术在钻井中得到越来越多的应用。钻杆接头耐磨带的出现，对解决钻具因磨损失效而报废这一问题起到了关键性的作用，进一步延长了钻杆及套管的使用寿命。目前，广泛使用的耐磨带堆焊药芯焊丝主要是以高铬、高硼铁基合金为主的药芯焊丝，通过控制铬元素及硼元素含量，保证组织中形成初生M7C3及共晶Fe2B型硬质相来提高耐磨带的硬度和耐磨性，初生M7C3及共晶Fe2B型硬质相均具有高的显微硬度值，因而在提高合金耐磨性方面具有重要作用，然而，由于这两种硬质相脆性大、颗粒尺寸大，导致合金韧性不足，增加了堆焊过程中的裂纹倾向，可能导致堆焊层在长时间磨损过程出现脱离。为了避免堆焊合金的开裂而引起的脱落，通过降低硼、铬元素的含量，同时采用Nb、N1、Mn、Si等多元微合金强化的共同作用，在保证合金耐磨性的同时进一步提高耐磨带堆焊合金的抗裂性能。
发明内容
本发明的目的在于解决当前大部分堆焊材料耐磨性和抗裂性能不能合理匹配的问题，提供一种低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，以细小晶粒的基体和硬质相组织代替传统耐磨带组织中出现的粗大初生硬质相组织。本发明所提供的低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带(优选SPCC碳钢钢带)包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为19 26%，所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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及不可避免的杂质:余量。优选所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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及不可避免的杂质:余量。进一步优选所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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及不可避免的杂质:余量。本发明低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤:1、将轧钢带成U形槽，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重19-26%的药芯粉末；
2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到要求，一般优选为1.6mm，得到最终产品。其中合金元素作用如下:B:向焊缝金属过渡硼元素，主要是为了获得高硬度的硼碳化物，从而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度及耐磨性随着硼含量的增加而提高，但硼含量过高组织中会析出粗大的共晶Fe2B硬质相，导致堆焊合金的抗裂性不足，因此，为了保证堆焊合金耐磨性同时避免共晶Fe2B相的生成，本发明设计堆焊合金中B含量为0.55 0.9wt.%。Cr:固溶强化元素，可形成高硬度、高脆性的粗大碳化物硬质相，本发明为了保证Cr元素能够对基体起到固溶强化的作用同时能够抑制这类初生硬质相的析出，设计堆焊合金中Cr含量为2.5 4.9wt.%。Nb:向焊缝金属过渡铌元素，铌元素是强碳化物析出元素，形成的NbC相具有高硬度、高模量、较高抗弯强度，低摩擦系数，能有效细化晶粒等特点，是钻杆工况下一种理想的硬质相。本发明设计堆焊合金中Nb含量为1.6 1.9wt.%。N1:考虑到B元素可能带来的淬硬性，通过加入适量镍粉过渡Ni元素，增强耐磨带基体的韧性与强度。Mn、S1:利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。Fe:填补余量。与现有材料相比，本发明的优点是:1、本发明药芯焊丝堆焊合金兼备高耐磨性和高抗裂性的优点，综合性能优于国外同类产品。2、采用本发明药芯焊丝堆焊的合金组织晶粒细小，无晶粒粗大的初生硬质相析出，形成的细小的NbC硬质相和硼碳化物组织弥散的分布在基体上，同时Cr元素以固溶强化基体的方式取代了传统工艺中依靠形成初生M7C3硬质相强化基体的方式，在提高堆焊合金强度和耐磨性的同时，保证了在使用过程中不会出现堆焊合金开裂而导致的剥离。3、堆焊工艺性好:无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后耐磨带不出现裂纹，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成形美观。4、本发明药芯焊丝具有高的相容性，可重复堆焊使用。
图1:本发明低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图；图2:实施例4中药芯焊丝堆焊合金金相组织；图3:实施例4药芯焊丝堆焊合金XRD图。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。各实施例中相同部分如下所述:1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12X0.3mm (宽度为12臟，厚度为0.3mm)的SPCC碳钢钢带，药芯焊丝药芯成分在实施例中具体说明，所选相应粉末分别过60目筛子，将所选各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后分别经过直径为:3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模,逐道拉拔、减径,最后使其直径达到1.6mm,得到低硼低铬铁
基堆焊药芯焊丝。2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为:电压:26_29V ；电流:260_290A ;送丝速度:430-460mm/min ;气体流速:18_23L/min ;焊丝伸出导电嘴的长度:14-28mm。实施例1本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.6% ；B:0.55% ；Cr:
2.5% ；Nb:1.6% ；Ni:1.2% ；Mn:0.95% ；S1:0.8% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为19%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。实施例2本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.65% ；B:0.6% ；Cr:
3.0% ；Nb:1.65% ；Ni:1.28% ；Mn:1.0% ；S1:0.85% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为26%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。实施例3本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.7% ；B:0.65% ；Cr:
3.5% ；Nb:1.7% ；Ni:1.3% ；Mn:1.1% ；S1:0.9% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为25%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。实施例4本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.9% ；B:0.8% ；Cr:
4.8 ；Nb:1.8% ；Ni:1.4% ；Mn:1.2% ；S1:1.1% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为23%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。实施例5本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.92% ；B:0.85% ；Cr:4.85% ；Nb:1.85% ；N1:1.45% ；Mn:1.25% ；S1:1.2% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为24%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。实施例6本实施例的药芯焊丝堆焊合金元素按质量百分含量包括:C:0.95% ；B:0.9% ；Cr:
4.9% ；Nb:1.9% ；Ni:1.5% ；Mn:1.3% ；S1:1.3% ；Fe:余量。将配制好的金属粉、合金粉药芯粉混合均匀后加入U形的钢带槽中，填充率为22%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的低硼低铬铁基堆焊药芯焊丝。对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、耐磨损实验、抗裂性实验，测试结果如下表I所示。采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔敷金属取十点打硬度，最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。耐磨性实验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。磨损试样尺寸为57mmX25.5mmX6mm,试验参数如下:橡胶轮转速:240r/min ;橡胶轮直径:178mm ;橡胶轮硬度:60(邵尔硬度);载荷100N ;橡胶轮转数:预磨1000转、精磨4000转、磨料:粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。实验用Q36CrNiMo4钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。抗裂性试验时，在保证焊前不预热，焊后不进行热处理的前提下，在未经过堆焊的石油钻杆接头上连续堆焊3层，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术显示焊道上的裂纹情况。表I实施例1-6熔敷金属的硬度、相对耐磨性和抗裂性
权利要求
1.一种低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为19 26%，所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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及不可避免的杂质:余量。
2.按照权利要求1的低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝外皮所用带材为SPCC碳钢钢带。
3.按照权利要求1或2的一种的低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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 及不可避免的杂质:余量。
4.按照权利要求3的一种低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括: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 及不可避免的杂质:余Mo
全文摘要
一种低硼低铬铁基耐磨堆焊药芯焊丝，属于材料加工焊接材料领域。采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为19～26%，药芯焊丝的合金元素按质量百分含量包括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及不可避免的杂质余量。本发明药芯焊丝所制合金晶粒细小，组织中无粗大的初生硬质相析出，具有合理的耐磨性和抗裂性匹配性能；堆焊工艺性好，焊缝成形美观，可重复堆焊使用，相容性优异。
文档编号B23K35/368GK103111771SQ20131005582
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者贺定勇, 周正, 刘希学, 蒋建敏, 王智慧, 崔丽, 李晓延 申请人:北京工业大学