一种用于钻具耐磨带堆焊的含钛药芯焊丝的制作方法

本发明属于材料加工焊接材料领域，涉及一种含钛的耐磨堆焊药芯焊丝，在石油钻具的耐磨带堆焊中使用。

背景技术：

磨损是造成石油钻具失效的主要原因之一，给石油钻采带来巨大的成本和材料消耗。在现代工业和技术发展中，石油钻具在使用中面对越来越恶劣的冲击磨损环境,对材料耐冲击磨损性能要求越来越高。

耐磨带堆焊合金在一定冲击力的作用下的耐磨性取决于很多因素,主要决定于基底组织与硬质相的匹配。为了应对冲击磨损的复杂磨损环境,要求堆焊金属既有一定的硬度又有理想的韧性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供在冲击磨损环境下具有优良耐磨性的药芯焊丝。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：为了提高堆焊合金的硬度用显微硬度更高的硼化物来代替普遍采用的碳化物作为耐磨骨架；为了改善堆焊合金的韧性和抗裂性，减少碳的含量，并加入Mn元素作为奥氏体化元素使堆焊合金的基体中物相主要为铁素体和奥氏体，同时由于Mn的加入，堆焊后合金在冲击条件下还有加工硬化能力，更为重要的是，大量Ti元素的加入，极大的细化了硬质相，而且Ti的碳化物本身硬度高、粒度小，这样既满足韧性又满足硬度需求。

基于上述技术构想，本发明的一种含钛耐磨带药芯焊丝，其特征在于，其粉体药芯的组分及各组分的质量百分含量(％)是：钛铁:30-55，硼铁：4-10，电解锰：5-10，金属铬粉：10-20，石墨：1-3，铁粉：余量；药芯焊丝外皮带材为SPCC钢带；粉体药芯在空心焊丝即外皮带材中的填充率为25-35％。所述钛铁的组分及各组分百分比为Ti30-40％，Fe余量；硼铁的组分及各组分百分比为B 18-20％，C≤0.1％，Fe余量；电解锰的组分为Mn大于等于99.5％，C≤0.08％，余量杂质；金属铬的组分为Cr大于等于99.8％，余量杂质；石墨的组分为C大于等于99.7％，余量杂质。

采用本发明上述药芯焊丝制备一种含TiC硬质相耐磨带合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照上述粉芯配比药芯轧制焊丝，得到直径1.6mm的粉芯丝材；步骤2，采用气保焊制备堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压28-32V；电流260-380A；送丝速度：410-510mm/min；气体流速：15-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：19-25mm。

所述堆焊工艺进行优化，将堆焊工艺参数设定为：电压28-30V；电流280-320A；送丝速度：410-510mm/min；气体流速：18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：21-25mm。

优选所述药芯焊丝，焊丝各组分范围优选如下：钛铁30-35％，硼铁4-6％，电解锰5-7％，金属铬粉10-15％，石墨1-2％，铁粉余量。

优选钛铁的组分及各组分百分比为Ti30-40％，Fe余量；硼铁的组分及各组分百分比为B 18-20％，C≤0.1％，Fe余量；电解锰的组分为Mn99.5％，C≤0.08％，余量杂质；金属铬的组分为Cr 99.8％，余量杂质；石墨的组分为C99.7％，余量杂质。

在堆焊合金中形成的合金元素的含量在如下范围内：Ti：2～6wt.％；Mn：1～2.5wt.％；B：0.2～0.5wt.％；C：0.1～0.3wt.％；Fe：余量；

采用这种药芯焊丝在上述工艺条件下制备的堆焊合金，Ti主要以TiC形式存在，B以Fe₂B和Mn₂B形式存在并分布于基体之中，硼化物(Mn₂B，Fe₂B)做为合金的主要耐磨骨架，耐磨性较好，Mn在基体中使基体中的物相主要为铁素体和奥氏体，Ti的碳化物本身硬度高、粒度小，有效的提高了基体韧性，减少裂纹的产生。

药芯焊丝中主要成分作用如下:

钛：细化晶粒，形成细小的碳化物硬质相，能够极大的提高熔敷金属的硬度和韧性。

锰：奥氏体化元素，使堆焊后的金属基体物相主要为铁素体和奥氏体，不产生马氏体，并在冲击环境下，产生冲击硬化。同时Mn也是产生硬质相Mn₂B的元素与Fe₂B共同构成硬质相骨架，增加耐磨性。

硼：获得高硬度的硼化物主要是Fe₂B和Mn₂B，从而提高堆焊合金的耐磨性。同时由于硼在室温下在基体中的溶解度很低，所以对基体的性质影响很小。

碳：使基体获得一定的强度，少量的碳形成硬质相与硼化物构成耐磨骨架。

本发明含钛钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝，还可以加入镍，铌及稀土元素，改善硬质相形态，从而提高耐磨性。

用本发明研制的药芯焊丝制备的堆焊合金含有高硬度的TiC，合金硬度更高，能达到HRC 58-61，提高冲击条件下的耐磨性。结果表明焊接工艺性良好，堆焊后金属在一定冲击条件下，耐磨性优良，实现了发明目的。

附图说明

图1为实例堆焊的钻杆耐磨带图。

图2为实例堆焊合金的洛式硬度图。

图3为实例堆焊合金的磨粒磨损实验失重图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

选用12×0.4(宽度为12mm，厚度为0.4mm)的SPCC钢带。先将其轧成U形。按照药芯配比设计配成药粉，加粉轧制并减径成直径1.6mm的焊丝。

实施例1、150GH

一种含钛钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝包括SPCC空心焊丝和粉体药芯，所述粉体药芯的配比是：钛铁30％，硼铁4％，电解锰5％，金属铬粉10％，石墨1％，铁粉余量，填粉率为22％。将堆焊工艺参数设定为：电压28-30V；电流280-300A；送丝速度：410-510mm/min；气体流速：18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：21-25mm。上述工艺制备的堆焊合金成分为：Ti：2wt.％；Mn：1.1wt.％；B：0.2wt.％；C：0.1wt.％；Fe：余量。所得堆焊层平均硬度为HRC58，焊缝外形美观，没有裂纹。耐磨带堆焊外观见图1，耐磨带洛式硬度见图2。

实施例2、155GH

一种含钛钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝包括SPCC空心焊丝和粉体药芯，所述粉体药芯的配比是：钛铁45％，硼铁6％，电解锰8％，金属铬粉15％，石墨2％，铁粉余量，填粉率为23％。将堆焊工艺参数设定为：电压28-30V；电流280-300A；送丝速度：410-510mm/min；气体流速：18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：21-25mm。上述工艺制备的堆焊合金成分为：Ti：3.6wt.％；Mn：1.8wt.％；B：0.3wt.％；C：0.4wt.％；Fe：余量。所得堆焊层平均硬度为HRC60，焊缝外形美观，没有裂纹。耐磨带堆焊外观见图1，耐磨带洛式硬度见图2。

实施例3、160GH

一种含钛钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝包括SPCC空心焊丝和粉体药芯，所述粉体药芯的配比是：钛铁55％，硼铁10％，电解锰10％，金属铬粉20％，石墨3％，铁粉余量，填粉率为25％。将堆焊工艺参数设定为：电压30-32V；电流290-330A；送丝速度：410-510mm/min；气体流速：18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：21-25mm。上述工艺制备的堆焊合金成分为：Ti：6wt.％；Mn：2.5wt.％；B：0.5wt.％；C：0.3wt.％；Fe：余量。所得堆焊层平均硬度为HRC62，焊缝外形美观，没有裂纹。耐磨带堆焊外观见图1，耐磨带洛式硬度见图2。

对实例所制备堆焊合金进行耐磨损实验，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57×25.5×6mm，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(绍尔硬度)；载荷100N；橡胶轮转数：预磨1000转、精磨5000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。磨损失重见图3。

在上述实施例中，所述钛铁的组分及各组分百分比为Ti30-40％，Fe余量；硼铁的组分及各组分百分比为B 18-20％，C≤0.1％，Fe余量；电解锰的组分为Mn99.5％，C≤0.08％，余量杂质；金属铬的组分为Cr 99.8％，余量杂质；石墨的组分为C99.7％，余量杂质。

本发明的焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。