一种钻杆接头耐磨带用Fe-Nb-Mo-Cr-Mn-B系铁基堆焊药芯焊丝的制作方法
【专利摘要】一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝属于焊接材料领域。采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20～26%，药芯焊丝粉末的合金元素按质量百分含量包括：C：0.6～1.2%；B：0.8～1.2%；Cr:2～9%；Nb：10～19%；Mo：4～10%；Mn：4～10%；Si：3～8%；Ti:1～4%；Fe：余量。本发明焊丝堆焊后的熔敷层，碳化物和硼化物生成的晶粒结构紧密排列成硬质金相，散布在马氏体中，NbC硬质相尺寸很细小，约为1-2μm。焊后无裂纹，平均洛氏硬度大于60HRC，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，耐磨带光滑，飞溅少，无剥落，粘结性强，可重复堆焊使用，相容性优异。
【专利说明】—种钻杆接头耐磨带用Fe-Nb-Mo-Cr-Mn-B系铁基堆焊药芯焊丝
【技术领域】
[0001]本发明属于材料加工焊接领域，具体涉及一种用于堆焊钻杆接头耐磨带药芯焊丝。
【背景技术】
[0002]在石油钻杆接头上堆焊金属耐磨带，是减少钻杆、套管磨损的有效措施之一。随着钻井技术的发展，钻井时间延长，钻杆在套管上的侧向力增大等因素的影响，套管和钻杆的磨损问题越来越突出，轻则降低钻杆的抗扭抗弯强度和套管柱的抗挤毁抗内压强度，重则造成套管柱挤毁变形及泄漏，甚至造成全井报废，从而大幅度地增加钻井成本，在石油钻杆接头上堆焊金属耐磨带，则是减少钻杆、套管磨损的有效措施之一。
[0003]根据之前的研究，工业上希望得到硬度高、无裂纹的耐磨堆焊层的要求并没有得到完全实现。Fe-Cr-C型堆焊合金体系往往通过添加大量铬元素形成碳化物硬质相来提高耐磨带耐磨性，然而在焊接过程中却不可避免的产生裂纹，导致耐磨带开裂失效。因此，合理调节铬含量，在不添加Ni等贵重金属的情况下，添加B、Nb、Mo、Mn等合金元素共同强化，保证耐磨带无裂纹、高硬度、无剥落、套管友好。此配方降低了生产成本，顺应了资源节约型的社会理念。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决当前大部分堆焊材料抗裂性不足，套管磨损率较大，粘结性差，基体有剥落，重复焊接时，需去除旧耐磨带，而不能直接在其上焊接的问题，提供一种成本较低的Fe-Nb-Mo-Cr-Mn-B系铁基耐磨堆焊药芯焊丝。此药芯焊丝在不添加贵重金属Ni的情况下，多层堆焊仍不开裂，焊缝成型好，焊接时飞溅少，耐磨带光滑，硬度高
60HRC)碳化物和硼化物的晶粒结构做为硬质相排列紧密连同尺寸细小(1-4 μ m)的NbC硬质相，弥散分布在坚固、有韧性的基体中，实现了高耐磨抗裂性的整合。
[0005]一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，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20?26%，所述的药芯粉末包括以下质量百分比含量的物质:碳化硼:3.0?7.2% ;铌铁:14.3?32% ；电解锰:2.6?5.2% ;钥铁:12.8?19.2% ;铬铁:6.3?27.8% ;钛铁:1.54?7.72% ;石墨:2.0?6.0% ;硅铁:3.0?10.3% ;余量为还原铁粉。
[0006]进一步，所述药芯焊丝外皮所用带材为SPCC碳钢钢带。
[0007]进一步，药芯成分质量百分含量为:碳化硼:3.5?7% ;铌铁:14.5?25% ;电解锰:
2.8%?5% ;钥铁:14.5?18% ;铬铁:12?20% ;钛铁:2.0?7.5% ;石墨:2.5?5.5% ;硅铁:3.5?10%,余量为还原铁粉。
[0008]更进一步，碳化硼:4?6.5% ;铌铁:15?20% ；电解锰:3?4.8% ;钥铁:15?17% ；铬铁:13?18% ;钛铁:2.5?7% ;石墨:3.0?5.0% ;娃铁:4?9%，余量为还原铁粉。
[0009]采用所述药芯焊丝制备一种含弥散分布的NbC、Fe2B硬质相的铁基耐磨堆焊合金方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0010]按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为1.6mm的药芯焊丝；
[0011]采用二氧化碳气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为:电压:22 -25V ;电流:270 -300A ;送丝速度:380 -450mm/min ;气体流量:17 -20L/min ;焊丝干伸长:10 -20mm。
[0012]所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内:C:0.3 - 1.0% ；B:0.5 - 1.2% ；Ti:0.1 - 0.5% ；Nb:2.0 - 4.5% ；Mo:2.0 - 3.0% ；Mn:0.5 - 1.5% ；Cr:1.5 - 4.0 ；Si:0.3 - 1.3%, Fe:余量。
[0013]优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为:碳化硼:3.5?7% ;铌铁:14.5?25% ；电解锰'2.8%?5% ;钥铁:14.5?18% ;铬铁:12?20% ;钛铁:2.0?7.5% ;石墨:
2.5?5.5% ;娃铁:3.5?10%,余量为还原铁粉。所获得的熔敷金属中合金兀素的质量百分含量在以下范围内:C:0.36 ?0.79% ；B:0.58 ?1.0% ；Cr:l.7 ?2.9% ；Nb:2.0 ?3.5% ；Mo:2.3 ?2.8% ；Mn:0.54 ?0.96% ；S1:0.34 ?0.97% ；T1:0.13 ?0.49% ； Fe:余量。
[0014]进一步优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为:碳化硼:4?6.5% ;铌铁:15?20% ；电解锰:3?4.8% ;钥铁:15?17% ;铬铁:13?18% ;钛铁'2.5?7% ;石墨:
3.0 ?5.5% ;硅铁:4 ?9%，余量为还原铁粉。C:0.43 ?0.79% ；B:0.66 ?1.08% ；Cr:l.87 ?
2.59% ；Nb:2.11 ?2.81% ；Mo:2.34 ?2.65% ；Mn:0.58 ?0.92% ；S1:0.39 ?0.87% ；Ti:
0.16 ?0.45% ；Fe:余量。
[0015]其中各合金粉作用如下:
[0016]碳化硼: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。但硼元素具有显著地淬硬性，微量的改变就会造成硬度的显著增加。造成堆焊层开裂，因此本发明设计堆焊合金中B含量为0.5?1.2wt.%。
[0017]铬铁:过渡Cr元素，Cr元素起固溶强化元素，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作用的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1.5?3.0wt.%。
[0018]铌铁: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2.0?4.5wt.%。
[0019]钥铁:过渡Mo元素，起到固溶强化作用，提高合金淬透性，抑制回火脆性。当钥与铬、锰并存时，又能降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性，从而提高合金的抗冲击韧性。考虑到当钥含量大于3%时，会降低合金的塑性和韧性，堆焊层成型性变差，所以本发明设计堆焊合金中Mo含量为2.0 - 3.0wt.%。
[0020]钛铁:过渡钛元素，钛是强铁素体形成元素，有利于提高合金塑性和韧性。强碳化物元素Ti主要存在于碳化物相，为焊缝提供耐磨质点。
[0021]电解锰、硅铁:利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。
[0022]还原铁粉:填补余量。
[0023]与现有材料相比，本发明的优点是:
[0024]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。
[0025]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元素固溶强化基体，但并不参与硬质相的形成，铬联合钥、锰，降低或抑制了因其他元素所导致的回火脆性，从而提高合金的抗冲击韧性。避免了 Ni这种贵重金属的添加，降低了成本。
[0026]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，焊层无剥落，焊缝成形美观。
[0027]4、本发明药芯焊丝具有高的相容性，可重复堆焊使用。洛氏硬度高于60HRC。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1:本发明Fe-Nb-Mo-Cr-Mn-B系铁基耐磨堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图；
[0029]图2:实施例4中药芯焊丝堆焊合金金相组织；
[0030]图3:实施例4药芯焊丝堆焊合金XRD图。
【具体实施方式】
[0031]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:
[0032]1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12X0.3mm (宽度为12mm，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Fe-Nb-Mo-Cr-Mn-B系铁基堆焊药芯焊丝。
[0033]2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为:电压:22 -25V ；电流:270 -300A ;送丝速度:380 - 450mm/min ;气体流速:17 - 20L/min ;焊丝伸出导电嘴的长度:10 - 20mm。
[0034]实施例1
[0035]取碳化硼:0.3千克；银铁:1.43千克；电解锰:0.26千克；钥铁:1.28千克；铬铁:
0.63千克；钛铁:0.08千克；石墨:0.2千克；硅铁:0.3千克，还原铁粉为5.52千克。将得到的药芯粉末加入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的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为:C:0.3%；B:0.5% ；Ti:0.1% ；Nb:2.0% ；Mo:2.0% ；Mn:0.5% ；Cr:1.5% ；S1:0.3%, Fe:余量。
[0036]实施例2
[0037]取碳化硼:0.4千克；银铁:1.6千克；电解锰:0.35千克；钥铁:1.5千克；铬铁:
1.5千克；钛铁:0.15千克；石墨:0.3千克；硅铁:0.5千克，还原铁粉为3.7千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为20%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为:C:0.36% ；B:0.55% ；Ti:0.08% ；Nb:1.87% ；Mo:1.95% ；Mn:0.56% ；Cr:1.8% ；S1:0.41%, Fe:余量。
[0038]实施例3
[0039]取碳化硼:0.5千克；银铁'2千克；电解锰:0.4千克；钥铁:1.7千克；铬铁:2千克；钛铁:0.2千克；石墨:0.4千克；硅铁:0.6千克，还原铁粉为2.2千克。将得到的药芯粉末加入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的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为:c:0.53% ；B:0.76% ；Ti:0.12% ；Nb:2.6% ；Mo:2.4% ；Mn:0.7% ；Cr:2.51% ；S1:0.53%, Fe:余量。
[0040]实施例4
[0041]取碳化硼:0.6千克；银铁:2.8千克；电解锰:0.45千克；钥铁:1.9千克；铬铁:
2.5千克；钛铁:0.3千克；石墨:0.5千克；硅铁:0.8千克，还原铁粉为0.15千克。将得到的药芯粉末加入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的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为:C:0.75% ；B:1.0% ；Ti:0.2% ；Nb:4.1% ；Mo:3.1% ；Mn:0.9% ；Cr:3.7% ；S1:0.8%, Fe:余量。
[0042]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1所示。
[0043]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。
[0044]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。
[0045]表1实施例1-4熔敷金属的硬度、相对耐磨性和抗裂性
[0046]
【权利要求】
1.一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，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20~26%，所述的药芯粉末包括以下质量百分比含量的物质:碳化硼:3.0 ~7.2% ;铌铁:14.3 ~ 32% ；电解锰:2.6 ~5.2% ;钥铁:12.8 ~19.2% ;铬铁:6.3 ~27.8% ;钛铁:1.54~7.72% ;石墨:2.0~6.0% ;硅铁:3.0~10.3% ;余量为还原铁粉。
2.按照权利要求1的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，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的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，药芯成分质量百分含量为:碳化硼:3.5~7% ;银铁:14.5~25% ；电解锰:2.8%~5% ;钥铁:14.5~18% ;铬铁:12~20% ;钛铁:2.0~7.5% ;石墨:2.5~5.5% ;硅铁:3.5~10%，余量为还原铁粉。
4.按照权利要求3的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，碳化硼:4~6.5% ;铌铁:15~20% ；电解锰:3~4.8% ;钥铁:15~17% ;铬铁:13~18% ;钛铁:2.5~7% ;石墨:3.0~5.0% ;硅铁:4~9%，余量为还原铁粉。
5.采用权利要求1的药芯焊丝制备一种含弥散分布的NbC、Fe2B硬质相的铁基耐磨堆焊合金方法，其特征在于，包括如下步骤: (O按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为1.6mm的药芯焊丝； (2)采用二氧化碳气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为:电压:22-25V;电流:270-300A ;送丝速度:380-450mm/min ;气体流量:17 - 20L/min ;焊丝干伸长:10-20mm。
6.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内:B:0.5~1.2% ；C:0.3~1.0% ；Nb:2.0~4.5% ；Mo:2.0 ~3.0% ；Mn:0.5 ~1.5% ；Cr:1.5 ~4.0% ；S1:0.3 ~1.3% ；T1:0.1 ~0.5%, Fe:余量。
7.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得的熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内:B:0.55~1.1% ；C:0.4~0.8% ；Nb:2.2~3.5% ；Mo:2.2 ~2.8% ；Mn:0.7 ~1.3% ；Cr:1.7 ~3.5% ；S1:0.35 ~1.0% ；T1:0.2 ~0.45%, Fe:余量。
8.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得的熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内:B:0.6~1.0% ；C:0.45~0.75% ；Nb:2.5~3.0% ；Mo:2.3 ~2.7% ；Mn:0.8 ~1.2% ；Cr:1.8 ~3.0% ；S1:0.4 ~0.9% ；T1:0.25 ~0.42%, Fe:余量。
【文档编号】B23K9/04GK103894756SQ201410124250
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月29日 优先权日:2014年3月29日
【发明者】贺定勇, 蒋建敏, 梁娜, 周正, 王曾洁, 王智慧 申请人:北京工业大学