用于硬面堆焊的粉末添加剂及其应用的制作方法

本发明涉及一种用于硬面堆焊的粉末添加剂及其应用。

背景技术：

在石油钻探过程中，作为钻进工具的钻头，工况非常恶劣，磨损十分严重。为了避免钻头体过早磨损失效，通常在牙轮钻头的齿面、背锥及掌尖、掌背部位堆焊一层耐磨材料。

在cn1404956a、cn1562550a、cn101168221a、cn101380698a、cn103228401a等有关硬面堆焊材料的专利文献中，均有涉及添加硅、锰、铌、镍等粉末或合金粉末添加剂，其作用是在堆焊的冶金过程中起脱氧造渣、排气及与母材熔合等作用，但由于这些合金元素其熔点较高，冷却凝固较快，脱氧造渣、排气及与母材熔合作用有限，堆焊后堆焊层气孔、夹杂、脱层(堆焊层整体从母材表面，或粘连部分母材表层脱落)等缺陷时有发生，严重影响了堆焊质量，进而缩减了工件使用寿命。

同时，由于堆焊层中起粘结耐磨硬质颗粒的基体未得到较好强化，致使硬质颗粒提前从粘结基体中脱落，导致堆焊层提前失效，进而缩减了工件的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于硬面堆焊的粉末添加剂及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于硬面堆焊的粉末添加剂，特点是：为铝元素的添加剂。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述添加剂是铝粉添加剂或含铝合金粉末添加剂。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述含铝合金粉末添加剂是锰、镍、铌、铬、钒、钛、硅、铁中的一种或多种元素与铝元素的合金粉末。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述含铝合金粉末添加剂是铝粉与锰、镍、铌、铬、钒、钛、硅、铁中的一种或多种单质粉末的混合物。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述含铝合金粉末添加剂是铝粉与含铝合金粉末的一种或多种的混合物。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述含铝合金粉末添加剂是含铝合金粉末的一种或多种的混合物。

进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂，其中，所述铝粉添加剂或含铝合金粉末添加剂的粒度为-100目～+540目。

本发明用于硬面堆焊的粉末添加剂的应用，特点是：在堆焊材料中加入铝元素的添加剂。

更进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂的应用，添加剂是铝粉添加剂或含铝合金粉末添加剂，铝粉添加剂是工业级铝粉，铝粉添加剂比例为堆焊材料的1～10％wt，含铝合金粉末添加剂比例为堆焊材料的0.5～6％wt。

更进一步地，上述的用于硬面堆焊的粉末添加剂的应用，含铝合金粉末添加剂中的铝含量为3～12％wt。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明在堆焊材料中加入铝元素的添加剂，可有效地解决堆焊层中的气孔、夹杂及脱层缺陷，并提高基体对硬质颗粒的粘结能力、堆焊层的冲击韧性和耐腐蚀能力，提升堆焊层质量，延长工件寿命；而铝粉及合金具有较强的经济性，因此，可为工矿企业带来较好的经济效益。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1a：实施例1配方a焊块磨削面照片；

图1b：实施例1配方b焊块磨削面照片；

图2a：实施例2配方a堆焊层纵剖面照片；

图2b：实施例2配方b堆焊层纵剖面照片。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。

在堆焊材料中加入铝粉添加剂或含铝合金粉末添加剂，铝粉添加剂或含铝合金粉末添加剂的粒度为-100目～+540目，铝粉添加剂是工业级铝粉，铝粉添加剂比例为堆焊材料的1～10％wt，含铝合金粉末添加剂比例为堆焊材料的0.5～6％wt，含铝合金粉末添加剂中的铝含量为3～12％wt。

含铝合金粉末添加剂是锰、镍、铌、铬、钒、钛、硅、铁中的一种或多种元素与铝元素的合金粉末。含铝合金粉末添加剂是铝粉与锰、镍、铌、铬、钒、钛、硅、铁中的一种或多种单质粉末的混合物。含铝合金粉末添加剂是铝粉与含铝合金粉末的一种或多种的混合物。含铝合金粉末添加剂是含铝合金粉末的一种或多种的混合物。

在堆焊材料中加入熔点较低、比重较小(相比于硅、锰、铌、镍等元素)的铝粉或含铝合金粉末，有效地减少了堆焊层的气孔、夹杂以脱层缺陷。

在堆焊的冶金过程中，铝元素是强烈的脱氧元素之一，其脱氧能力比上述几种元素中脱氧能力最强的硅、锰元素更强烈。用铝粉或含铝合金粉末作为脱氧剂，相比硅、锰、铌、镍等元素粉末或合金粉末作为脱氧剂，不仅可少产生氧化亚铁，且易于使氧化亚铁还原，能有效地抑制在熔池中产生的一氧化碳气体的化学反应，从而提高抗一氧化碳气孔的能力。另外，铝元素还能和氮(硬面堆焊材料为粒状，其空隙中为空气，空气中含约75％的氮气)化合而起固氮作用，故也能减少氮气孔。

同时，由于铝元素熔点较低，能使熔池持续较长时间的熔融态，使堆焊层内的脱氧造渣、排气及与母材的熔合作用更加充分，既减少了堆焊层内产生的气孔，也有利于已形成气孔的排出。

铝元素密度较小，其合金及堆焊冶金反应后的生成物(即焊渣)，较硅、锰、铌、镍等元素粉末或合金粉末生成的焊渣密度要小，加之如上分析的铝粉或含铝合金的熔池熔融态持续时间较长，有利于焊渣上浮到堆焊层表面，减少了堆焊层内部的夹杂，提高了堆焊层质量，延长了堆焊层寿命。

堆焊层的脱层缺陷是严重的缺陷形式，可直接导致工件失效。在油气开采钻井等环境中，其脱落的耐磨堆焊层极难清理，反而成为第二套钻具继续钻进的障碍。因此，脱层缺陷必须彻底解决。堆焊层脱落最主要的成因之一是由于堆焊层与母材熔合不好。进一步地讲，除过母材表面清理不干净等显而易见的原因导致熔合不好外，更重要的是熔合部位堆焊层中的氮元素，特别是氮气未脱除干净，与堆焊层或母材中的碳元素结合形成力学性能极差的碳氮化物(即时效倾向性)，致使熔合部位堆焊层与母材间的应力大于其结合强度而脱层。铝元素的加入，通过前述的固氮作用而减少了引起时效倾向的氮元素，从而增强了堆焊层与母材的熔合强度，进而解决了脱层缺陷。

另外，铝元素的加入，可细化堆焊层中作为粘结剂的钢管或焊芯熔化后的组织晶粒，从而提高对硬质颗粒的粘结强度以及整个堆焊层冲击韧性，特别是与钒、钛元素配合使用时，效果更为显著；铝与氧有很强化合性，并生成性能稳定的三氧化二铝，不仅具有良好的耐磨性，也可增加堆焊层的耐腐蚀能力，特别是与铬、硅元素配合使用，效果更为显著。高的冲击韧性及耐腐蚀能力，对于冲击磨损、存在腐蚀介质的工况至关重要。

用于硬面堆焊材料为碳化钨管状焊条，包括钢铁管皮和填充物，成分为：钢铁管皮25～40％，填充物60～75％。钢铁管皮由冷轧低碳带钢卷制而成，厚度0.1～0.5mm。填充物的组分为：各类作为堆焊层耐磨作用的硬质颗粒，金属粉末或合金粉末添加剂，树脂类有机粘结剂。其堆焊后在工件表面上的堆焊层均为各类耐磨硬质颗粒，钢铁管皮熔化后与合金添加剂经过冶金反应而生产粘结硬质颗粒的基体材料。

实施例1：

某型号碳化钨管状焊条配方为a，其填充物重量百分含量为：粒度为15～40目的球形烧结碳化钨颗粒45％，粒度为20～60目的破碎烧结碳化钨颗粒35％，粒度为40～140目的破碎铸造碳化钨15％，粒度-200目的硅锰铁合金2.0％，粒度为-200目的铌铁合金1.5％；粒度为-200目的铌粉1.0％，粒度为-250目的树脂0.5％。钢铁管皮为低碳钢，管径为3.5mm，管皮厚度0.25mm。填充物占整根焊条的重量百分比为75％。将其中粒度为-200目的铌铁合金用含铝6％wt的-325目的镍铬铝合金代替，比例仍为1.5％，其它不变，此配方为b。在堆焊条件不变的情况下，配方a与配方b堆焊后的堆焊层磨削面如图1a、1b，明显可以看出，配方a焊块磨削面气孔较多，配方b的焊块磨削面气孔较少，含铝合金添加剂的堆焊层气孔较少、夹杂较少，且与母材熔合良好。

同时，本实施例中，基体的显微硬度由配方a的hv0.05816提高到配方b的hv0.05960；磨损实验表明，本实施例配方b较配方a的耐磨性提高20～45％。

实施例2：

某型号碳化钨管状焊条配方为a，其填充物重量百分含量为：粒度为15～40目的球形烧结碳化钨颗粒60％，粒度为30～60目的球形铸造碳化钨颗粒25％，粒度为60～120目的球形铸造碳化钨10％，粒度-180目的硅锰铁合金2.0％，粒度为-200目的铌铁合金2.5％，粒度为-250目的树脂0.5％。钢铁管皮为低碳钢，管径为4.2mm，管皮厚度0.30mm。填充物占整根焊条的重量百分比为65％。将其中粒度为-200目的铌铁合金中2.0％用含铝-300目的铝粉合金代替，其它不变，此配方为b。在堆焊条件不变的情况下，配方a与配方b堆焊后的堆焊层磨削面如图2a、2b，明显可以看出，配方a堆焊层纵剖面中的气孔较多，配方b堆焊层纵剖面中的气孔较少，含铝合金添加剂的堆焊层纵剖面气孔较少，而且配方a与母材的融合线较为清楚，而配方b的较为模糊，说明配方b与母材融合较好，不易于脱层脱层。

进一步的将配方a、b两种碳化钨管状焊条堆焊于某磷肥厂的磷矿石破碎设备的刀片工作面上，其寿命延长了20％以上。

综上所述，本发明在堆焊材料中加入铝元素的添加剂，可有效地解决堆焊层中的气孔、夹杂及脱层缺陷，并提高基体对硬质颗粒的粘结能力、堆焊层的冲击韧性和耐腐蚀能力，提升堆焊层质量，延长工件寿命；而铝粉及合金具有较强的经济性，因此，可为工矿企业带来较好的经济效益。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。