等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层在石油钻杆接头上的应用.docx

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等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层在石油钻杆接头上的应用

长春工业大学

毕业论文

题目：

等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层

在石油钻杆接头上的应用

学院：

材料科学与工程学院

专业：

材料成型及控制工程

班级：

070204

姓名：

张文朋

指导教师：

范伟光

2011年6月02日

摘要

石油钻杆接头是在石油勘探开采钻井时，用于连接上、下钻杆的重要部件，由于其长期工作在含砂多，且有一定腐蚀性介质的井下，所以要求其具有优良的耐磨、耐蚀性能。

为了改善其耐磨、耐蚀性能，提高其使用寿命，目前国内许多企业采用粉末等离子喷焊的方法在其接头部位喷焊一层耐磨带。

虽然钴基、镍基粉末耐磨、耐蚀性较好，但价格昂贵，成本太高。

本课题旨在研制一种适用于石油钻杆接头耐磨带的铁基合金粉末材料，来降低生产成本。

本课题设计了适合于石油钻杆接头耐磨带的铁基合金粉末的成分，采用混粉法制备该合金粉末；并采用等离子喷焊的焊接方法在低碳钢基材上进行焊接，确定了最佳喷焊工艺参数；分析和测试了喷焊层的微观组织和结构及耐磨性能。

实验结果表明，喷焊层主要由：

γ-Fe、Cr23C6、（Cr,Fe）7C3以及NiB、莱氏体等化合物相组成。

焊层冶金结合较好，组织致密，稀释率低，无裂纹、夹杂等缺陷。

同时拥有较高的硬度（55～59HRC）和耐磨性，具有较大的应用价值。

关键词：

铁基合金粉末、等离子喷焊、石油钻杆接头、组织、性能

Abstract

Oildrillpipejointistheimportantcomponentofconnectingtheupperandlowerdrillpipesintheoilexplorationandexploitationunderdrilling,becauseitworksintheenvironmentofhavingmoresandandfullofcertaincorrosivemediapitinthelong-term,soitsexcellentwearresistanceandcorrosionresistancearerequired.Inordertoimprovetheirwearandorrosionresistance,improvetheirlife.Atpresent,manyenterprisessprayawear-resistantlayerinthejointsurfaceusingthemethodofpowderplasmaspray.Althoughcobalt,nickelpowderwearandcorrosionresistanceisbetter,butexpensive,thecostistoohigh.Theprojectplanstodevelopakindofiron-basedalloypowdermaterialfortheoildrillpipejointsoastoreducetheproductioncosts.

Theprojectdesignesiron-basedalloypowdercompositionfortheoildrillpipejoint.Andproductingthealloypowderbymechanicalalloying.weldinginthelowcarbonsteelsubstratebyplasmasprayweldingmethod.Adjustingtheoptimumsprayparameters.Analysisandtestingthemicrostructureandwearresistanceofthespraylayer.

Theresultsshowthatspraycoatingmainlycomposedof:

γ-Fe,Cr23C6,（Cr,Fe）7C3,andNiB,andtheledeburitephase.Themetallurgicalbondingofspraylayeriswell,theorganizationisdense,thedilutionislow,nocracks、inclusionsandotherdefects.Atthesametime,thespraylayerhasahigherhardness（55~59HRC）andwearresistance,andwithgreatvalue.

Keywords:

iron-basedalloypowder,plasmaspray,oildrillpipejoints,microstructure,properties

目录

第一章绪论1

1.1前言1

1.2热喷焊技术1

1.2.1热喷焊技术的原理1

1.2.2热喷焊技术的特点1

1.3等离子喷焊2

1.3.1等离子喷焊的原理及特点2

1.3.2影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数3

1.3.3喷焊用粉末6

1.3.4等离子喷焊的应用范围7

1.3.5国内外等离子喷焊备现状及发展趋势9

1.4石油钻杆接头12

1.4.1石油钻杆接头井下工作环境12

1.4.2石油钻杆接头的失效形式及使用寿命12

1.4.3国外对石油钻杆接头的研究现状13

1.5本课题研究背景及意义13

第二章实验材料、设备及方法14

2.1实验材料及设备14

2.1.1基体材料14

2.1.2喷焊材料14

2.1.3喷焊设备14

2.1.4摆动式球磨机15

2.2铁基合金粉末的研制16

2.2.1合金粉末成分设计16

2.2.2合金粉末的制备17

2.2.3粉末的性能18

2.3实验方法19

2.3.1喷焊试验方法19

2.3.2等离子喷焊焊接工艺参数20

2.3.3喷焊层试样的制备及组织观察20

2.4喷焊层组织分析及性能测定20

2.4.1硬度的测定20

2.4.2喷焊层物相分析21

2.4.3耐磨性试验21

第三章喷焊层的微观组织与性能分析22

3.1喷焊层硬度分析22

3.1.1喷焊层的结合强度22

3.1.2喷焊层的显微硬度22

3.1.3喷焊层的宏观硬度24

3.2焊层的磨损性能25

3.2.1铁基喷焊层的磨粒磨损机理25

3.2.2喷焊层和基体在油润滑下的磨损26

3.3喷焊层的微观组织分析27

3.3.1焊层的微观组织特点27

3.3.2熔合区，热影响区及基体母材区的微观组织特点30

3.4喷焊层缺陷分析31

3.4.1.气孔31

3.4.2改善措施32

第四章结论33

致谢34

参考文献35

第一章绪论

1.1前言

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件，工程构件的三大主要破坏形式，它们所导致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失占非常大的比重。

我国对摩擦磨损造成的经济损失进行全面彻底的调查分析，指出：

此项损失至少占国民总产值的1.8%。

在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告中指出：

由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为200亿美元[1]。

众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机件失效有许多是从表面开始，为了解决材料的磨损和腐蚀，需要采取表面防护措施延缓和控制表面的破坏。

在解决的同时，促进了表面工程科学与表面技术的形成与发展。

表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，表面工程技术围绕腐蚀、摩擦和功能特性（声、光、磁、电的转换等）三大要素，成为20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为21世纪主导技术之一[2]。

表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基材表面具有不同于基材的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。

该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术，表面薄膜制备技术和表面涂层技术[3]。

1.2热喷焊技术

热喷焊主要包括粉末火焰喷焊和等离子弧喷焊，喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊和等离子弧喷焊两类。

火焰喷焊通常是先形成涂层，之后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处理。

而等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的。

经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。

1.2.1热喷焊技术的原理

采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术[4]。

1.2.2热喷焊技术的特点

喷焊与喷涂过程不同，合金粉末在基材表面有一个重熔并铺展的过程，因此决定了喷焊的如下几个基本特点[5]：

（1）热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高，这是热喷焊层与热喷涂技术相比的最大优点。

热喷焊层与基材为冶金结合，其强度是一般热喷涂层的10倍。

特别是热喷焊技术可以涂覆超过几个毫米厚的涂层而不开裂，这是普通热喷涂技术无法达到的。

因此热喷焊层可以用于重载零件的表面强化与修复。

（2）热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，这主要是因为如下几个原因：

第一，喷焊材料在液态下应该能够在基材表面铺展开，即能够润湿基材；第二，喷焊材料必须能够与基材相容，即它们在液相和固相下必须有一定的溶解度，否则无法形成熔合区，亦即无法形成冶金结合；第三，基材的熔点应该高于喷焊材料的熔点，否则容易导致基材塌陷或者工件损坏；第四，热喷焊材料在凝固结晶过程中，应该尽量避免产生热裂纹，或者使基材热影响区产生裂纹。

因此，热喷焊工艺只能适合与一些特定的金属材料（包括基材与粉末）。

（3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多，由于热喷焊时要求粉末完全熔透，因此基材受热时间比较长，表面达到的温度比热喷涂高得多，导致基材的变形较大、热影响区较深等。

因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热喷焊技术。

（4）热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别，热喷焊过程中基材表面会少量熔化，并与喷焊材料发生合金化，导致喷焊层的成分与原来设计的喷焊材料成分有差异。

一般将基材熔入喷焊层中的质量分数称为喷焊层的稀释率，用公式（1-1）表示为

η

（1-1）

式中，η为喷焊层的稀释率；A为喷焊的金属质量；B为基材熔化的金属质量。

显然，稀释率越大，喷焊层的性能与原设计成分偏离越远。

因此，必须控制喷焊工艺参数，以便控制喷焊层的稀释率。

1.3等离子喷焊

1.3.1等离子喷焊的原理及特点

等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。

等离子喷焊采用的等离子弧与等离子喷涂的有区别。

等离子喷涂时，等离子弧建立在喷枪内钨阴极与铜阳极喷嘴之间，工件不带电，称为非转移弧。

而等离子喷焊则采用非转移弧和转移弧的联合弧，所谓转移弧是建立在喷焊枪钨阴极头和工件（阳极）之间的等离子弧，它对工件的加热能力比非转移弧强，是喷焊过程中的主要热源，因此称为主弧。

在工作时首先引燃非转移弧，然后借助弧在钨的非转移极和工件之间形成的等离子体导电通道，建立转移弧。

图1-1等离子喷枪结构图

等离子喷焊设备与等离子喷涂设备基本类似，但用单电源同时供应非转移弧和转移弧不太稳定，因此通常采用两台电源分别向非转移弧和转移弧供电。

等离子喷焊枪（图1-1）与等离子喷涂枪结构也有所不同，主要区别在于喷嘴中等离子弧通道的长度和直径比（称为压缩比）比较小，通常在1～1.4之间。

这样等离子弧比较柔软，熔池小，稀释率低。

等离子喷焊的前、后处理工艺及注意事项与氧-乙炔火焰喷焊相同，只是喷焊过程中需控制的工艺参数更复杂一些，如转移弧电压和电流，非转移弧电流、喷焊速度、送粉量、离子气和送粉气、喷焊枪摆动和幅度，喷嘴距工件距离等。

只要经过预先分析和试验，确定最佳工艺参数，就可精确控制喷焊过程，重复性比氧-乙炔火焰喷焊好。

等离子喷焊的材料范围比较宽，特别是可以喷焊难熔材料。

它所用粉末的粒度与氧-乙炔火焰喷焊的一样，比热喷涂用粉末粒度要稍大一些。

与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点如下：

（1）生产效率高因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高，生产率也高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊。

（2）稀释率低为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少，即稀释率低。

等离子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，因此可以在保证稀释率低（控制到5%）的同时，保持较高的熔敷率。

（3）工艺稳定性好，易实现自动化。

（4）喷焊层成分、组织均匀喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得在0.25～8mm之间任意厚度的喷焊层[6]。

1.3.2影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数

等离子喷焊主要的工艺参数有转移弧电压和电流、非转移弧电流、送粉量、离子气和送粉气流量、焊枪摆动频率和幅度、喷嘴与工件之间的距离等[7]。

往往要通过反复试验才能得到对于各种不同基体、不同喷焊层的最佳喷焊工艺，下面仅就选择和确定影响喷焊层性能的主要喷焊工艺参数的某些原则进行讨论。

1.3.2.1转移弧电压和电流

转移弧是等离子喷焊的主要热源，喷焊电流和电压是影响工艺指标最重要的参数。

在喷焊过程中，转移弧电压随喷焊电流的增加近似呈线性上升。

在焊枪和其他参数确定的情况下，喷焊电流在较大范围内变动时电弧电压变化却不大。

虽然喷焊过程中电弧电压变化较小，但电弧电压的基数值却是很重要的，它影响电弧功率的大小。

电弧电压的基数值主要取决于喷嘴结构和喷嘴与工件之间的距离。

在等离子喷焊过程中，转移弧电流变化主要影响到以下几个方面。

①工件熔深和喷焊层稀释率随着喷焊电流的加大，过渡到工件喷焊面的热功率增加，熔池温度升高，热量增加，使工件熔深和稀释率增加。

②熔敷率和粉末利用率送粉量确定以后，要使粉末充分熔化，需要足够的热量，因此等离子喷焊的转移弧电流不能低于一定的数值。

转移弧电流对粉末熔化状况的影响见表1-2该实验结果表明，转移弧电流小于一定数值时，未熔化的合金粉末飞散多，粉末利用率很低。

表1-2转移弧电流对粉末熔化状况的影响

转移弧电流/A

粉末熔化及成形情况

转移弧电流/A

粉末熔化及成形情况

＜120

合金粉末严重飞溅，焊道成形很差

160～210

合金粉末充分熔化，焊道成形良好

120～140

合金粉末有飞溅，焊道成形不好

＞210

熔深过大，熔池翻泡，焊道成形不好

③喷焊层质量转移弧电流过小时，熔池热量不够，工件表面不能很好熔合，粉末熔化不充分，造成未熔透、气孔、夹杂等缺陷，同时焊道宽厚比小、成形差；电流过大时，稀释率过大使喷焊层合金成分变化，喷焊层性能显著降低。

1.3.2.2非转移弧电流

非转移弧首先起过渡引燃转移弧的作用。

在等离子喷焊中，一种情况是保留非转移弧，采用联合弧工作；另一种情况是当转移弧引燃后，将非转移弧衰减并去除。

采用联合弧工作时，保留非转移弧的目的是使非转移弧作为辅助热源，同时有利于非转移弧的稳定。

非转移弧的存在不利于喷嘴的冷却。

非转移弧电流一般为60-100A，而作为联合弧中的非转移弧电流应更小些，须根据转移弧电流大小适当选择。

1.3.2.3喷焊速度

是表示喷焊过程进行快慢的参数。

喷焊速度和熔敷率是直接联系在一起的。

在保持喷焊层宽度和厚度一定的条件下，喷焊速度快，熔敷效率就高。

提高喷焊速度使喷焊层减薄、变窄，工件熔深减小，喷焊层稀释率降低；当喷焊速度增加到一定程度时，成形恶化，易出现未焊透、气孔等缺陷。

一般根据喷焊工件的大小，电弧功率、送粉量等合理选择喷焊速度。

1.3.2.4送粉量

是指单位时间内从焊枪送出的合金粉末量，一般用g/min表示。

在等离子喷焊过程中，其他参数不变的情况下，改变喷焊速度和送粉量，熔池的热状态发生变化，从而影响喷焊层质量。

增加送粉量，工件熔深减小，当送粉量增加到一定程度时，粉末熔化不好、飞溅严重，易出现未焊透。

在保证喷焊层成形尺寸一致的条件下，增加送粉量要相应地提高喷焊速度。

为了使合金粉末熔化良好，保证喷焊质量，要相应加大喷焊电流，使熔池的热状态维持不变，以便提高熔敷率。

喷焊速度和送粉量的大小反映喷焊生产率，从提高生产率角度出发，希望采用高速度、大送粉量、大电流喷焊。

但喷焊速度和送粉量受到焊枪性能、电源输出功率等因素的制约。

因此对具体工件，要合理选择喷焊速度和送粉量。

1.3.2.5离子气和送粉气流量

（1）离子气流量离子气是形成等离子的工作气体，对电弧起压缩作用，并对熔池起保护作用。

气流量大小直接影响电弧稳定性和压缩效果。

气流量过小，对电弧压缩弱，造成电弧不稳定；气流量过大，对电弧压缩过强，增加电弧刚度，致使熔深加大。

离子气流量要根据喷嘴孔径大小、非转移弧和转移弧的工作电流大小来选择。

喷嘴孔径大，工作电流大，气流量要偏大；离子气流量一般以300-500L/h为宜。

（2）送粉气流量送粉气主要起输送合金粉末作用，同时也对熔池起保护作用。

合金粉末借助于送粉气的吹力，能顺利地通过管道和焊枪被送入电弧。

气流量过小，粉末易堵塞；气流量过大，对电弧有干扰。

送粉气流量主要根据送粉量的大小和合金粉末的粒度、松装密度来选择。

送粉量大、松装密度大时，气流量应偏大。

送粉气流量一般在300-700L/h范围内调节。

1.3.2.6焊枪摆动频率和幅度

焊枪摆动是为了一次喷焊获得较宽的喷焊层，摆动幅度一般依据喷焊层的要求而定。

单位时间内焊枪摆动次数称为焊枪摆动频率（次/min）。

摆动频率应保证电弧对喷焊面的均匀加热，避免焊道边缘出现“锯齿”状。

摆动频率和幅度要配合好，一般摆幅宽，摆频要适当减慢；摆幅窄，摆频可适当加快，以保证基体受热均匀，避免未熔合的现象。

1.3.2.7喷嘴与工件之间的距离

喷嘴与工件之间的距离反应转移弧的电压。

距离过高，电弧电压偏高，电弧拉长，使电弧在这段距离内未经受喷嘴的压缩，而弧柱直径扩张，受周围空气影响使得电弧稳定性和熔池保护变差。

距离过低，粉末在弧柱中停留时间短，不利于粉末在弧柱中预先加热，熔粒飞溅粘接在喷嘴端面现象较严重。

喷嘴与工件之间的距离根据喷焊层厚薄及喷焊电流大小，在10-20mm范围内调整。

1.3.3喷焊用粉末

等离子弧喷焊用的合金粉末主要有镍基、钴基、铁基及含WC型粉末四大类[8]。

为了在喷焊过程中能通畅地送粉，要求粉末的形状为球形，粒度应控制在0.071～0.280mm（60～200目）之间。

粉末应干燥、不结块。

粉中应严格控制不掺有纤维、碎纸、塑料等杂物。

合金粉末不用时，应保存在密封容器中，不得受潮。

长期放置的粉末在使用前，应于100～150℃温度下烘干后再使用。

1.3.3.1自熔性合金

所谓自熔性合金，就是指含硼和硅等脱氧元素且熔点低，在加热熔化过程中，合金的成份能还原自身及基材的氧化物，形成低熔点的硼硅酸盐渣覆盖于表面，防止合金的氧化并改善润湿性能，使合金与基材得到良好的冶金结合的合金材料。

自熔性合金的焊层与基材的结合强度一般为30-50kgf/mm2（300-500Mpa）.。

根据不同的化学组成，可以得到HRC15-65的不同硬度的焊层。

喷焊工艺主要适合于冲击负载较大，热疲劳环境及对工件变形要求不严格的地方。

1.3.3.2镍基喷焊粉末

镍基喷焊粉末是当前应用最多的自熔合金粉末。

镍基喷焊粉末有两个系列：

最早的自熔合金以镍基合金为基础。

当镍和几种元素，如硼、硅、铬、钼和铜等组成的自熔合金时，合金熔点降低到易被氧-乙炔火焰所熔化的范围。

镍的熔点为1453℃，加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温度在1000℃左右的固液相状态，而且可在HRC25～HRC65之间调节硬度，并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能，镍硼硅合金是在镍中加入适量的硼、硅元素形成的。

其粉末颗粒呈球形，合金熔点900～1100℃。

镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以及工作温度低于600℃的零部件的防护和修复。

特别适用于硬度要求不高的玻璃模具、塑料、橡胶模具的防护和修复以及铁、钢铸件缺陷的修补。

镍铬硼合金粉末是在镍硼硅合金中加入碳、铬元素，便形成镍铬硼合金。

这类合金具有优良的自熔性，用途最为广泛。

粉末颗粒呈良好的球形。

铬在合金中溶解于镍，形成Ni、Cr固溶体而增加合金强度，并提高合金的抗氧化性和耐蚀性。

除此之外，铬还能生成硼化铬（Cr2B,CrB）和碳化铬（Cr23C6,Cr7C3）等硬质化合物，与镍的硼化物（Ni3B,Ni2B）和硅化物（Ni3Si）一起提高合金的硬度和耐磨性。

增加合金中碳、硼、硅等元素的含量，合金的硬度可以从HRC25提高到HRC65，但合金的韧性相应降低。

由于镍铬硼硅是以镍铬为基础的合金，故具有良好的耐蚀性，对大气、海水、蒸汽、碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力，优于18-8型不锈钢。

镍铬硼硅自熔合金综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种应力磨料磨损的零件、耐蚀件和工作温度不超过700℃的零件、以及铸铁、钢件缺陷的补修。

1.3.3.3钴基喷焊粉末

钴是昂贵的金属，钴基自熔合金是在Stellite合金的基础上添加适量的B、Si元素而创造的。

钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐气蚀、耐氧化、耐磨损等综合性能，其红硬性优于Ni基合金。

由于价格昂贵，一般采用粉末利用率高的等离子喷焊工艺，用在要求高稳硬度或耐气蚀磨损的场合，如过热蒸汽阀门密封面、发动机进排气阀密封面、热作模具等。

1.3.3.4铁基自熔性合金

大量在常温或中温下和弱酸介质中工作，要求有良好耐磨损性能的工件，不不必要都采用昂贵的镍基和钴基合金。

因此，发展了一系列适应喷焊工艺要求的铁基自熔性合金，取得了良好的应用效果。

铁基喷焊粉末有以下两种类型:

①不锈钢型铁基喷焊粉末

不锈钢型铁基自熔合金是在不锈钢成分的基础上添加适量的B、Si元素而研制的。

通过调整C、B、Si、Ni的含量来调整合金的硬度，并通过添加其它合金元素来改善合金的性能。

应用较普遍的18-8Cr-Ni型，典型的品种是WF311和WF312。

18-8不锈钢添加B、Si元素后，合金硬度和耐擦伤性显著提高，大大优于原18-8不锈钢，用于中温中压阀门密封面，成倍提高了使用寿命。

②高铬铸铁型铁基喷焊粉末

高铬铸铁型铁基自熔合金是在高铬铸铁耐磨合金成分的基础上添加B、Si、Ni元素而创造的，由于这种合金中含有较高的碳和铬，会形成大量的高硬度的碳化铬强化相，所以合金硬度较高，有极高的耐磨性。

铁基自熔合金粉末适用于铁路钢轨的修补，以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强化和修复。

1.3.3.5碳化钨弥散型喷焊粉末

碳化钨弥散型自熔合金粉末是在各种镍基、铁基、钴基自熔合金粉末中加