畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等離子噴焊鐵基自熔合金耐磨層在石油鉆桿接頭上的應(yīng)用

1、長長 春春 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 題題 目：等離子噴焊鐵基自熔合金耐磨層目：等離子噴焊鐵基自熔合金耐磨層 在石油鉆桿接頭上的應(yīng)用在石油鉆桿接頭上的應(yīng)用 學(xué)學(xué) 院：材料科學(xué)與工程學(xué)院院：材料科學(xué)與工程學(xué)院 專專 業(yè)：材料成型及控制工程業(yè)：材料成型及控制工程 班班 級(jí)：級(jí)： 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 20112011 年年 6 6 月月 0202 日日 摘摘 要要 石油鉆桿接頭是在石油勘探開采鉆井時(shí)，用于連接上、下鉆桿的重要部件，由于 其長期工作在含砂多，且有一定腐蝕性介質(zhì)的井下，所以要求其具有優(yōu)良的耐磨、耐 蝕性能。為了改善其耐磨、耐蝕性能，提高其使用壽命，

2、目前國內(nèi)許多企業(yè)采用粉末 等離子噴焊的方法在其接頭部位噴焊一層耐磨帶。雖然鈷基、鎳基粉末耐磨、耐蝕性 較好，但價(jià)格昂貴，成本太高。本課題旨在研制一種適用于石油鉆桿接頭耐磨帶的鐵 基合金粉末材料，來降低生產(chǎn)成本。 本課題設(shè)計(jì)了適合于石油鉆桿接頭耐磨帶的鐵基合金粉末的成分，采用混粉法制 備該合金粉末；并采用等離子噴焊的焊接方法在低碳鋼基材上進(jìn)行焊接，確定了最佳 噴焊工藝參數(shù)；分析和測試了噴焊層的微觀組織和結(jié)構(gòu)及耐磨性能。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴焊層主要由：-fe、cr23c6 、(cr,fe)7c3以及 nib、萊氏體等 化合物相組成。焊層冶金結(jié)合較好，組織致密，稀釋率低，無裂紋、夾雜等缺陷。同 時(shí)擁有

3、較高的硬度（5559hrc）和耐磨性，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：鐵基合金粉末、等離子噴焊、石油鉆桿接頭、組織、性能 abstract oil drill pipe joint is the important component of connecting the upper and lower drill pipes in the oil exploration and exploitation under drilling, because it works in the environment of having more sand and full of certain c

4、orrosive media pit in the long-term,so its excellent wear resistance and corrosion resistance are required. in order to improve their wear and orrosion resistance, improve their life. at present, many enterprises spray a wear- resistant layer in the joint surface using the method of powder plasma sp

5、ray.although cobalt, nickel powder wear and corrosion resistance is better, but expensive, the cost is too high. the project plans to develop a kind of iron-based alloy powder material for the oil drill pipe joint so as to reduce the production costs. the project designes iron-based alloy powder com

6、position for the oil drill pipe joint.and producting the alloy powder by mechanical alloying.welding in the low carbon steel substrate by plasma spray welding method.adjusting the optimum spray parameters.analysis and testing the microstructure and wear resistance of the spray layer. the results sho

7、w that spray coating mainly composed of: -fe, cr23c6, (cr, fe) 7c3, and nib, and the ledeburite phase.the metallurgical bonding of spray layer is well ,the organization is dense,the dilution is low,no cracks、inclusions and other defects. at the same time,the spray layer has a higher hardness (55 59h

8、rc) and wear resistance,and with great value. key words: iron-based alloy powder, plasma spray, oil drill pipe joints, microstructure, properties 目目 錄錄 第一章第一章 緒緒 論論 .1 1 1.1 前言.1 1.2 熱噴焊技術(shù).1 1.2.1 熱噴焊技術(shù)的原理.1 1.2.2 熱噴焊技術(shù)的特點(diǎn).1 1.3 等離子噴焊.2 1.3.1 等離子噴焊的原理及特點(diǎn) .2 1.3.2 影響等離子噴焊層質(zhì)量的主要工藝參數(shù) .3 1.3.3 噴焊用粉末 .6

9、1.3.4 等離子噴焊的應(yīng)用范圍 .7 1.3.5 國內(nèi)外等離子噴焊備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .9 1.4 石油鉆桿接頭.12 1.4.1 石油鉆桿接頭井下工作環(huán)境.12 1.4.2 石油鉆桿接頭的失效形式及使用壽命 .12 1.4.3 國外對石油鉆桿接頭的研究現(xiàn)狀 .13 1.5 本課題研究背景及意義.13 第二章第二章 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法 .1414 2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備.14 2.1.1 基體材料.14 2.1.2 噴焊材料.14 2.1.3 噴焊設(shè)備 .14 2.1.4 擺動(dòng)式球磨機(jī) .15 2.2 鐵基合金粉末的研制.16 2.2.1 合金粉末成分設(shè)計(jì) .16 2.2

10、.2 合金粉末的制備 .17 2.2.3 粉末的性能 .18 2.3 實(shí)驗(yàn)方法.19 2.3.1 噴焊試驗(yàn)方法.19 2.3.2 等離子噴焊焊接工藝參數(shù) .20 2.3.3 噴焊層試樣的制備及組織觀察 .20 2.4 噴焊層組織分析及性能測定.20 2.4.1 硬度的測定 .20 2.4.2 噴焊層物相分析 .21 2.4.3 耐磨性試驗(yàn).21 第三章第三章 噴焊層的微觀組織與性能分析噴焊層的微觀組織與性能分析 .2222 3.1 噴焊層硬度分析.22 3.1.1 噴焊層的結(jié)合強(qiáng)度.22 3.1.2 噴焊層的顯微硬度.22 3.1.3 噴焊層的宏觀硬度.24 3.2 焊層的磨損性能.25 3.

11、2.1 鐵基噴焊層的磨粒磨損機(jī)理 .25 3.2.2 噴焊層和基體在油潤滑下的磨損.26 3.3 噴焊層的微觀組織分析.27 3.3.1 焊層的微觀組織特點(diǎn) .27 3.3.2 熔合區(qū)，熱影響區(qū)及基體母材區(qū)的微觀組織特點(diǎn) .30 3.4 噴焊層缺陷分析.31 3.4.1.氣孔.31 3.4.2 改善措施 .32 第四章第四章 結(jié)論結(jié)論 .3333 致謝致謝 .3434 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .3535 第一章第一章 緒緒 論論 1.11.1 前言前言 磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械零部件，工程構(gòu)件的三大主要破壞形式，它們所導(dǎo)致的 經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，其中由于磨損、腐蝕導(dǎo)致的機(jī)件失效與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失占非常大

12、的比重。我國對摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行全面徹底的調(diào)查分析，指出：此項(xiàng)損失 至少占國民總產(chǎn)值的 1.8%。在美國國家材料政策委員會(huì)向美國國會(huì)提出一份報(bào)告中 指出：由于摩擦磨損引起的損失，使美國經(jīng)濟(jì)每年支付 1000 億美元的巨額資金，這 項(xiàng)損失中的材料部分約為 200 億美元1。 眾所周知，磨損和腐蝕均是發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過程，而且其它形式的機(jī) 件失效有許多是從表面開始，為了解決材料的磨損和腐蝕，需要采取表面防護(hù)措施延 緩和控制表面的破壞。在解決的同時(shí)，促進(jìn)了表面工程科學(xué)與表面技術(shù)的形成與發(fā)展。 表面工程技術(shù)是表面處理、表面涂（鍍）層及表面改性的總稱，表面工程技術(shù)圍 繞腐蝕、摩擦和功能特

13、性（聲、光、磁、電的轉(zhuǎn)換等）三大要素，成為 20 世紀(jì) 80 年 代世界十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，將成為 21 世紀(jì)主導(dǎo)技術(shù)之一2。表面工程技術(shù)是通過運(yùn)用 各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過程來改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或形成特 殊覆層，使基材表面具有不同于基材的某種特殊性能，從而達(dá)到特定的使用要求。該 技術(shù)不僅用于維修業(yè)，還用于制造業(yè)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，表面工程技 術(shù)日益受到世界各國的重視，發(fā)展了各種用于表面工程的新型工藝技術(shù)，包括表面改 性技術(shù)，表面薄膜制備技術(shù)和表面涂層技術(shù)3。 1.21.2 熱噴焊技術(shù)熱噴焊技術(shù) 熱噴焊主要包括粉末火焰噴焊和等離子弧噴焊，噴焊在范疇上也屬于熱噴涂，

14、是 在噴涂層的基礎(chǔ)上，加熱保溫使涂層與基體形成冶金結(jié)合，大致可分為火焰噴焊和等 離子弧噴焊兩類。火焰噴焊通常是先形成涂層，之后再用火焰加熱涂層，又稱其為 “重熔”處理。而等離子弧噴焊涂層的形成與隨后的加熱是同時(shí)發(fā)生的。經(jīng)噴焊涂層 與基體形成的是牢固的冶金結(jié)合，對高溫下承受熱沖擊的熱模具處理尤為適用。 1.2.1 熱噴焊技術(shù)的原理熱噴焊技術(shù)的原理 采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實(shí)現(xiàn)涂層與基體之間、涂 層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙，這就是熱噴焊技術(shù)4。 1.2.2 熱噴焊技術(shù)的特點(diǎn)熱噴焊技術(shù)的特點(diǎn) 噴焊與噴涂過程不同，合金粉末在基材表面有一個(gè)重熔并鋪展的過程，因此決定 了噴焊

15、的如下幾個(gè)基本特點(diǎn)5： （1）熱噴焊層組織致密，冶金缺陷很少，與基材結(jié)合強(qiáng)度高，這是熱噴焊層與 熱噴涂技術(shù)相比的最大優(yōu)點(diǎn)。熱噴焊層與基材為冶金結(jié)合，其強(qiáng)度是一般熱噴涂層的 10 倍。特別是熱噴焊技術(shù)可以涂覆超過幾個(gè)毫米厚的涂層而不開裂，這是普通熱噴涂 技術(shù)無法達(dá)到的。因此熱噴焊層可以用于重載零件的表面強(qiáng)化與修復(fù)。 （2）熱噴焊材料必須與基材相匹配，噴焊材料和基材范圍比熱噴涂窄得多，這 主要是因?yàn)槿缦聨讉€(gè)原因：第一，噴焊材料在液態(tài)下應(yīng)該能夠在基材表面鋪展開，即 能夠潤濕基材；第二，噴焊材料必須能夠與基材相容，即它們在液相和固相下必須有 一定的溶解度，否則無法形成熔合區(qū)，亦即無法形成冶金結(jié)合；第三

16、，基材的熔點(diǎn)應(yīng) 該高于噴焊材料的熔點(diǎn)，否則容易導(dǎo)致基材塌陷或者工件損壞；第四，熱噴焊材料在 凝固結(jié)晶過程中，應(yīng)該盡量避免產(chǎn)生熱裂紋，或者使基材熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。因此， 熱噴焊工藝只能適合與一些特定的金屬材料（包括基材與粉末） 。 （3）熱噴焊工藝中基材的變形比熱噴涂大得多，由于熱噴焊時(shí)要求粉末完全熔 透，因此基材受熱時(shí)間比較長，表面達(dá)到的溫度比熱噴涂高得多，導(dǎo)致基材的變形較 大、熱影響區(qū)較深等。因此，對于一些形狀復(fù)雜、易熱變形的零件，無法使用熱噴焊 技術(shù)。 （4）熱噴焊層的成分與噴焊材料的原始成分會(huì)有一定差別，熱噴焊過程中基材 表面會(huì)少量熔化，并與噴焊材料發(fā)生合金化，導(dǎo)致噴焊層的成分與原來設(shè)計(jì)

17、的噴焊材 料成分有差異。一般將基材熔入噴焊層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為噴焊層的稀釋率，用公式(1- 1)表示為 (1-1) %100 ba b 式中， 為噴焊層的稀釋率；a 為噴焊的金屬質(zhì)量；b 為基材熔化的金屬質(zhì)量。顯然， 稀釋率越大，噴焊層的性能與原設(shè)計(jì)成分偏離越遠(yuǎn)。因此，必須控制噴焊工藝參數(shù)， 以便控制噴焊層的稀釋率。 1.31.3 等離子噴焊等離子噴焊 1.3.11.3.1 等離子噴焊的原理及特點(diǎn)等離子噴焊的原理及特點(diǎn) 等離子噴焊技術(shù)是采用等離子弧作為熱源加熱基體，使其表面形成熔池，同時(shí)將 噴焊粉末材料送入等離子弧中，粉末在弧柱中得到預(yù)熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，被焰 流噴射至熔池后，充分熔化并排出

18、氣體和熔渣，噴槍移開后合金熔池凝固，形成噴焊 層的工藝過程。 等離子噴焊采用的等離子弧與等離子噴涂的有區(qū)別。等離子噴涂時(shí)，等離子弧建 立在噴槍內(nèi)鎢陰極與銅陽極噴嘴之間，工件不帶電，稱為非轉(zhuǎn)移弧。而等離子噴焊則 采用非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧的聯(lián)合弧，所謂轉(zhuǎn)移弧是建立在噴焊槍鎢陰極頭和工件（陽極） 之間的等離子弧，它對工件的加熱能力比非轉(zhuǎn)移弧強(qiáng)，是噴焊過程中的主要熱源，因 此稱為主弧。在工作時(shí)首先引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后借助弧在鎢的非轉(zhuǎn)移極和工件之間形 成的等離子體導(dǎo)電通道，建立轉(zhuǎn)移弧。 圖 1-1 等離子噴槍結(jié)構(gòu)圖 等離子噴焊設(shè)備與等離子噴涂設(shè)備基本類似，但用單電源同時(shí)供應(yīng)非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn) 移弧不太穩(wěn)定，因此通常

19、采用兩臺(tái)電源分別向非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧供電。等離子噴焊槍 （圖1-1）與等離子噴涂槍結(jié)構(gòu)也有所不同，主要區(qū)別在于噴嘴中等離子弧通道的長 度和直徑比（稱為壓縮比）比較小，通常在11.4之間。這樣等離子弧比較柔軟，熔 池小，稀釋率低。 等離子噴焊的前、后處理工藝及注意事項(xiàng)與氧-乙炔火焰噴焊相同，只是噴焊過 程中需控制的工藝參數(shù)更復(fù)雜一些，如轉(zhuǎn)移弧電壓和電流，非轉(zhuǎn)移弧電流、噴焊速度、 送粉量、離子氣和送粉氣、噴焊槍擺動(dòng)和幅度，噴嘴距工件距離等。只要經(jīng)過預(yù)先分 析和試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)，就可精確控制噴焊過程，重復(fù)性比氧-乙炔火焰噴焊 好。 等離子噴焊的材料范圍比較寬，特別是可以噴焊難熔材料。它所用粉末的

20、粒度與 氧-乙炔火焰噴焊的一樣，比熱噴涂用粉末粒度要稍大一些。 與其它涂層技術(shù)相比，等離子噴焊技術(shù)的主要特點(diǎn)如下： （1）生產(chǎn)效率高 因?yàn)榈入x子噴焊溫度高、傳熱率大，因此噴焊速度高，生產(chǎn) 率也高，并能順利地進(jìn)行難熔材料的噴焊。 （2）稀釋率低 為保持噴焊層的性能，要求基體材料熔入噴焊層的比例少，即 稀釋率低。等離子弧溫度高、能量集中、弧穩(wěn)定性和可靠性好，因此可以在保證稀釋 率低（控制到5%）的同時(shí)，保持較高的熔敷率。 （3）工藝穩(wěn)定性好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 （4）噴焊層成分、組織均勻 噴焊層平整光滑，尺寸可以得到較精確地控制， 可獲得在0.258mm之間任意厚度的噴焊層6。 1.3.21.3.2

21、影響等離子噴焊層質(zhì)量的主要工藝參數(shù)影響等離子噴焊層質(zhì)量的主要工藝參數(shù) 等離子噴焊主要的工藝參數(shù)有轉(zhuǎn)移弧電壓和電流、非轉(zhuǎn)移弧電流、送粉量、離子 氣和送粉氣流量、焊槍擺動(dòng)頻率和幅度、噴嘴與工件之間的距離等7。往往要通過反 復(fù)試驗(yàn)才能得到對于各種不同基體、不同噴焊層的最佳噴焊工藝，下面僅就選擇和確 定影響噴焊層性能的主要噴焊工藝參數(shù)的某些原則進(jìn)行討論。 1.3.2.11.3.2.1 轉(zhuǎn)移弧電壓和電流轉(zhuǎn)移弧電壓和電流 轉(zhuǎn)移弧是等離子噴焊的主要熱源，噴焊電流和電壓是影響工藝指標(biāo)最重要的參數(shù)。 在噴焊過程中，轉(zhuǎn)移弧電壓隨噴焊電流的增加近似呈線性上升。在焊槍和其他參數(shù)確 定的情況下，噴焊電流在較大范圍內(nèi)變動(dòng)

22、時(shí)電弧電壓變化卻不大。雖然噴焊過程中電 弧電壓變化較小，但電弧電壓的基數(shù)值卻是很重要的，它影響電弧功率的大小。電弧 電壓的基數(shù)值主要取決于噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴與工件之間的距離。 在等離子噴焊過程中，轉(zhuǎn)移弧電流變化主要影響到以下幾個(gè)方面。 工件熔深和噴焊層稀釋率 隨著噴焊電流的加大，過渡到工件噴焊面的熱功率 增加，熔池溫度升高，熱量增加，使工件熔深和稀釋率增加。 熔敷率和粉末利用率 送粉量確定以后，要使粉末充分熔化，需要足夠的熱量， 因此等離子噴焊的轉(zhuǎn)移弧電流不能低于一定的數(shù)值。轉(zhuǎn)移弧電流對粉末熔化狀況的影 響見表 1-2 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移弧電流小于一定數(shù)值時(shí)，未熔化的合金粉末飛散多， 粉末利用率

23、很低。 表 1-2 轉(zhuǎn)移弧電流對粉末熔化狀況的影響 轉(zhuǎn)移弧電流/a粉末熔化及成形情況轉(zhuǎn)移弧電流/a粉末熔化及成形情況 120合金粉末嚴(yán)重飛濺，焊 道成形很差 160210合金粉末充分熔化，焊 道成形良好 120140合金粉末有飛濺，焊道 成形不好 210熔深過大，熔池翻泡， 焊道成形不好 噴焊層質(zhì)量 轉(zhuǎn)移弧電流過小時(shí)，熔池?zé)崃坎粔?，工件表面不能很好熔合，?末熔化不充分，造成未熔透、氣孔、夾雜等缺陷，同時(shí)焊道寬厚比小、成形差；電流 過大時(shí)，稀釋率過大使噴焊層合金成分變化，噴焊層性能顯著降低。 1.3.2.21.3.2.2 非轉(zhuǎn)移弧電流非轉(zhuǎn)移弧電流 非轉(zhuǎn)移弧首先起過渡引燃轉(zhuǎn)移弧的作用。在等離子噴

24、焊中，一種情況是保留非轉(zhuǎn) 移弧，采用聯(lián)合弧工作；另一種情況是當(dāng)轉(zhuǎn)移弧引燃后，將非轉(zhuǎn)移弧衰減并去除。采 用聯(lián)合弧工作時(shí)，保留非轉(zhuǎn)移弧的目的是使非轉(zhuǎn)移弧作為輔助熱源，同時(shí)有利于非轉(zhuǎn) 移弧的穩(wěn)定。非轉(zhuǎn)移弧的存在不利于噴嘴的冷卻。非轉(zhuǎn)移弧電流一般為 60-100a，而 作為聯(lián)合弧中的非轉(zhuǎn)移弧電流應(yīng)更小些，須根據(jù)轉(zhuǎn)移弧電流大小適當(dāng)選擇。 1.3.2.31.3.2.3 噴焊速度噴焊速度 是表示噴焊過程進(jìn)行快慢的參數(shù)。噴焊速度和熔敷率是直接聯(lián)系在一起的。在保 持噴焊層寬度和厚度一定的條件下，噴焊速度快，熔敷效率就高。提高噴焊速度使噴 焊層減薄、變窄，工件熔深減小，噴焊層稀釋率降低；當(dāng)噴焊速度增加到一定程度時(shí)

25、， 成形惡化，易出現(xiàn)未焊透、氣孔等缺陷。一般根據(jù)噴焊工件的大小，電弧功率、送粉 量等合理選擇噴焊速度。 1.3.2.41.3.2.4 送粉量送粉量 是指單位時(shí)間內(nèi)從焊槍送出的合金粉末量，一般用 g/min 表示。在等離子噴焊過 程中，其他參數(shù)不變的情況下，改變噴焊速度和送粉量，熔池的熱狀態(tài)發(fā)生變化，從 而影響噴焊層質(zhì)量。增加送粉量，工件熔深減小，當(dāng)送粉量增加到一定程度時(shí)，粉末 熔化不好、飛濺嚴(yán)重，易出現(xiàn)未焊透。 在保證噴焊層成形尺寸一致的條件下，增加送粉量要相應(yīng)地提高噴焊速度。為了 使合金粉末熔化良好，保證噴焊質(zhì)量，要相應(yīng)加大噴焊電流，使熔池的熱狀態(tài)維持不 變，以便提高熔敷率。 噴焊速度和送粉

26、量的大小反映噴焊生產(chǎn)率，從提高生產(chǎn)率角度出發(fā)，希望采用高 速度、大送粉量、大電流噴焊。但噴焊速度和送粉量受到焊槍性能、電源輸出功率等 因素的制約。因此對具體工件，要合理選擇噴焊速度和送粉量。 1.3.2.51.3.2.5 離子氣和送粉氣流量離子氣和送粉氣流量 （1）離子氣流量 離子氣是形成等離子的工作氣體，對電弧起壓縮作用，并對 熔池起保護(hù)作用。氣流量大小直接影響電弧穩(wěn)定性和壓縮效果。氣流量過小，對電弧 壓縮弱，造成電弧不穩(wěn)定；氣流量過大，對電弧壓縮過強(qiáng)，增加電弧剛度，致使熔深 加大。離子氣流量要根據(jù)噴嘴孔徑大小、非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧的工作電流大小來選擇。 噴嘴孔徑大，工作電流大，氣流量要偏大；離

27、子氣流量一般以 300-500l/h 為宜。 （2）送粉氣流量 送粉氣主要起輸送合金粉末作用，同時(shí)也對熔池起保護(hù)作用。 合金粉末借助于送粉氣的吹力，能順利地通過管道和焊槍被送入電弧。氣流量過小， 粉末易堵塞；氣流量過大，對電弧有干擾。送粉氣流量主要根據(jù)送粉量的大小和合金 粉末的粒度、松裝密度來選擇。送粉量大、松裝密度大時(shí)，氣流量應(yīng)偏大。送粉氣流 量一般在 300-700l/h 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 1.3.2.61.3.2.6 焊槍擺動(dòng)頻率和幅度焊槍擺動(dòng)頻率和幅度 焊槍擺動(dòng)是為了一次噴焊獲得較寬的噴焊層，擺動(dòng)幅度一般依據(jù)噴焊層的要求而 定。單位時(shí)間內(nèi)焊槍擺動(dòng)次數(shù)稱為焊槍擺動(dòng)頻率（次/min） 。擺動(dòng)頻

28、率應(yīng)保證電弧對 噴焊面的均勻加熱，避免焊道邊緣出現(xiàn)“鋸齒”狀。擺動(dòng)頻率和幅度要配合好，一般 擺幅寬，擺頻要適當(dāng)減慢；擺幅窄，擺頻可適當(dāng)加快，以保證基體受熱均勻，避免未 熔合的現(xiàn)象。 1.3.2.71.3.2.7 噴嘴與工件之間的距離噴嘴與工件之間的距離 噴嘴與工件之間的距離反應(yīng)轉(zhuǎn)移弧的電壓。距離過高，電弧電壓偏高，電弧拉長， 使電弧在這段距離內(nèi)未經(jīng)受噴嘴的壓縮，而弧柱直徑擴(kuò)張，受周圍空氣影響使得電弧 穩(wěn)定性和熔池保護(hù)變差。距離過低，粉末在弧柱中停留時(shí)間短，不利于粉末在弧柱中 預(yù)先加熱，熔粒飛濺粘接在噴嘴端面現(xiàn)象較嚴(yán)重。噴嘴與工件之間的距離根據(jù)噴焊層 厚薄及噴焊電流大小，在 10-20mm 范圍

29、內(nèi)調(diào)整。 1.3.31.3.3 噴焊用粉末噴焊用粉末 等離子弧噴焊用的合金粉末主要有鎳基、鈷基、鐵基及含 wc 型粉末四大類8。為 了在噴焊過程中能通暢地送粉，要求粉末的形狀為球形，粒度應(yīng)控制在 0.0710.280mm（60200 目）之間。粉末應(yīng)干燥、不結(jié)塊。粉中應(yīng)嚴(yán)格控制不摻有 纖維、碎紙、塑料等雜物。合金粉末不用時(shí)，應(yīng)保存在密封容器中，不得受潮。長期 放置的粉末在使用前，應(yīng)于 100150溫度下烘干后再使用。 1.3.3.1 自熔性合金自熔性合金 所謂自熔性合金，就是指含硼和硅等脫氧元素且熔點(diǎn)低，在加熱熔化過程中，合 金的成份能還原自身及基材的氧化物，形成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽渣覆蓋于表面，

30、防止合 金的氧化并改善潤濕性能，使合金與基材得到良好的冶金結(jié)合的合金材料。自熔性合 金的焊層與基材的結(jié)合強(qiáng)度一般為 30-50kgf/mm2(300-500mpa).。根據(jù)不同的化學(xué)組成， 可以得到 hrc15-65 的不同硬度的焊層。噴焊工藝主要適合于沖擊負(fù)載較大，熱疲勞 環(huán)境及對工件變形要求不嚴(yán)格的地方。 1.3.3.21.3.3.2 鎳基噴焊粉末鎳基噴焊粉末 鎳基噴焊粉末是當(dāng)前應(yīng)用最多的自熔合金粉末。鎳基噴焊粉末有兩個(gè)系列： 最早的自熔合金以鎳基合金為基礎(chǔ)。當(dāng)鎳和幾種元素，如硼、硅、鉻、鉬和銅等組成 的自熔合金時(shí)，合金熔點(diǎn)降低到易被氧-乙炔火焰所熔化的范圍。鎳的熔點(diǎn)為 1453， 加入適

31、量硼、硅和其它元素后，合金具有溫度在 1000左右的固液相狀態(tài)，而且可在 hrc25hrc65 之間調(diào)節(jié)硬度，并具有耐磨、耐蝕和抗氧化性能，鎳硼硅合金是在鎳中 加入適量的硼、硅元素形成的。其粉末顆粒呈球形，合金熔點(diǎn) 9001100。 鎳硼硅合金可用于鑄鐵、鋼、不銹鋼以及工作溫度低于 600的零部件的防護(hù)和 修復(fù)。特別適用于硬度要求不高的玻璃模具、塑料、橡膠模具的防護(hù)和修復(fù)以及鐵、 鋼鑄件缺陷的修補(bǔ)。 鎳鉻硼合金粉末是在鎳硼硅合金中加入碳、鉻元素，便形成鎳鉻硼合金。這類合 金具有優(yōu)良的自熔性，用途最為廣泛。粉末顆粒呈良好的球形。鉻在合金中溶解于鎳， 形成 ni、cr 固溶體而增加合金強(qiáng)度，并提高

32、合金的抗氧化性和耐蝕性。除此之外， 鉻還能生成硼化鉻（cr2b,crb）和碳化鉻（cr23c6,cr7c3）等硬質(zhì)化合物，與鎳的硼化 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，合金的硬度可以從 hrc25 提高到 hrc65，但合金的韌性相應(yīng)降 低。 由于鎳鉻硼硅是以鎳鉻為基礎(chǔ)的合金，故具有良好的耐蝕性，對大氣、海水、蒸 汽、堿、鹽、硫酸、鹽酸等都有較好的抗腐蝕能力，優(yōu)于 18-8 型不銹鋼。鎳鉻硼硅 自熔合金綜合性能優(yōu)良，用途廣泛，可用于強(qiáng)化和修復(fù)承受金屬摩擦磨損的工件，各 種應(yīng)力磨料磨損的零件、耐蝕件和工作溫度不超過 70

33、0的零件、以及鑄鐵、鋼件缺 陷的補(bǔ)修。 1.3.3.31.3.3.3 鈷基噴焊粉末鈷基噴焊粉末 鈷是昂貴的金屬，鈷基自熔合金是在 stellite 合金的基礎(chǔ)上添加適量的 b、si 元素而創(chuàng)造的。鈷基自熔性合金具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕、耐氣蝕、耐氧化、耐磨損 等綜合性能，其紅硬性優(yōu)于 ni 基合金。由于價(jià)格昂貴，一般采用粉末利用率高的等 離子噴焊工藝，用在要求高穩(wěn)硬度或耐氣蝕磨損的場合，如過熱蒸汽閥門密封面、發(fā) 動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣閥密封面、熱作模具等。 1.3.3.41.3.3.4 鐵基自熔性合金鐵基自熔性合金 大量在常溫或中溫下和弱酸介質(zhì)中工作，要求有良好耐磨損性能的工件，不不必 要都采用昂貴的鎳基和

34、鈷基合金。因此，發(fā)展了一系列適應(yīng)噴焊工藝要求的鐵基自熔 性合金，取得了良好的應(yīng)用效果。 鐵基噴焊粉末有以下兩種類型: 不銹鋼型鐵基噴焊粉末 不銹鋼型鐵基自熔合金是在不銹鋼成分的基礎(chǔ)上添加適量的 b、si 元素而研制的。 通過調(diào)整 c、b、si、ni 的含量來調(diào)整合金的硬度，并通過添加其它合金元素來改善 合金的性能。應(yīng)用較普遍的 18-8cr-ni 型，典型的品種是 wf311 和 wf312。18-8 不銹 鋼添加 b、si 元素后，合金硬度和耐擦傷性顯著提高，大大優(yōu)于原 18-8 不銹鋼，用 于中溫中壓閥門密封面，成倍提高了使用壽命。 高鉻鑄鐵型鐵基噴焊粉末 高鉻鑄鐵型鐵基自熔合金是在高鉻鑄

35、鐵耐磨合金成分的基礎(chǔ)上添加 b、si、ni 元 素而創(chuàng)造的，由于這種合金中含有較高的碳和鉻，會(huì)形成大量的高硬度的碳化鉻強(qiáng)化 相，所以合金硬度較高，有極高的耐磨性。鐵基自熔合金粉末適用于鐵路鋼軌的修補(bǔ)， 以及石油鉆探、農(nóng)機(jī)部件、建筑和礦山機(jī)械等抗磨損零件的強(qiáng)化和修復(fù)。 1.3.3.51.3.3.5 碳化鎢彌散型噴焊粉末碳化鎢彌散型噴焊粉末 碳化鎢彌散型自熔合金粉末是在各種鎳基、鐵基、鈷基自熔合金粉末中加入一定 量的碳化鎢而制成的。 這種合金中由于超硬的碳化鎢顆粒彌散在自熔合金中，就顯著地提高了合金的硬 度，使其具有極高的耐磨性。 1.3.41.3.4 等離子噴焊的應(yīng)用范圍等離子噴焊的應(yīng)用范圍 統(tǒng)

36、計(jì)資料表明，美國工業(yè)生產(chǎn)中因磨損和腐蝕每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上千億美 元，約占國民經(jīng)濟(jì)總值的 2%4%。我國電力、冶金、采礦、化工、建材、石油鉆井和 機(jī)械制造業(yè)每年僅備件磨損消耗的鋼材在 200 萬噸以上，加上能源消耗及零部件更換 停工造成的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)數(shù)百億元人民幣。因此，采用等離子噴焊修復(fù)技術(shù)來提高 設(shè)備使用壽命，可有效地避免相當(dāng)一部分因零部件損壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失。 等離子噴焊修復(fù)具有生產(chǎn)效率高，噴焊層稀釋率低，質(zhì)量穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 等特點(diǎn)。粉末噴焊是目前應(yīng)用最廣泛的一種等離子弧噴焊方法，特別適合于軸承、軸 頸、閥門板和座、渦輪葉片等零部件的噴焊。 國產(chǎn)粉末等離子弧噴焊機(jī)有幾種型號(hào)，

37、例如 luf4-250 型粉末等離子弧噴焊機(jī)可 以用來噴焊各種圓形焊件的外圓或端面，也可進(jìn)行直接噴焊。最大焊件直徑達(dá) 500mm, 直線長度達(dá) 800mm.一次噴焊的最大寬度為 50mm.可用于各種閥門密封面的噴焊，高溫 排氣閥門噴焊，以及對軋輥、軸磨損后修復(fù)等。 根據(jù)噴焊合金的成分，等離子弧噴焊用的合金粉末主要有鎳基、鈷基和鐵基三類。 鎳基合金粉末主要是鎳鉻硼硅合金，熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，具有良好的耐磨、耐蝕、 耐熱和抗氧化等綜合性能。主要用于噴焊閥門、泵柱塞、轉(zhuǎn)子、密封環(huán)、刮板等耐高 溫、耐磨零件。 鈷基合金粉末除具有較好的耐磨，耐腐蝕性能外，比鎳基合金粉末具有更好的紅 硬性、耐熱性和抗氧化性

38、，但價(jià)格昂貴。主要用于高溫高壓閥門鍛模、熱剪切刀具、 軋鋼機(jī)導(dǎo)軌等噴焊。 鐵基合金粉末成本低、耐磨性好并具有一定的耐蝕、耐熱性能。噴焊受強(qiáng)烈磨損 的零件如破碎機(jī)輥、挖掘機(jī)鏟齒、泵套、排氣葉片、高溫高壓閥門等。 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對各種機(jī)械零部件的使用壽命要求越來越高，采用等離子弧噴焊 技術(shù)提高機(jī)械零部件表面的抗磨損性能，越來越受到各工業(yè)生產(chǎn)部門的重視。等離子 弧噴焊與修復(fù)的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高和質(zhì)量穩(wěn)定，尤其是表面噴焊層的結(jié)合強(qiáng)度和 致密性高于火焰噴焊或噴涂以及一般電弧噴焊或噴涂。這是等離子噴焊修復(fù)獲得廣泛 應(yīng)用的一個(gè)重要原因。 可利用等離子噴焊技術(shù)獲得具有高耐磨性的復(fù)合噴焊層，這種方法是將高硬度

39、顆 粒均勻地鑲嵌于噴焊層金屬中，硬質(zhì)顆粒不產(chǎn)生熔化或很少熔化，形成復(fù)合噴焊層。 這種復(fù)合噴焊層是由兩種以上在宏觀上具有不同性質(zhì)的一種材料組成。一種是在噴焊 層中起耐磨作用的碳化物硬質(zhì)顆粒，一般為鑄造碳化鎢，它是由 wc 和 w2c 的共晶組 成，硬度為 25003000hv。噴焊層的另一種組成金屬是起“黏結(jié)”作用的基體金屬， 也稱為胎體金屬。 采用等離子噴焊技術(shù)獲得的復(fù)合噴焊層質(zhì)量穩(wěn)定可靠，可使噴焊層達(dá)到無氣孔、 裂紋以及沒有碳化物燒損、溶解等缺陷，碳化物顆粒在噴焊層中分布均勻、耐磨性高。 在磨損嚴(yán)重的工況條件下，復(fù)合噴焊層的耐磨性尤為突出，可以比通常的鐵基、鈷基、 鎳基合金表面保護(hù)層提高耐磨

40、使用壽命幾倍甚至幾十倍，噴焊合金層結(jié)合強(qiáng)度是熱噴 涂層結(jié)合強(qiáng)度的 38 倍9。 1.3.51.3.5 國內(nèi)外等離子噴焊備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外等離子噴焊備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 等離子噴焊技術(shù)是隨著現(xiàn)代航空、航天技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，已廣泛應(yīng)用 于航空、航天、軍事、紡織、機(jī)械、電力、生物工程等各個(gè)領(lǐng)域，是一項(xiàng)應(yīng)用相當(dāng)廣 泛的熱噴涂技術(shù)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，熱噴焊技術(shù)，特別是等離子噴焊的工藝及設(shè) 備又重新興起，國外各噴焊設(shè)備廠家都在抓住機(jī)會(huì)不遺余力地進(jìn)行新設(shè)備的開發(fā)和市 場開拓工作，國內(nèi)也出現(xiàn)新的競爭局面總體來說，當(dāng)前國外先進(jìn)的等離子噴焊設(shè)備發(fā) 展方向有軸向送粉技術(shù)、多功能集成技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)10。

41、1.3.5.11.3.5.1 國外等離子噴焊設(shè)備國外等離子噴焊設(shè)備 1.3.5.1.11.3.5.1.1 axialaxial iiiiii 型等離子噴焊設(shè)備型等離子噴焊設(shè)備 axial iii 為加拿大 mettech 公司開發(fā)出的三陰極軸向送粉等離子噴焊系統(tǒng)。傳 統(tǒng)的槍外送粉方式是將粉末從徑向送入等離子焰流，這樣就會(huì)有部分粉末穿過或沒有 進(jìn)入等離子焰流，既降低了粉末的沉積效率，又影響了涂層質(zhì)量，見圖 1-2。而 axial iii 則可完全避免這些缺點(diǎn)。axial iii 軸向送粉噴槍包括 3 對相對獨(dú)立的陽 極和陰極，噴槍起弧后 3 個(gè)電弧通過集束器在噴嘴處匯集，粉末通過一根位于噴槍軸

42、向的送粉柱送入噴嘴匯集處，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的軸向送粉，見圖 1-3。與傳統(tǒng)的 槍外送粉等離了噴焊設(shè)備相比，axial iii 的主要優(yōu)點(diǎn)是高沉積效率、高送粉速率、 低孔隙率和較高的涂層硬度，對粉末粒度分布要求不高。如用 axial iii 噴焊 cr2o3 時(shí)的沉積效率為 45%75%，送粉量為 3090 g/ min,硬度(hv 300) 為 1 3001 600,孔 隙率為 0. 3%0. 5%。由于 axial iii 提高了粉末的沉積效率，因而相應(yīng)降低了噴焊 成本。如噴焊 wc-co 時(shí)，axial iii 可以比 hvof 節(jié)省 75%80%的時(shí)間。日前，采用 熱噴焊工藝代替電鍍鉻

43、成為新的研究方向，axial iii 己經(jīng)在許多領(lǐng)域替代了電鍍鉻， 材料方面包括 wc-co, cr- nicr, ti, nicrbsi 等。此外，axial iii 在制備要求較高 的涂層方面，如網(wǎng)紋傳墨輥涂層、報(bào)紙印刷輥涂層等也具有明顯的優(yōu)勢。 日前看來，采用傳統(tǒng)的槍外送粉方式已很難使焊層質(zhì)量得到較大的提高。而 axial iii 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的軸向送粉，有可能使等離了噴焊涂層質(zhì)量邁上一個(gè)新 臺(tái)階。 圖 1-2 槍外送粉等離子噴槍送粉示意圖 圖 1-3 三陰極軸向送粉等離子噴槍送粉示意圖 1.3.5.1.21.3.5.1.2 multicoatmulticoat 型等離子噴焊設(shè)備型等

44、離子噴焊設(shè)備 multicoat 為全球最大的熱噴涂公司瑞士 sulzer metco 公司研制的最新型的 等離了噴焊設(shè)備。multicoat 的設(shè)計(jì)基于“平臺(tái)”概念，即使用相同的主平臺(tái)，配備 不同的軟硬件及相應(yīng)組件，可以實(shí)現(xiàn)不同的噴焊工藝。主平臺(tái)由操作臺(tái)、過程控制中 心和氣體管理中心組成，這是 sulzer metco 第一次將 pc 機(jī)的先進(jìn)性(過程再現(xiàn)、數(shù) 據(jù)管理)和 plc 的穩(wěn)固性結(jié)合起來。multicoat 可以進(jìn)行大氣等離了噴焊(aps)、真空 等離了焊焊(vps)和超音速火焰噴焊(hvof)。在系統(tǒng)配備上，multicoat 包括操作臺(tái)、 過程控制中心、氣體管理中心、熱交換器、

45、送粉器、轉(zhuǎn)接柜、電源、噴槍等。與以前 的等離了噴焊設(shè)備相比，multicoat 將氣體部分獨(dú)立出來，這樣既可以避免其它電路 對質(zhì)量流量計(jì)的干擾，又可以避免氫氣泄漏發(fā)生危險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性。 1.3.5.1.31.3.5.1.3 5500-5500- 20002000 型等離子噴焊設(shè)備型等離子噴焊設(shè)備 5500- 2000 為美國 praxair- tafa 公司開發(fā)的等離了噴焊系統(tǒng)。5500- 2000 采 用專有軟件實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測等離了弧的實(shí)際能量，即凈能量。采用凈能量算法可以使 等離了噴焊系統(tǒng)的閉環(huán)控制提高到一個(gè)新的水平。操作者鍵入優(yōu)化參數(shù)后，控制模塊 控制整個(gè)工藝過程，監(jiān)測和實(shí)時(shí)顯示

46、噴槍效率，使系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)噴槍條件而反應(yīng)，并 作出相應(yīng)調(diào)節(jié)以維護(hù)目標(biāo)等離了體能量，提供穩(wěn)定的能量輸出水平。 此外，praxair- tafa 公司還開發(fā)出了類似 multicoat 的多功能噴焊系統(tǒng) gts， 和大功率等離了噴焊系統(tǒng) p1azjet( 噴焊功率可以達(dá)到 200kw，其中 gts 可以進(jìn)行等 離了噴焊、超音速火焰噴焊和電弧噴焊。p1azjet 在國內(nèi)己有數(shù)家用戶。 1.3.5.21.3.5.2 國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備 1.3.5.2.11.3.5.2.1 gp-gp- 8080 型等離子噴焊設(shè)備型等離子噴焊設(shè)備 gp- 80 型等離子噴焊設(shè)備是由北京航空制造工程研究所

47、在 20 世紀(jì) 70 年代研制成 功的等離子噴焊設(shè)備，其組成部分為采用繼電器和浮子流量計(jì)控制的 gdp- k 型控制 柜、磁放大器二極管整流的 gdp- 80 型電源、自來水冷卻的 sr- 1 型熱交換器、送粉 輪式 sf- 1 型送粉器、p q 一 1s 乎提式噴槍、pq 一 1j 機(jī)裝式噴槍，其操作簡單，保 護(hù)環(huán)節(jié)完善，代表了當(dāng)時(shí)國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備的最高水平，為國家科委重點(diǎn)推廣等離 子噴焊技術(shù)作出了重大貢獻(xiàn)。后來通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓，該設(shè)備成為國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備的 主流產(chǎn)品，日前該型號(hào)的設(shè)備仍占國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備的 80%以上。 1.3.5.2.21.3.5.2.2 aps-aps- 200020

48、00 型等離子噴焊設(shè)備型等離子噴焊設(shè)備 aps- 2000 為北京航空制造工程研究所最新研制的等離子噴焊設(shè)備。由于 gp- 80 電源、熱交換器效率較低，電流及氣體流量控制精度較低等缺點(diǎn)，使噴焊層的質(zhì)量不 十分穩(wěn)定，難以滿足對高質(zhì)量焊層的要求。因此，北京航空制造工程研究所高能束流 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于 1995 年研制了新一代 aps- 2000 型等離子噴焊設(shè)備，見圖 1-4。該設(shè)備 采用了許多新技術(shù)，其主要組成部分為采用 plc 和質(zhì)量流量計(jì)的 aps- 2000k 型控制 柜、可控硅整流的 k- 800 型電源、氟里昂制冷式風(fēng)冷 fl-1 型熱交換器、高精度容積 式 dpsf-2 型送粉器、p

49、q-1s 乎提式噴槍、p q-1j 機(jī)裝式噴槍和轉(zhuǎn)接柜(水、電、氣 路的轉(zhuǎn)接處，可防止相互干擾，提高了系統(tǒng)的安全性，并可隨噴槍靈活移動(dòng))，總體 性能達(dá)到國外 20 世紀(jì) 90 年代水平，代表了目前國產(chǎn)等離了噴焊設(shè)備的最高水平。表 1-3 為上述兩種設(shè)備的性能對比。 圖 1-4 aps- 2000 型等離子噴焊設(shè)備 表 1-3 gp-80 型與 aps-2000 型等離子噴焊設(shè)備性能對比 比較項(xiàng)目gp-80 型 等離子噴焊設(shè)備 aps-2000 型 等離子噴焊設(shè)備 控制方式繼電器plc 氣體流量控制精度20%2% 電源效率50%90% 電流控制精度5%1% 送粉重復(fù)精度（3%5%）1% 熱交換器

50、性能自來水冷卻，浪費(fèi)水，效率低氟里昂制冷，冷卻水溫任意調(diào) 節(jié) 1.41.4 石油鉆桿接頭石油鉆桿接頭 鉆桿是石油天然氣行業(yè)進(jìn)行油氣資源勘探，開發(fā)過程中不可或缺的工具，是組成 鉆柱的主要部件。在石油勘探開采鉆井時(shí)，鉆桿接頭用于連接上、下鉆桿，是石油鉆 桿的薄弱環(huán)節(jié)，80%以上的鉆桿事故出現(xiàn)在這個(gè)部位。因此提高鉆桿接頭的質(zhì)量，是 降低事故的關(guān)鍵。 1.4.11.4.1 石油鉆桿接頭井下工作環(huán)境石油鉆桿接頭井下工作環(huán)境 據(jù)了解，目前國內(nèi)大部分油田的鉆井深度都達(dá)到了幾百米，有的甚至更深，達(dá)到 幾千米，而且?guī)r層復(fù)雜堅(jiān)硬，鉆桿在工作過程中，其外壁尤其是接頭部位要與井壁或 套管接觸，所以承受著劇烈的磨損。由

51、于鉆桿接頭周圍接觸面存在很多硬質(zhì)點(diǎn)，所以 磨損主要以磨粒磨損為主，特別是下部目的層段使用屏蔽暫堵鉆井液時(shí)，鉆桿接頭工 作在含砂多、粘度高、相對密度大，并且有一定腐蝕性的鉆井液中。因此鉆桿接頭在 承受磨粒磨損的同時(shí)還承受沖蝕磨損，從磨損機(jī)理來說，鉆桿接頭的磨損主要是顯微 切削，同時(shí)兼有腐蝕作用。因此鉆桿在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，接頭外壁很容易發(fā)生磨粒磨 損失效。磨粒磨損失效與敷焊材料的硬度和地層硬度的相對大小、鉆桿構(gòu)件與井壁的 相對運(yùn)動(dòng)速度、材料特性、載荷情況、表面粗糙度、溫度及潤滑等因素密切相關(guān)11。 1.4.21.4.2 石油鉆桿接頭的失效形式及使用壽命石油鉆桿接頭的失效形式及使用壽命 隨著石油，天

52、然氣消耗量的迅速增大，深井和超深井勘探的開發(fā)，石油鉆桿接頭 在井下承受的壓力也變得越來越大。一旦鉆桿接頭失效，鉆桿也將會(huì)斷裂，這將帶來 巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 據(jù)分析，石油鉆桿接頭失效形式主要有：磨損失效，腐蝕失效，應(yīng)力疲勞失效等。 其中，磨損是石油鉆桿最常見的一種失效形式，由于石油鉆桿接頭的工作表面強(qiáng)烈與 巖石，泥漿摩擦，當(dāng)磨損量超過一定指標(biāo)時(shí)，會(huì)造成石油鉆桿接頭報(bào)廢。石油鉆桿接 頭的磨損主要是磨粒磨損，磨粒磨損是工件與周圍接觸面之間存在硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的一 種磨損；這種硬質(zhì)點(diǎn)有些是石油鉆桿接頭表面材料的氧化皮脫落而成，有些是金屬脫 落而成。此外，由于井下含有 h2s 等腐蝕性介質(zhì)的存在，使得鉆桿接頭

53、耐磨層受到?jīng)_ 蝕而失效；鉆桿接頭在井下工作過程中還承受彎矩、扭矩、軸向應(yīng)力以及內(nèi)外應(yīng)力的 作用，也是失效的主要原因之一。 由于受到磨損、腐蝕、應(yīng)力的復(fù)合作用，使得石油鉆桿接頭的使用壽命很短，需 要定期進(jìn)行對接頭耐磨層進(jìn)行修復(fù)。目前，國內(nèi)一般采用等離子噴焊鐵基自熔合金粉 末來對耐磨帶進(jìn)行修復(fù)，并取得了很好的效果。 1.4.31.4.3 國外對石油鉆桿接頭的研究現(xiàn)狀國外對石油鉆桿接頭的研究現(xiàn)狀 由于鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步和勘探技術(shù)開發(fā)的需要, 深井、 超深井、 大斜度井以 及水平井大量出現(xiàn), 使得鉆桿的摩擦扭矩和摩擦阻力都顯著增大, 這些惡劣的工況條 件要求工件表面必須具備較高的耐磨損性能。鉆桿在使用

54、過程中接頭首先磨損, 由于 井深增加，對鉆桿接頭的磨損和沖蝕將更加劇烈，這就給鉆桿接頭耐磨層的耐磨，耐 蝕性能帶來了巨大挑戰(zhàn)。因?yàn)橐坏┿@桿接頭失效，鉆桿也將報(bào)廢，這將給鉆井工作帶 來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以提高鉆井技術(shù)，獲得耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化的鉆桿接 頭是鉆井工作順利進(jìn)行的前提。 近幾年來，國外推出一種 200xt 焊絲，采用這種焊料加焊鉆具，具有較小的摩 擦系數(shù)，且也有相當(dāng)?shù)挠捕龋╤rc50 左右） 。由于其自身的減阻潤滑功能，大大的降 低了鉆具旋轉(zhuǎn)阻力，增大了鉆具扭矩，節(jié)約了燃料消耗。在鉆井中不僅有效的保護(hù)了 鉆具，延長了鉆具使用周期，而且對套管也有明顯的保護(hù)作用。目前很多外商在國際

55、招標(biāo)中要求鉆井公司采用這種耐磨焊料加焊鉆具作為中標(biāo)的必備條件，足可見掌握和 使用這種耐磨材料的重要性。 但是，進(jìn)口的 200xt 焊料相當(dāng)昂貴（每噸 50 多萬元） ，如采用這種焊料必將大 大提高鉆井成本，因此很難在國內(nèi)大面積推廣使用12。 1.51.5 本課題研究背景及意義本課題研究背景及意義 由于鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步和勘探開發(fā)的需要,深井、超深井、大斜井以及水平井 的大量出現(xiàn),鉆柱的摩擦扭矩和摩擦阻力都顯著增大,這些惡劣的工況條件要求工件表 面必須具備較高的耐磨粒磨損性能。鉆桿在使用過程中接頭首先磨損,使鉆桿接頭強(qiáng) 度降低,從而導(dǎo)致鉆桿先期報(bào)廢,而解決這一問題的有效手段是采用接頭表面硬化處理

56、 達(dá)到保護(hù)鉆桿接頭的作用13。 采用等離子弧噴焊技術(shù)在石油鉆桿接頭表面噴焊一層耐磨合金粉末來修復(fù)被磨損 的石油鉆桿接頭，可大大提高鉆桿接頭表面的硬度、耐磨損、耐高溫性以及抗氧化等 性能。噴焊用自熔性合金材料主要有鎳基、鈷基、鐵基等。鎳基合金粉末具有優(yōu)異的 噴焊工藝性，是目前應(yīng)用最廣的噴焊材料，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，提高了焊接成本。采 用鐵基自熔合金粉末代替鎳基合金粉末，不僅節(jié)約了成本，其耐磨、耐蝕以及抗氧化 性能均可以得到保證，而且原材料來源廣泛，價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。 第二章第二章 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法 2.12.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備 2.1.12.1.1

57、 基體材料基體材料 本試驗(yàn)選用普通低碳鋼 a3 鋼為基材，其成分如表 2-1。 表 2-1 a3 鋼的化學(xué)成分（wt%） cmnsipsfe 0.140.220.30.5 0.300.450.05 余量 2.1.22.1.2 噴焊材料噴焊材料 等離子噴焊材料除了滿足使用性能的要求外，還要滿足工藝性能的要求，主要包 括:(1)材料應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性、粉末的固態(tài)流動(dòng)性和與基體良好的浸潤性。(2) 材料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率應(yīng)與工件材料相近。(3)噴焊粉末的粒子尺寸和粘度要滿 足設(shè)備的要求14。 根據(jù)石油鉆桿接頭的工作環(huán)境及失效形式，本實(shí)驗(yàn)針對石油鉆桿接頭耐磨帶設(shè)計(jì) 了鐵基自熔合金粉末，并采用混粉法

58、制備該鐵基合金粉末。 用于制備合金粉末的原材料： 碳粉、鉻鐵粉、硅鐵粉、純鎳、鐵、硼鐵粉、稀土。 2.1.32.1.3 噴焊設(shè)備噴焊設(shè)備 本試驗(yàn)所用的是德國產(chǎn)等離子噴焊設(shè)備型號(hào)為為 eutronic gap 2000 dc 等離子 轉(zhuǎn)移弧焊機(jī)；如圖 2.2 設(shè)備特點(diǎn)：高能量密度，高熔敷速度，低稀釋效應(yīng)、熔敷層均勻而無氣孔、再現(xiàn) 性高，焊接時(shí)間短、焊后幾乎無需機(jī)械加工，見圖 2-1。 技術(shù)參數(shù)：維弧電流：0.1-10a 焊接電流：0.3-160a 直流開路電壓： 100v 暫載率：160a 100% 主要輸入電壓：3380v/415v/50hz 最大輸出功率：12kva/100% 熔斷器：32a

59、t/400v 防護(hù)等級(jí)：ip23 電 源尺寸：600400560mm 電源重量：30kg 本次試驗(yàn)所用的噴焊設(shè)備實(shí)體圖見圖 2-2： 圖 2-1 噴焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連線示意圖 圖 2-2 eutronic gap 2000 dc 型等離子噴 焊機(jī)外觀圖 圖 2-3 等離子噴焊設(shè)備及試驗(yàn)場地 2.1.42.1.4 擺動(dòng)式球磨機(jī)擺動(dòng)式球磨機(jī) 本實(shí)驗(yàn)中采用的擺動(dòng)式球磨機(jī)（圖 2-4）帶有一個(gè)球磨罐，球磨罐的內(nèi)部裝有粉 末樣品和磨球，被固定在夾具中以每分鐘上千次的高頻率擺動(dòng)。這種來回的擺動(dòng)與球 磨罐的側(cè)向運(yùn)動(dòng)相結(jié)合。其運(yùn)動(dòng)軌跡可呈簡單的 8 字型或復(fù)雜的三維正交型。球磨罐 每擺動(dòng)一次，磨球與粉末和球磨罐就經(jīng)

60、歷一次強(qiáng)烈沖擊以混合并球磨粉末。在實(shí)驗(yàn)中， 球磨罐和球的材質(zhì)為硬質(zhì)合金。該球磨機(jī)可在短時(shí)間內(nèi)一次球磨少量(常為 10-20g)粉 末，常用于實(shí)驗(yàn)室研究和合金篩選。粉末的平均晶粒尺寸可在 1 微米以下。 圖 2-4 擺動(dòng)式球磨機(jī) 表 2-2 擺動(dòng)式球磨機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 功率擺動(dòng)方式噪音 0.5kw三維擺動(dòng)55db 2.22.2 鐵基合金粉末的研制鐵基合金粉末的研制 2.2.12.2.1 合金粉末成分設(shè)計(jì)合金粉末成分設(shè)計(jì) 噴焊合金設(shè)計(jì)的根本目的是滿足熔覆強(qiáng)化零件所需的各項(xiàng)性能要求，而熔覆層的 性能主要是由熔覆層成分，顯微組織、雜質(zhì)、缺陷、應(yīng)力狀態(tài)、熔覆層與基體的界面 特性等決定的，其中成分與組織控制