鉆桿接頭耐磨帶堆焊藥芯焊絲的研究

1、鉆桿接頭耐磨帶堆焊藥芯焊絲的研究劉希學(xué)1賀定勇1蔣建敏1趙秋穎2周正1王智慧1崔麗1(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100124;2. 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站,北京 100124摘要:研制一種Fe-B-Nb-Ni系鉆桿耐磨帶堆焊藥芯焊絲,采用CO2氣保堆焊方法,制備Fe-B-Nb-Ni耐磨堆焊合金,利用OM、SEM、XRD等分析方法對(duì)堆焊合金的顯微組織進(jìn)行了觀察分析,對(duì)堆焊層的硬度及耐磨性能進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明,Fe-B-Nb-Ni堆焊合金耐磨性能比國(guó)外某進(jìn)口藥芯焊絲提高了約37%,其宏觀硬度值達(dá)到了60.562.2HRC。Fe-B-Nb-Ni堆焊合金的顯微組織為馬氏

2、體+鐵素體+少量滲碳體+顆粒狀NbC+包晶Fe3(B,C+ 共晶Fe23(B,C6、Fe3(B,C+少量共晶Fe2B相,其中NbC硬質(zhì)顆粒彌散的分布于基體中,基體中的馬氏體組織具有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐磨性,起到了很好的耐磨骨架的作用。Fe-B-Nb-Ni堆焊合金的磨損機(jī)理主要是犁溝式微切削和局部的硬質(zhì)相剝落。關(guān)鍵詞:鉆桿耐磨帶;藥芯焊絲;堆焊;耐磨性STUDY OF HARDFACING FLUX CORED WIRE FORHARBANDINGLIU Xi-xue1, HE Ding-yong1, JIANG Jian-min1, ZHAO Qiu-ying2,ZHOU Zheng1, Wang

3、Zhi-hui1,Cui Li1(1. College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124;2. Postdoctoral Research Station of Mechanical Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124Abstract:The paper developed a kind of hardfacing flux cored wire for hardban

4、ding.Hardfacing alloys with Fe-B-Nb-Ni were deposited by CO2 arc welding method.The microstructure of the Fe-B-Nb-Ni alloys were investigated by optical microscopy(OM, scanning electron microscopy (SEM , X-ray diffraction (XRD,etc. At the same times, its the hardness and the abrasive wear resistance

5、 performance of the overlayer that was evaluated. The results are presented as follows: the alloy with Fe-B-Nb-Ni exhibits excellent wear resistance, that is 37 percents better than the foreign advanced flux-cored wire. The hardness value of the alloy with Fe-B-Nb-Ni was up to 60.562.2HRC. The micro

6、structure of the alloy with Fe-B-Nb-Ni consist of ferrite + martensite +Fe3C +NbC + eritectic structure (Fe3(B,C+Fe23(B,C6+Fe2B. A large number of fine niobium carbides were randomly dispersed in the microstructure of the alloys. The martensite as wear skeleton showed well strength and wear resistan

7、ce. The wear mechanism of Fe-B-Nb-Ni abrasive wear resistant layer was mainly plough and brittle peeling.Keywords:hardbanding; flux cored wire; hardfacing;wear resistance0前言隨著現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展,海上石油鉆井平臺(tái)大量出現(xiàn),同時(shí)由于近地表層石油儲(chǔ)量日益減少,超深井、大斜度井、大位移逐漸取代了傳統(tǒng)的淺、小位移井,成為了當(dāng)今石油鉆探的主要形式。與之而來的問題便是鉆井時(shí)間的大幅度延長(zhǎng)、鉆桿作用在套管上側(cè)向力的不斷增高,導(dǎo)致鉆桿與套

8、管的磨損問題更為突出1-2。鉆桿接頭耐磨帶因其具有優(yōu)于鉆桿接頭本身的耐磨性能,同時(shí)能夠降低對(duì)套管的磨損的優(yōu)點(diǎn),從而對(duì)解決鉆桿與套管的磨損這一問題起到關(guān)鍵性的作用3-4。耐磨帶技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代鉆井過程中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一,越來越多的得到了人們的重視。鉆井技術(shù)的進(jìn)步對(duì)鉆桿接頭耐磨性的要求不斷提高,因而要求使用高耐磨性和抗裂性的堆焊材料才能滿足各類鉆井的需求。目前,廣泛使用的耐磨帶焊材主要是國(guó)外進(jìn)口焊材,其耐磨性能優(yōu)異,缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。因而,研制出性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)耐磨帶藥芯焊絲勢(shì)在必行。本文設(shè)計(jì)出一種鐵基耐磨帶堆焊藥芯焊絲,通過B、C、Nb、Ni等多元微合金取代傳統(tǒng)高鉻合金的方式來實(shí)現(xiàn)

9、對(duì)基體的強(qiáng)化,研制出一種具有高耐磨性和韌性的鉆桿接頭耐磨帶堆焊藥芯焊絲。1 試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)用自行開發(fā)的耐磨帶堆焊藥芯焊絲,直徑為1.6mm,母材為Q235鋼板,規(guī)格為200 mm×100mm×10 mm。保護(hù)氣體采用100% CO2氣體。由于鉆桿接頭耐磨帶厚度有一定要求,因而試驗(yàn)采用單層焊,焊縫厚度為3-4mm。堆焊工藝參數(shù)見表1。熔敷金屬的主要化學(xué)成分見表2。表1 二氧化碳?xì)獗６押负腹に噮?shù) Table 1 Processing parameter of CO2 arc welding電流I/A 電壓U/V干伸長(zhǎng)L/mm送絲速度V/(cm*min-1氣體流量q(L/m

10、in270-310 22-25 15-20 380-450 15-20表2 堆焊合金主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%Table 2 Component of weld alloy元素B C Mn Si Ni Nb Fe含量0.8 1.0 1.2 1.4 0.9 2.2 余量將堆焊試樣表面磨平,采用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試堆焊層合金硬度值,然后在垂直于焊縫的焊道上用線切割切樣,制備出15 mm × 15 mm × 25 mm的金相試樣,拋光后用5%的三氯化鐵水溶液侵蝕,在OLYMPUS-BM51型光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。采用日本HITACHI S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM

11、觀察合金顯微組織形貌,并對(duì)局部區(qū)域做EDS 分析。利用 SHIMADZU XRD-7000型多晶X射線衍射儀(XRD對(duì)焊層進(jìn)行分析,確定堆焊合金的物相組成。堆焊層磨損性能試驗(yàn)采用MLS-225型的磨粒磨損機(jī)進(jìn)行,磨損試樣尺寸為57 mm× 25 mm × 8 mm,橡膠輪轉(zhuǎn)速為240 r/min;橡膠輪硬度為60(邵爾硬度;加載載荷為100 N,磨料為40-70目石英砂;預(yù)磨1000 r,精磨4000 r。材料的耐磨性能用磨損的失重來衡量,在實(shí)驗(yàn)前后,將試件在超聲波清洗儀中用丙酮溶液清洗3-5 min,干燥后用精度為0.1mg的塞多利斯BS224S型電子天平稱量。分別算出三

12、個(gè)試樣磨損前后的重量差,即為失重量,然后取三組數(shù)據(jù)的平均失重來衡量堆焊合金的耐磨性。試驗(yàn)選用國(guó)外某公司的堆焊藥芯焊絲合金作為對(duì)比試樣。2 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 堆焊焊縫成形及合金硬度值圖1為試驗(yàn)藥芯焊絲堆焊焊縫形貌,堆焊時(shí)不需要預(yù)熱及后續(xù)熱處理工藝,焊接過程中煙塵低,飛濺小,焊縫表面沒有出現(xiàn)裂紋,具有較好的焊接工藝性能。圖1焊縫形貌Fig.1 The morphology of welding由于鉆桿接頭實(shí)際工作環(huán)境十分惡劣,在裸井 鉆探中,主要受到富含硅鋁的硅酸鹽巖石及砂粒的切削式磨粒磨損,套管的使用更加劇了鉆桿接頭的磨損。因此要求鉆桿接頭耐磨帶要有高的硬度,從而保證鉆桿耐磨帶更長(zhǎng)的使用壽命

13、。表3為試驗(yàn)藥芯焊絲堆焊層洛氏硬度值。表3 實(shí)驗(yàn)藥芯焊絲單層焊硬度值(HRC Table 3 Hardness values of hardfacing metal(HRC測(cè)試點(diǎn)12345均值硬度值62.262 60.5 61 60.5 61.24由表3中數(shù)據(jù)可知,鉆桿耐磨帶堆焊藥芯焊絲堆焊層硬度值均勻,硬度數(shù)值在60.562.2HRC之間,平均硬度值為61.24HRC。2.2 堆焊合金的顯微組織鉆桿耐磨帶堆焊合金的金相組織如下圖2、圖3所示,XRD圖譜見圖4。分析可知,其基體組織為馬氏體、鐵素體、滲碳體及鐵鎳固溶體組織,硬質(zhì)相則由白色顆粒NbC以及硼碳化物Fe3(B,C、Fe23(B,C6和

14、少量共晶Fe2B相組成。(a低倍金相組織 (b高倍金相組織圖2 堆焊合金金相組織Fig.2 The microstructure of the weld alloy(alow magnification (bhigh magnification圖3為掃描電鏡下觀察到的堆焊合金組織,從圖中能夠明顯的觀察到多邊形狀的白色相,以及分布于晶界處的菊花狀、蜂窩狀組織,并且這些組織以網(wǎng)狀及半網(wǎng)狀分布,基體組織為片條狀組織。分別對(duì)多邊形白色相(標(biāo)記1、片條狀組織(標(biāo)記2及網(wǎng)狀分布的菊花狀、蜂窩狀組織(標(biāo)記3進(jìn)行能譜分析,能譜的點(diǎn)成分分析結(jié)果見表4?？梢钥闯?多邊形白色相(標(biāo)記1Nb含量很高,可以判斷是NbC

15、相,標(biāo)記2和標(biāo)記3處主要元素均為Fe,含量均在90%以上,并且由于B、C元素原子序數(shù)小,EDS不能準(zhǔn)確測(cè)試,因此,無法確定其相組成。對(duì)標(biāo)記2、3處進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,標(biāo)記2處顯微硬度為789HV,這與滲碳體、馬氏體組織硬度值吻合,結(jié)合XRD圖譜中存在a-Fe及Fe3C相和馬氏體組織,可以判斷標(biāo)記2區(qū)域即為基體組織。分布于晶界網(wǎng)狀分布的菊花狀、蜂窩狀組織顯微硬度值1200-1450HV,結(jié)合圖4中XRD圖譜以及文獻(xiàn)5描述,可以判斷標(biāo)記3組織為硼碳化物Fe3(B,C、Fe23(B,C6及少量共晶Fe2B相。由上圖2(a中低倍下金相組織中白色顆粒NbC彌散分布與基體與晶界硼碳化物處,圖2(a中高倍金相

16、圖中可以看出,NbC為多邊形不規(guī)則狀顆粒,晶粒大小約為3-5um。Nb是強(qiáng)碳化物形成元素,在凝固結(jié)晶過程中,Nb原子首先會(huì)結(jié)合C原子結(jié)晶生成高熔點(diǎn)的NbC顆粒,而且這些高熔點(diǎn)NbC顆粒高度彌散分布6。當(dāng)溫度冷卻到約1400時(shí),開始從液態(tài)合金中析出初生樹枝狀的相,由于B元素在相的固溶度極低,導(dǎo)致相長(zhǎng)大的同時(shí)大量的B元素會(huì)向相晶界的液相擴(kuò)散。NbC的形成,能夠有效的降低Fe2B的形核能,有利于晶界處共晶Fe2B的生成,此時(shí)生成的共晶Fe2B大部分會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng):L+Fe2BFe3(B,C,剩余少量的共晶Fe2B呈網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界處7。繼續(xù)冷卻,富集于奧氏體晶界處的硼、碳會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng):L+ F

17、e23(B,C6,L+ Fe3(B,C,Fe3(B,C呈顆粒狀分布,Fe23(B,C6呈菊花狀、蜂窩狀分布,兩者混合在一起生長(zhǎng)(如圖3所示。由于堆焊的特點(diǎn)即快速冷卻,因此,大部分過冷奧氏體組織最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,最終凝固為馬氏體+鐵素體+滲碳體+顆粒狀NbC+包晶Fe3(B,C+ 共晶Fe23(B,C6、Fe3(B,C+少量共晶Fe2B的組織?；w組織保證了合金的韌性,以馬氏體為耐磨骨架,NbC、Fe23(B,C6、Fe3(B,C、Fe2B等硬質(zhì)相彌散分布的組織,為鉆桿耐磨帶堆焊合金提供了理想的耐磨組織結(jié)構(gòu)。 圖3 堆焊合金的掃描電鏡組織Fig. 3 SEM image of the we

18、ld alloy表4 掃描電鏡下各區(qū)能譜分析Table 4 EDS analysis of different district with SEM質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%元素1 2 3Nb 88.96 - -Fe 11.04 91.54 90.97 Mn - - 2.10 Si - 1.820.88C - 6.646.0520304050607080500010000150002000025000相對(duì)衍射強(qiáng)度I/cps衍射角 2 /°UTzTTU Tza-FeNbC Fe3CFe23(B,C6UU z zzFe-NiFe3(B,C圖4 堆焊合金的X射線衍射圖譜Fig. 4 X-ray diffr

19、action spectra of weld alloy2.3 磨粒磨損結(jié)果與討論耐磨帶堆焊合金磨粒磨損測(cè)試結(jié)果見下表5所示。定義試驗(yàn)用國(guó)外焊材堆焊層的相對(duì)耐磨性為1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)?zāi)湍Ф押杆幮竞附z的相對(duì)耐磨性為1.576 ,較這一國(guó)外先進(jìn)藥芯焊絲堆焊合金提高了約37%。表5 堆焊層合金耐磨性能Table 5 Abrasion performance of deposited metal 試樣 平均失重m/g相對(duì)耐磨性 試驗(yàn)堆焊層 0.125 1.576 國(guó)外焊材堆焊層0.1971圖5為磨損試樣表面磨痕的形貌,從圖中可以看出,國(guó)外藥芯焊絲堆焊合金磨損表面存在較深的犁溝,其磨損機(jī)制主要是

20、犁溝式切削作用。由于基體較軟,石英砂磨粒產(chǎn)生切削作用,出現(xiàn)較深的劃痕(圖b 中箭頭所示,而本實(shí)驗(yàn)研制的耐磨帶堆焊合金中彌散分布著大量3-5um 的高硬度的NbC 顆粒,如下圖5(a 所示,同時(shí)組織中Fe 23(B,C6、Fe 3(B,C、Fe 2B 等硬質(zhì)相組成的耐磨骨架配合馬氏 體的基體組織,能夠有效阻止石英砂磨粒對(duì)基體的切削和塑性變形作用,因而劃痕較淺,其磨損機(jī)制主要是犁溝微切削的塑性變形,同時(shí)還有局部的硬質(zhì)相脫落。從圖5(a 中可以看出磨損過程中會(huì)出現(xiàn)硬質(zhì)相脫落的現(xiàn)象,這是因?yàn)镹bC 及硼碳化物這些硬質(zhì)相顯微硬度高,在磨損過程中,基體在磨粒作用下不能完全包裹住硬質(zhì)相,導(dǎo)致了部分硬質(zhì)相的脫

21、落,在今后的研究中還需要進(jìn)一步解決這一問 題,從而能夠保證石油鉆桿接頭在長(zhǎng)時(shí)間的惡劣工況下表現(xiàn)出更好的耐磨性能。(a 實(shí)驗(yàn)堆焊合金(b 國(guó)外焊絲堆焊合金 圖5 磨損后試樣表面SEM 照片F(xiàn)ig. 5 The surface morphology of welding layer after wear(a The deposited metal of sample;(b The deposited metal of foreign flux-cored wire3 結(jié)論(1研制出一種Fe-B-Nb-Ni 系鉆桿接頭耐磨帶堆焊用藥芯焊絲,該藥芯焊絲無需焊前預(yù)熱及焊后熱處理,耐磨性能比國(guó)外某進(jìn)口藥芯焊絲提高了 約37%,大大降低了國(guó)內(nèi)使用耐磨帶堆焊藥芯焊絲 的費(fèi)用。(2Fe-B-Nb-Ni 堆焊合金組織為馬氏體+鐵素體、滲碳體+顆粒狀NbC +硼碳化合物硬質(zhì)相。基體組織保證了合金具有一定的韌性,彌散分布的硬質(zhì)相及馬氏體組織保證了合金的硬度和耐磨性。 (3Fe-B-Nb-Ni 堆焊合