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时间:2020-03-27
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1、钢体PDG钻头表面熔覆硬化技术研究包乃亮(中国石油集团长城钻探工程有限公司钻进技术服务公司,辽宁盘锦124010)摘要:本研究针对PDC钻头钢体结构复杂,表面硬化难度大、技术要求高的特点,开展钢体表面冷态涂覆硬质合金材料、熔覆方法和工艺参数的理论与试验研究,形成一套适合钢体PDC钻头的表面熔覆硬化技术。这对于提高钢体PDC钻头性能和生产效率,降低生产成本等,都具有十分重要的意义。金属材料的常用表面硬化技术主要包括喷焊、堆焊、熔覆等。下面将就这些表面硬化技术的基本原理、特点、适用对象等方面进行简要综述。1喷焊
2、表面硬化技术喷焊是对预热的自溶性合金涂层加热至1000-1300。C,使颗粒熔化,造渣上浮到涂层表面,生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中而使表层硬化。所得到的硬化层是致密的金属+陶瓷颗粒的复合组织,且与基体形成约50~100ram的扩散冶金结合层,其结合强度约400MPa,抗冲击性能较好,耐磨耐蚀性能优良。喷焊涂层与热喷涂涂层最大的不同体现在两方面:涂层与基体结合形式不同,在等离子喷涂镍包铝粘结层时,通过Ni—Al发生放热化学反应,在部分表面形成微冶金结合底层,大部分与涂层产生“锚钩”效应的机械结合涂层,结合
3、强度一般不高于100MPa;喷焊涂层与基体之间的结合是完全的冶金结合,结合强度在400MPa左右。喷涂材料不同,喷焊要求使用自熔性合金粉末,自熔性合金粉末是以镍、钴、铁为基材的合金,其中加入适量硼和硅元素,起脱氧造渣焊接熔剂的作用,同时能降低合金熔点;喷涂则对粉末的自熔性没有要求,可以根据需要,设计和喷涂各种材料。因此自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂,而且,为了进一步改善性能或增加功能,自熔性合金+功能粒子的复合粉末的热喷涂在实际中应用较多。2堆焊表面硬化技术堆焊表面硬化技术是用电焊或气焊法把材料熔化
4、,堆积在工具或机器零件上获得硬化表面的技术。根据电焊工艺的不同,堆焊表面硬化技术有很多种类,其中性能最好的是等离子弧堆焊,最常用的是带极堆焊。自动堆焊技术主要针对表面平整、形状规则的工件,氧一乙炔气焊手工堆焊技术较常用。堆焊表面硬化层的技术特点主要体现在:涂层很厚、硬度高、结合强度很理想、耐磨、耐蚀、耐冲击性能优良等。喷焊工艺与电弧堆焊的区易U在于:喷焊层与基体之间的结合是溶解扩散冶金结合,而堆焊则是熔化冶金结合,在喷焊过程中基体不熔化,只是喷焊层与基体之间产生溶解作用,在两者之间存在一个扩散互溶区。由于基
5、体不溶物,喷焊层稀释率极低,可以保证喷焊层的良好性能;堆焊基体熔化,堆焊层稀释率高,需要堆焊很厚才有可能保证焊层的性能,且零件轮廓棱角难以保证,常见咬边,棱角塌陷,但喷焊不会出现此类缺陷。3熔覆表面硬化技术金属材料表面熔覆技术的基本原理是:将经过特殊处理(例如:高温熔炼、雾化处理、机械研磨混合等)的合金粉末用特定的粘结剂(水玻璃、松香油、酚醛树脂等)调合后,均匀地涂在基体表面上,在严格控制温度的情况下加热烘干,然后用高温热源(氧一乙炔火焰、感应加热,氩弧、激光或等离子弧等)进行加热,使合金粉末熔化,熔覆材料
6、与基体形成一种冶金结合层。表面熔覆技术工艺简单、操作方便、处理速度快、劳动强度小、硬化层质量稳定、与基体结合牢固、成本较低。激光熔覆是利用激光的高能量密度,将涂层材料和一薄层基体表面同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低、与基体呈冶金结合的表面涂层,会显著改善基层表面的硬度、耐磨、耐蚀等性能。与其它表面硬化技术相比,激光熔覆稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒径及含量变化大、适合自动化生产,因此激光熔覆技术应用前景十分广阔,其不足之处就是设备投入大,不太适合形状不规则表面的熔覆。感应熔覆技
7、术是利用感应线圈在钢铁表面形成的涡流加热、熔融合金粉末,获得硬化层的方法,熔覆层与基体之间是冶金结合,目前感应熔覆技术主要用于自熔性合金及其复合涂层。虽然感应熔覆技术具有工艺简单,成本低廉,生产效率高,适合自动化批量生产等优点,但是受感应线圈尺寸和加热温度的制约,该技术不适合大尺寸、不规则表面的工件和高熔点涂层的熔覆。氧一乙炔熔覆技术主要是利用氧一乙炔火焰熔覆合金粉末,而获得硬化涂层。和感应熔覆类似,氧一乙炔熔覆硬化涂层主要针对自熔性合金及其复合涂层,该工艺具有工艺简单,成本较低,生产效率较高等特点。但是为
8、了得到高质量的熔覆涂层,需要精确控制熔覆工艺参数和提高涂层结合强度。参考文献:[1】左平英.PDC钻头钎焊工艺的研究【D】.西安科技大学,2005年.【2]姜彬霖.渗硼技术用于钻杆接头表面硬化的试验研究【J】.探矿工程(岩土钻掘工程),2008年03期.f3V4勇,王顺兴,田保红.硬质合金堆焊层经热处理后的耐磨性研E[JI.中国表面工程,2002年03期.[41周龙昌.钢体PDC钻探新型制造工艺研究[J1.石油矿
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