铸铁表面堆焊co基合金的组织和性能研究

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1、石油机械2010牟第38卷第9期CHINAPETROLEUMMACHINERY．．试验研究铸铁表面堆焊Co基合金的组织和性能研究刘蒙崔立山，姜大强蒋小华郑雁军高伟于龙文(1．中国石油大学(北京)2．能源材料微结构实验室3．辽宁石油化工大学)摘要为研制耐高温高压HS／CO：腐蚀的卡瓦材料，采用表面堆焊方法在HT200灰口铸铁表面堆焊C0基合金，利用光学显微镜、扫描电镜(EDS附件)、x射线衍射仪和硬度计测试分析了堆焊层的组织结构和硬度。分析结果表明，堆焊层组织主要是由树枝状的y—Co固溶体和共晶组织(—co固

2、溶体+片状Mc，(M：Cr、W、Fe))组成。从堆焊层至基体，硬度降低，堆焊层硬度高达750HV左右，熔合区的硬度大约为380HV，基体硬度为280HV左右。关键词铸铁Co基合金堆焊层显微组织焊Co基合金，初步对其微观组织结构和硬度进行0引言了分析。川东北地区石油天然气资源丰富，但其开发环1试验材料和试验方法境十分恶劣，地下高温高压HS、CO、有机硫及凝析水对各种开采钻具造成严重腐蚀。近年来，基材选用灰口铸铁HT200，试样尺寸为115我国已开展对酸性油气田环境下使用的石油钻采装mm×65mm×5mm。焊材

3、选用D822Co基堆焊焊备的研究，并列人国家重大专项。在石油钻采设备条，其化学成分质量分数见表1。中，封隔器是满足试油、试气过程中每道工序正常表1堆焊焊条的主要化学成分质量分数％工作的关键设备，而卡瓦又是封隔器的关键部件。在坐封过程中，卡瓦在下锥体作用下沿着3个深槽胀裂，靠表面的齿牙牢牢地固定在套管内壁上，因此要求齿牙硬度较高，容易胀裂，且具有良好的切按GB884—85堆焊要求J，在灰口铸铁上堆焊屑加工性，便于钻铣解封。传统的卡瓦材料选多层co基合金，堆焊完的试样表面经磨床磨平，形择经过特定热处理的合金钢或

4、者易铣钻的铸铁，但成厚度约21／1111的Co基合金堆焊层。用线切割法在在高温高压HS、CO环境下，其耐蚀性达不到要已堆焊好的试件上截取金相试样，依次在粒度为求。co基合金在常温和高温下均具有良好的耐磨、200、400、600、800和1200的金相砂纸上打磨试耐蚀性能，在航空航天领域和机械堆焊修复领域已样。经机械抛光之后，铸铁基体采用5％HNO和酒得到广泛应用，但由于价格较昂贵，作为整体精浸蚀，堆焊层采用王水腐蚀，采用Olympus金相工件使用受到限制。若采用在灰口铸铁表面堆焊显微镜进行金相观察，并在扫描

5、电镜及EDS附件下co基合金的方法研制卡瓦材料，可以使卡瓦获得进行观察及能谱分析，用XD一3A型x射线衍射仪高硬度、易铣钻及耐腐蚀等特点。为研制耐高温高对堆焊层表面进行物相分析。采用HV一1000型维压HS／CO：腐蚀的卡瓦材料，笔者以耐高温高压氏硬度计从堆焊层向基体方向每隔0．5mm测试硬HS／CO：腐蚀的卡瓦材料为目标，在铸铁表面堆度，载荷1．96N，加载时间15S。$基金项目：国家科技重大专项“高含硫气藏安全高效开发技术研究”的子课题“高气密性井下采气工具研究”(2008ZX05017—01—01)。

6、一6一石油机械2010年第38卷第9期体和硬质相MC(M=Cr、W、Fe)组成，所以2试验结果与分析堆焊层硬度高。2．1堆焊金属组织观察与分析从图1中可明显地看出，堆焊样品分3部分：A区为基材、B区为熔合区、c区为堆焊层，并且蠢堆焊层和基体之间的结合面良好。这主要是由于在骥蔡堆焊过程中，熔池与铸铁基体接触，熔池的底部通过基体传热，其结晶生长方向为垂直于结合界面向熔池内部生长。另外，由于Co、Fe和Ni元素的原子半径接近，高温下相互扩散形成置换固溶体，界面为冶金结合。图1b～图1d分别为堆焊金属各图2堆焊层X

7、射线衍射图谱区域的金相组织图。由图1b可见，基体铸铁主要由白色铁素体、灰色的片状珠光体和片状石墨组成，其中白色铁素体分布在片状石墨周围。而熔合区组织较基体组织细小，主要由细小的灰色片状珠光体、少量铁素体和细小的片状石墨组成，如图1e所示。从图1d可见，堆焊层中存在树枝晶。图3堆焊层共晶区背散射电子图像2．2硬度测试与分析图4是堆焊层至基体的显微硬度分布曲线。从曲线可以看出，由堆焊层表面至基体硬度降低，而熔合区硬度下降较快，堆焊层硬度最高，达到750HV左右。这主要是由于堆焊层生成了一Co合金a．电子图b．铸

8、铁基体金相组织固溶体和硬质相Mc，高硬度Mc，分布在堆焊层中，使堆焊层的硬度显著提高。熔合区的硬度约为380HV，高于基体硬度(280HV)，可能与熔合区受到堆焊热循环作用和元素的扩散有关"J。卜．／／I一一基体堆焊层>c．熔合区金相组织d．堆焊层金相组织越聪图1堆焊样品横截面背散射电子图和各区金相组织图2为堆焊层的X射线衍射图谱，分析结果一．．———表明，堆焊层组织主要是由—Co固溶体和硬质_相M，C(M=Cr