CN103388145A - Tc轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,具体步骤如下:预制TC轴承本体;在TC轴承本体端面堆焊过渡层;在过渡层表面堆焊金属基复合型硬面材料层;等离子体转移电弧设备设置独立的供粉通道,第一硬面材料的商品合金金刚石粉末通过独立供粉通道送入,形成金属基复合型硬面材料层。有益效果:与现有技术相比,本发明采用了金刚石粉末与碳化钨的结合,可以增加TC轴承表面的耐磨性。采用独立的供粉通道将金刚石粉末直接施加到堆焊硬质层中与第二硬面材料和第三硬面材料结合熔化,而形成金属基复合型硬面材料层。避免了金刚石粉末在高温下停留时间过长,引起液相合金对金刚石颗粒侵蚀及金刚石自身石墨化。
Description
技术领域
本发明属于TC轴承,尤其涉及一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法。
背景技术
对牙轮钻头失效的分析表明,轴承的损坏是牙轮钻头破坏的主要形式。进一步研究表明,TC轴承(硬质合金径向轴承〉的损坏原因主要一是轴承本身的抗磨损、抗咬合和抗过热的能力低,在运转过程中导致轴承早期损坏;二是密封储油补偿***失效,轴承的润滑条件被破坏,使轴承在磨粒介质中工作,从而导致轴承早期破坏;三是使用不当,实际使用参数超过了轴承设计能力允许的范围。因此,要提高钻头的使用寿命,除了提高密封储油补偿***的密封性和使用寿命、抗咬合和抗过热能力以及正确使用外,最主要的是要提高钻头轴承的抗磨损能力,因此在制造过程中对其硬度的要求也更为严格。目前,由于TC轴承抗磨损度都比较低,钻井机械的TC轴承在使用钻进过程中,尤其是螺杆钻具传动轴所使用的TC轴承,由于钻井液中所含颗粒状硬质相的研磨,钻井液的液体冲刷,以及井内含有酸性气体(如H2S)的侵蚀等,造成螺杆钻具过早的损坏。业内亟待解决TC轴承耐磨损的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足,提供一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,采用等离子体转移电弧设备在TC轴承本体表面直接堆焊耐腐蚀耐磨损的Ni或Co金属基复合型硬面材料,能有效的提高其耐磨性和耐气体侵蚀性,提高使用寿命。通过单一通道输送金刚石合金粉末材料和复合型硬面材料层结合,其与金属基面的化学冶金结合,结合强度较高,避免了金刚石在高温下停留时间过长,引起液相合金对金刚石颗粒侵蚀及金刚石自身石墨化,能够使金刚石有效发挥其耐磨作用。
本发明为实现上述目的,采用以下技术方案:一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,具体步骤如下:
一、预制TC轴承本体,常规时效热处理后,再进行预热处理,温度为200—350℃,保温一小时;
二、在TC轴承本体端面堆焊过渡层,过渡层采用等离子堆焊的Ni基合金粉末熔融成过渡层,过渡层的表面增加粗糙度或增设浅凹槽,厚度为小于2mm;
三、在过渡层表面堆焊金属基复合型硬面材料层,使用等离子体转移电弧设备采用气体保护进行表面硬面材料的堆焊,
所述金属基复合型硬面材料层由金属粘接基质和硬面材料组成;
所述金属粘接基质为镍基合金的自溶合金粉末;
所述硬面材料包括第一硬面材料、第二硬面材料和第三硬面材料,其中:第一硬面材料采用商品合金金刚石粉末;第二硬面材料主要由破碎铸造碳化钨与烧结球形碳化钨组成;第三硬面材料主要由碳化钒或碳化硼组成;各硬面材料占总硬面材料的重量份数比为:第一硬面材料为5-15,破碎铸造碳化钨为15-25,烧结球形碳化钨为55-75,碳化钒或碳化硼为≤5;
四、等离子体转移电弧设备设置独立的供粉通道,第一硬面材料的商品合金金刚石粉末通过独立供粉通道送入,供粉通道的供粉喷嘴临近等离子弧并通过惰性气体保护,商品合金金刚石粉末直接施加到堆焊硬质层中与第二硬面材料和第三硬面材料结合熔化,形成金属基复合型硬面材料层。
所述过渡层的Ni基合金粉末,按重量份数,包括C0.4~0.8Cr7~14B1.0~5.0Si3.0~4.5,其余为Ni。
所述金属粘接基质和硬面材料的组分,按重量份数,金属粘接基质30-50、硬面材料50-70。
有益效果:与现有技术相比,本发明采用了金刚石粉末与碳化钨的结合,可以增加TC轴承表面的耐磨性。更重要的是本发明解决了金刚石粉末在12000℃高温下堆焊会完全碳化的关键难题,采用独立的供粉通道将金刚石粉末直接施加到堆焊硬质层中与第二硬面材料和第三硬面材料结合熔化,而形成金属基复合型硬面材料层。避免了金刚石粉末在高温下停留时间过长,引起液相合金对金刚石颗粒侵蚀及金刚石自身石墨化。硬面材料层能有效的缩短制备周期、降低成本、延长TC轴承使用时间。采用等离子体转移电弧设备在TC轴承本体表面直接堆焊Ni或Co等金属基复合型硬面材料,能有效的提高TC轴承的耐磨性和耐冲蚀侵蚀性,提高使用寿命。
附图说明
图1是本发明增加独立送粉通道的结构示意图;
图2是常规焊接送粉的结构示意图;
图3是TC轴承外圆柱表面堆焊后的结构示意图;
图4是TC轴承圆柱内表面堆焊后的结构示意图。
图中:1、电极,2、硬面材料粉料,3、环形通道,4、喷嘴,5、等离子流,6、供粉喷嘴位置,7、内管,8、外管,9、电弧,10、堆焊硬质层,11、TC轴承表面,12、TC轴承本体,13、过渡层,14、金属基复合型硬面材料层,15、金刚石粉末独立输送通道。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
详见附图1、2,本发明提供了一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,具体步骤如下:
一、预制TC轴承本体,常规时效热处理后,再进行预热处理,温度为200—350℃,保温一小时;
二、在TC轴承本体端面堆焊过渡层,过渡层采用等离子堆焊的Ni基合金粉末熔融成过渡层,过渡层的表面增加粗糙度或增设浅凹槽,厚度为小于2mm;
三、在过渡层表面堆焊金属基复合型硬面材料层,使用等离子体转移电弧设备采用气体保护进行表面硬面材料的堆焊,
所述金属基复合型硬面材料层由金属粘接基质和硬面材料组成;
所述金属粘接基质为镍基合金的自溶合金粉末;
所述硬面材料包括第一硬面材料、第二硬面材料和第三硬面材料,其中:第一硬面材料采用美国司太立公司提供的商品合金金刚石粉末;第二硬面材料主要由破碎铸造碳化钨与烧结球形碳化钨组成;第三硬面材料主要由碳化钒或碳化硼组成;各硬面材料占总硬面材料的重量份数比为:第一硬面材料为5-15,破碎铸造碳化钨为15-25,烧结球形碳化钨为55-75,碳化钒或碳化硼为≤5;
四、等离子体转移电弧设备设置独立的供粉通道,第一硬面材料的商品合金金刚石粉末通过独立供粉通道送入,供粉通道的供粉喷嘴临近等离子弧并通过惰性气体保护,商品合金金刚石粉末直接施加到堆焊硬质层中与第二硬面材料和第三硬面材料结合熔化,形成金属基复合型硬面材料层。
所述过渡层的Ni基合金粉末,按重量份数,包括C0.4~0.8Cr7~14B1.0~5.0Si3.0~4.5,其余为Ni。
所述金属粘接基质和硬面材料的组分,按重量份数,金属粘接基质30-50、硬面材料50-70。
等离子体转移电弧设备可以采用焊接技术为PTA脉冲电弧焊、MIG脉冲电弧焊、MIG连续电弧焊、TIG脉冲电弧焊续电弧焊。
实施例
热处理后经车床加工后的TC轴承本体,先对其进行预热处理,温度为200-350℃。保温后,在本体外表面或内表面进行表面堆焊耐磨合金,为了防止堆焊后表层开裂,影响成品合格率,在TC轴承本体表面先堆焊过渡层,减小堆焊层组织应力、提高堆焊结合力,能大大减少堆焊层的裂纹。为了增加TC轴承堆焊区域与焊层的结合强度,可以增加二者之间的接触面积,方法可为增加粗糙度或增设浅凹槽等。
本发明的送粉方法是,在TC轴承表面堆焊适度的过渡层后,再在其表面堆焊硬面材料,Ni基金属粉末颗粒尺寸为大约25微米到大约350微米,硬质组分粉末颗粒尺寸为大约37微米到大约420微米。
参考图2,不加独立通道的焊接方式。通过焊枪以多轴自动方式实施TC轴承硬面层,也可以手动施加。焊枪以PTA等离子转移电弧法的工艺方法操作。焊枪具有内管中的电极1,外管8在内管7周围延伸,界定了环形通道3。硬面材料粉料2和惰性气体有储料漏斗向下送入环形通道3,喷嘴4位于环形通道的下端。保护气体向下流入电极和内管之间,在电极和TC轴承表面11之间提供直流电产生电弧9,其产生含粉末状硬质堆焊物质的等离子流5,使粉末熔化堆积到希望施加硬质层的表面,电弧的温度至少使连接粘结材料熔化,使硬面材料牢固结合在TC轴承本体表面。
金属基复合型硬面材料的基质粉末颗粒尺寸为大约75微米到大约210微米,硬质组分粉末颗粒尺寸为大约37微米到大约420微米。
参考图1,优选PTA实施实例,通过焊枪以多轴自动方式实施TC轴承硬面层,也可以手动施加。焊枪以PTA等离子转移电弧法的工艺方法操作。焊枪具有内管中的电极1,外管8在内管7周围延伸,界定了环形通道3。硬面材料粉料(除第一硬面材料组分外)2和惰性气体有储料漏斗向下送入环形通道3,喷嘴4位于环形通道的下端。保护气体向下流入电极和内管之间,在电极和TC轴承表面11之间提供直流电产生电弧9,其产生含粉末状硬质堆焊物质的等离子流5,使粉末熔化堆积到希望施加硬质层的表面,电弧的温度至少使连接粘结材料熔化,同时第一硬面材料组分通过金刚石粉末独立输送通道15供粉,供粉喷嘴位置6临近等离子弧由惰性气体保护供粉,直接施加到堆焊硬质层10中,形成最终的硬面材料,并且要求硬面材料牢固结合在TC轴承本体表面。详见图3-4,TC轴承本体12的外圆柱表面或内表面堆焊过渡层13和金属基复合型硬面材料层14。
堆焊完成后,为了避免快速冷却导致耐磨堆焊层开裂,应立即放到加热炉内缓慢冷却,目的减少表面开裂、减少组织应力,提高焊接强度。最后经车床和磨床加工为所需要尺寸的TC轴承。
实施例1
过渡层的Ni基合金粉末,按重量(g),包括C0.4Cr7B1.0Si3.0,其余为Ni。
各硬面材料占总硬面材料的重量比(g)为:第一硬面材料为5,破碎铸造碳化钨为15,烧结球形碳化钨为55,碳化钒为5;
金属粘接基质和硬面材料的组分,按重量(g),金属粘接基质30、硬面材料70
实施例2
过渡层的Ni基合金粉末,按重量(g),包括C0.8Cr14B5.0Si4.5,其余为Ni。
各硬面材料占总硬面材料的重量比(g)为:第一硬面材料为15,破碎铸造碳化钨为25,烧结球形碳化钨为75,碳化硼为3;
各硬面材料占总硬面材料的重量比(g)为,金属粘接基质50,硬面材料50。
实施例3
过渡层的Ni基合金粉末,按重量(g),包括C0.6Cr10B3.0Si4.0,其余为Ni。
各硬面材料占总硬面材料的重量比(g)为:第一硬面材料为8,破碎铸造碳化钨为18,烧结球形碳化钨为60,碳化钒为2;
各硬面材料占总硬面材料的重量比(g)为,金属粘接基质35、硬面材料65。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,具体步骤如下:
一、预制TC轴承本体,常规时效热处理后,再进行预热处理,温度为200—350℃,保温一小时;
二、在TC轴承本体端面堆焊过渡层,过渡层采用等离子堆焊的Ni基合金粉末熔融成过渡层,过渡层的表面增加粗糙度或增设浅凹槽,厚度为小于2mm;
三、在过渡层表面堆焊金属基复合型硬面材料层,使用等离子体转移电弧设备采用气体保护进行表面硬面材料的堆焊,
所述金属基复合型硬面材料层由金属粘接基质和硬面材料组成;
所述金属粘接基质为镍基合金的自溶合金粉末;
所述硬面材料包括第一硬面材料、第二硬面材料和第三硬面材料,其中:第一硬面材料采用商品合金金刚石粉末;第二硬面材料主要由破碎铸造碳化钨与烧结球形碳化钨组成;第三硬面材料主要由碳化钒或碳化硼组成;各硬面材料占总硬面材料的重量份数比为:第一硬面材料为5-15,破碎铸造碳化钨为15-25,烧结球形碳化钨为55-75,碳化钒或碳化硼为≤5;
四、等离子体转移电弧设备设置独立的供粉通道,第一硬面材料的商品合金金刚石粉末通过独立供粉通道送入,供粉通道的供粉喷嘴临近等离子弧并通过惰性气体保护,商品合金金刚石粉末直接施加到堆焊硬质层中与第二硬面材料和第三硬面材料结合熔化,形成金属基复合型硬面材料层。
2.根据权利要求1所述的TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,其特征是:所述过渡层的Ni基合金粉末,按重量份数,包括C0.4~0.8Cr7~14B1.0~5.0Si3.0~4.5,其余为Ni。
3.根据权利要求1或2所述的TC轴承金属基复合型硬面材料层的堆焊方法,其特征是:所述金属粘接基质和硬面材料的组分,按重量份数,金属粘接基质30-50、硬面材料50-70。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131113 |