湯小文1 ,黃本生1 ,楊眉1 ,王子瑜1
　　 (1. 西南石油學(xué)院機(jī)械工程系,四川南充637001)
　　摘要:為了選擇更合適的鉆頭齒面強(qiáng)化材料,對(duì)多種粒度的球狀燒結(jié)碳化鎢和粒狀鑄造碳化鎢堆焊層分別作了磨料磨損試驗(yàn),以評(píng)價(jià)其抗磨性能。用Ni 基合金作釬料,在高真空度下將硬質(zhì)合金顆粒焊至20Ni4Mo 表面。試驗(yàn)采用多種沖擊能量,磨料介質(zhì)為石英砂、水和少量懸浮劑,用天平稱出磨損失重。結(jié)果表明:球狀燒結(jié)碳化鎢或不同類型和粒度混合的碳化鎢堆焊層都比現(xiàn)行采用的粒狀鑄造碳化鎢具有更好的抗沖擊磨料磨損能力。用球狀燒結(jié)碳化鎢代替粒狀鑄造碳化鎢作鋼齒鉆頭齒面堆焊材料是提高齒面強(qiáng)化效果的有效途徑。
　　關(guān)健詞:鉆頭牙齒;材料;沖擊;磨損
　　中圖分類號(hào):TE8211104 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
　　1 引　言
　　牙輪鉆頭齒面的井下工況極其惡劣,在高鉆壓下與堅(jiān)硬的巖石之間產(chǎn)生壓碎、滑動(dòng)剪切作用并伴有巨大的沖擊、以及含巖屑泥漿的強(qiáng)烈沖刷,一般的鋼鐵材料是不能勝任的。硬質(zhì)合金具有相當(dāng)高的硬度、良好的抗沖擊磨料磨損性能以及較高的熱穩(wěn)定性,一直是牙輪鋼齒鉆頭的齒面強(qiáng)化材料。
　　目前生產(chǎn)上所用的齒面堆焊合金主要是粒度為3040 目的鑄造粒狀碳化鎢。從牙輪鉆頭制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,隨著鉆頭各方面性能不斷提高,尤其是軸承系統(tǒng)的改進(jìn)和完善,使鉆井工藝向提高鉆壓,增加轉(zhuǎn)速,以提高鉆井效率的方向發(fā)展成為可能,相比之下鉆頭齒面抗磨能力不足成了制約鉆頭使用效率和壽命提高的關(guān)鍵,由此看來(lái)對(duì)現(xiàn)行采用的齒面強(qiáng)化材料進(jìn)行改進(jìn),以增強(qiáng)抗磨性能顯得尤為重要。本文中我們將適合于鉆頭齒面堆焊的各種型號(hào)和粒度的碳化鎢合金作了多種沖擊能量下的磨料磨損試驗(yàn),以比較其抗磨能力,為齒面堆焊材料的改進(jìn)提供必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　2 試驗(yàn)材料
　　根據(jù)充分地調(diào)研和技術(shù)分析,我們認(rèn)為現(xiàn)在所用的粒狀鑄造碳化鎢有三個(gè)方面的不足之處:首先從碳化鎢合金類型上考慮,鑄造碳化鎢雖然硬度很高,但脆性大,抗沖擊能力差,加之鑄造過(guò)程中不可避免的缺陷如彌散氣孔、顯微縮松、裂紋等都會(huì)使碳化鎢的性能受影響;其次從碳化鎢的形狀看,粒狀碳化鎢的尖角在裸露出堆焊層基體表面時(shí)極易因沖擊而碎斷,造成先期磨損;另外從碳化鎢顆粒的粒度來(lái)講,它對(duì)耐磨性有明顯的影響,適合于焊接工藝的碳化鎢粒度范圍從10～60 目不等,完全可以從中選出比較理想的粒度搭配,而目前所用的30～40 目的粒度范圍較窄,是否具有最佳的抗磨效果也需要試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本試驗(yàn)中所選碳化鎢合金均來(lái)自自貢硬質(zhì)合金廠,其材料編號(hào)、產(chǎn)品名稱、型號(hào)、粒度及主要成分或組成物如表1。
　　3 　磨損試驗(yàn)
　　3. 1 　試樣備制
　　試樣基體材料為鉆頭牙輪用鋼20Ni4Mo ,加工成20 mm ×10 mm ×10 mmm 長(zhǎng)方塊,分別將上表中列出的各種型號(hào)和粒度的碳化鎢顆粒與水玻璃和自熔性合金粉均勻粘附在鋼體的一端,烘干后放入真空爐中加熱焊接,焊層厚度在2mm 左右。在硬質(zhì)合金堆焊層中,作胎體金屬的自熔性合金一般用Co 基、Ni基、Fe 基或Cu 基合金[1 ] ,考慮到Co 基合金價(jià)格較貴,約為Ni 基合金的3 倍,而Cu 基合金硬度偏低,對(duì)焊層耐磨性影響較大,Fe 基合金雖然價(jià)格最低,但根據(jù)我們?cè)囼?yàn)結(jié)果,焊層有明顯的開裂傾向,所以決定選用Ni 基合金,其主要成分為Cr (14～18) % +B(3～4. 5) % + Si (3. 5～5. 5) % + Fe ≤5 % + Ni 余量,熔點(diǎn)為970 + 1 040 ℃。碳化鎢與Ni 基合金的比例為60∶40 ,選擇這樣的比例主要根據(jù)是在管裝鑄造碳化鎢焊條中碳化鎢約占60 % ,在對(duì)進(jìn)口的銑齒鉆頭解剖后發(fā)現(xiàn)其中耐磨硬質(zhì)點(diǎn)的比例也在60 %左右。為了排除氧- 乙炔氣焊時(shí)容易出現(xiàn)的氣孔、夾渣等焊接缺陷對(duì)試驗(yàn)的影響,我們采用了真空擴(kuò)散釬焊,焊接工藝參數(shù)為:真空度133. 33 ×10 - 3 Pa ;加熱溫度稍高于Ni 基合金的液相線溫度, 約為1 060 ℃;保溫時(shí)間15 min。
　　3. 2 　試驗(yàn)方法與結(jié)果
　　試驗(yàn)在MLD —10 動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,如圖1 所示。
　　對(duì)磨環(huán)為45 鋼表面淬火,其外徑φ = 50 mm ,轉(zhuǎn)速120 r/ min ,環(huán)的大半浸在磨料中;磨料介質(zhì)組成物為20 %石英砂( 60 目) + 80 %水+ 少量懸浮劑(CMC) ;沖擊能量為零(靜磨損) 、15. 3 N·m、24. 65 N·m、32. 5 N·m 等幾種;沖擊頻率均為65 次/ min。每種材料在各種不同的沖擊能量下各作3 只試樣,每只試樣先預(yù)磨10 min 后在1 9 天平上稱出起始重量,然后每磨0. 5 h 后稱重一次,共3 次。試驗(yàn)結(jié)果如表2。
　　4 　試驗(yàn)分析
　　4. 1 　鑄造碳化鎢和燒結(jié)碳化鎢的耐磨性
　　從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,鑄造和燒結(jié)兩種類型的碳化鎢最明顯的差異在于:在靜磨損和沖擊能量值較小時(shí),鑄造碳化鎢表現(xiàn)出很高的抗磨能力,而隨著沖擊能量的增加,鑄造碳化鎢的抗磨能力相對(duì)于燒結(jié)碳化鎢越來(lái)越低。這個(gè)問(wèn)題首先從成分上看,鑄造碳化鎢主要是由WC +W2C 碳化物共晶組成[2 ] ,其結(jié)晶溫度在所有碳化鎢合金中最低,組織細(xì)、硬度高,具有很高的抗靜磨損能力,而燒結(jié)碳化鎢是由WC 加Co 作粘結(jié)金屬燒結(jié)而成,其硬度決定于其中Co 的含量,含Co 量越低,硬度越高。隨著沖擊能量的提高,鑄造碳化鎢脆性大,抗沖擊能力差的特點(diǎn)明顯反映出來(lái),加之鑄造缺陷的影響,抗磨性能大大降低。而燒結(jié)碳化鎢則因其良好的韌性,加之球狀外形的抗沖擊能力較強(qiáng),其耐沖擊磨料磨損能力相對(duì)于鑄造碳化鎢大大提高。對(duì)兩種球狀碳化鎢來(lái)說(shuō),含Co 量低的YQ4 基本上在各種沖擊能量條件下的耐磨性均超過(guò)YQ3。在靜磨損情況下,無(wú)疑燒結(jié)碳化鎢的硬度對(duì)耐磨性起著決定性的影響,含Co 量較低的YQ4 耐磨性超過(guò)YQ3 應(yīng)在情理之中;而在沖擊磨損條件下,可以解釋為焊層中相對(duì)較軟的Ni 基合金和鋼基體承擔(dān)了對(duì)沖擊能量的吸收作用,焊層的抗磨能力實(shí)際上也主要決定于球狀燒結(jié)碳化鎢的硬度,而與其韌性關(guān)系不大。
　　4. 2 　碳化鎢粒度對(duì)耐磨性的影響
　　從試驗(yàn)所選的兩種粒度的鑄造碳化鎢來(lái)看,在靜磨損和小沖擊能量條件下,粗粒度的碳化鎢耐磨性稍高于細(xì)粒度碳化鎢,但是在較大的沖擊能量下,粗顆粒的鑄造碳化鎢抗磨能力較細(xì)顆粒有所降低,其原因可能是粗大顆粒碳化鎢包含的鑄造缺陷更多一些;另外大顆粒碳化鎢的尖角更容易引起應(yīng)力集中,在沖擊載荷作用下發(fā)生崩碎,導(dǎo)致先期破壞。但是對(duì)三種粒度的球狀燒結(jié)碳化鎢YQ4 來(lái)講,在靜磨損和小能量條件下,粒度對(duì)耐磨性沒(méi)有明顯影響,而在大沖擊能量下,中等粒度的20～30 目碳化鎢球粒具有更佳的耐磨性,其原因尚不明了。值得注意的是在7 號(hào)試樣中,我們采用了混合類型和粒度的碳化鎢,除靜磨損外,在各種沖擊能量下均顯示出較高的抗磨能力。在混合類型的碳化鎢焊層中,對(duì)沖擊的抵抗作用主要由粒度較大的球狀燒結(jié)碳化鎢來(lái)承擔(dān),而粒度較小的鑄造碳化鎢則充分發(fā)揮了其抵抗磨料介質(zhì)切割、刮削的作用,另外從粒度搭配上講細(xì)小的鑄造碳化鎢顆粒填補(bǔ)了較大的球狀燒結(jié)碳化鎢的空隙,耐磨質(zhì)點(diǎn)的分布更加均勻、合理。
　　5 　結(jié)　論
　　(1) 從不同類型的碳化鎢合金來(lái)看,在靜磨損條件下粒狀鑄造碳化鎢具有很高的耐磨性;而球狀燒結(jié)碳化鎢則具有更好的抗沖擊磨料磨損能力。
　　(2) 將不同類型和粒度的碳化鎢按適當(dāng)比例搭配后顯示出很高的抗沖擊磨料磨損性能,在這方面仍有探討的余地。
　　參考文獻(xiàn):
　　[1 ] 　陳獻(xiàn)廷. 硬質(zhì)合金使用手冊(cè)[M] . 北京:冶金工業(yè)出版社. 1986. 53～55
　　[2 ] 　中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)(2)[M] . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992. 644～646