金刚石与碳化钨的复合堆焊

文章编号:1000-2634(2003)05-0071-03

金刚石与碳化钨的复合堆焊Ξ

黄本生1,李西萍2,刘清友2

(1.西南石油学院材料科学与工程学院,四川南充637001;2.西南石油学院)

摘要:用特殊方法将金刚石包熔在较厚的金属合金中,并制成以金刚石和WC为主要成分的复合焊条。堆焊试验表明:包熔处理后避免了焊接高温对金刚石的烧损、可焊性良好、金刚石的高抗磨性得到了有效地发挥。

关键词:金刚石;包熔;堆焊

中图分类号:TE921.1;　TG142.33 文献标识码:A

金刚石所具有的高硬度、高抗磨性使其在工具材料中享有很高的地位。随着人造金刚石制造技术的不断发展和提高,金刚石工具的使用也日趋广泛,尤其是在石油、地质钻井工具上更是越来越多地用到金刚石。三牙轮钢齿钻头传统的齿面硬化工艺是采用碳化钨堆焊,近年来随着钻头轴承系统的不断改进和完善,齿面抗磨能力不足便成了限制钻头寿命提高的关键。为了在提高齿面抗磨性方面有所突破,人们把目光投向了金刚石,但是如何使金刚石与齿面之间牢固地结合则是一个至关重要的技术难题。

实际上,金刚石与基体的结合性能差一直是制约金刚石工具制造水平提高的关键。造成这个问题的主要原因有两个:一是金刚石的非金属性决定了它与一般金属液之间具有很高的界面能,不能被良好地润湿,因而影响结合性能。近年来金刚石表面金属化技术的不断发展、日臻完善,为这一问题的解决开辟了有效的途径。我们也曾用盐浴的方法实现了金刚石表面渗覆钛(Ti)处理[1],X射线衍射分析表面表明,处理后的金刚石表面结构变成了:金刚石表面+碳化钛(TiC)+钛(Ti)(外表面),见图1。影响金刚石与基体结合性能的另一个重要原因是金刚石石墨化倾向。石墨化的开始温度受加热介质中的含氧量影响很大,在氧气中约为660℃;在空气中是850℃左右;而在高真空中则高达1600℃[2]。金刚石的石墨化给工具制造过程中的高温操作带来极大的不便,除一些小件可用真空烧结外,大部分都避免高温加热而采用机械镶嵌、电镀[3]、粘结、低熔点金属钎焊等方法,来实现金刚石与基体金属的结合,其连接强度低、抗冲击能力差,工作过程中金刚石易脱

落,影响工具的使用效率和寿命。

图1　金属化金刚石表面结构(X射线衍射)

如果能用普通熔化焊方法,像堆焊碳化钨颗粒一样将金刚石焊接在基体金属上,无疑会根本改善金刚石与基体的结合性能。正是基于这种设想,本文试验了在真空炉中将金刚石用较厚的合金层包熔处理,然后与碳化钨(WC)颗粒混合,用O2+C2H2火焰堆焊在钻头牙轮钢(20Ni4Mo)上,取得了满意的效果。

1　金刚石的真空包熔

用较厚的金属合金层将金刚石包熔,目的是要在焊接条件下有效地隔绝氧对金刚石的作用,保证金刚石的稳定性,抑制石墨化转变。试验用人造金

第25卷　第5期 西南石油学院学报 Vol.25　No.5　2003年　10月 Journal of S outhwest Petroleum Institute Oct　2003　Ξ收稿日期:2002-10-25

基金项目:CNPC中青年创新基金项目。

作者简介:黄本生(1969-),男(汉族),安徽巢湖人,工学博士,主要从事能矿及资源综合利用方向研究工作。

刚石为MBD8型,粒度为40～50目,包熔处理前经

过金属化渗覆钛(Ti )处理,其表面结构为金刚石(内表面)+碳化钛(TiC )+钛(Ti )(外表面)。合金粉包覆在金刚石表面,并保证有足够的厚度,然后放入真空炉中,在高真空下加热至合金的固相线温度附近,并适当保温后随炉冷却

。

图2　包熔后的金刚石(SEM

)

图3　包熔层组成示意图

包熔处理后金刚石的SEM 照片见图2。包熔层的组成示意图为图3,图4、5是包熔及堆焊后的金

相照片。包熔层的平均厚度为0.1mm 。

2　金刚石与碳化钨的复合焊

2.1　堆焊用焊条的制备

试验用的碳化钨为球型和铸造碳化钨两种,球型碳化钨牌号为YQ4,粒度为20～30目;铸造碳化钨牌号为YZ3,粒度为20～30目。

制备时将碳化钨、经过金属包熔处理的金刚石、自制的合金粉末,三者按一定的比例均匀混合在一起,然后装入焊条管中,以备堆焊之用。2.2　焊接工艺及特点

金刚石的焊接方法研究过多种,如盐浴焊,真空炉中焊,低熔点合金钎焊等,这些方法均能将金属化后的金刚石焊牢。但加入碳化钨后要达到较厚的焊层,以上方法都很困难。而井下工具,例如在三牙轮

钢齿钻头上单纯只焊一层金刚石,下井试验结果是失败的。原因是焊层太薄,约为0.3～0.4mm ,另外金刚石虽有很高的硬度和耐磨性,

但其抗压强度较低(40～50目单颗粒抗压强度约为120N ),钻井过程中如81/2″钻头要承受15～16t 的钻压和较大的冲击载荷,则金刚石过早的破碎、磨损和脱落,故使用寿命不高。加入球型碳化钨YQ4(20目),其单颗粒抗压强度平均1.9kN ,它能很好地起到在高钻压的支撑作用,使焊层中的金刚石承受较少的压挤,主要起抗磨作用。这样在焊层中的多层金刚石的优越性便能更好地发挥,钻头寿命显著提高

。

图4　金刚石和合金焊接组织OMI 85

×

图5　金刚石焊接组织OMI340×

为实现碳化钨与金刚石的复合焊,采用了O 2+C 2H 2气焊。气焊是碳化钨堆焊的常用方法,该工艺

加热温度较低,碳化钨基本上不受烧损。但是金刚石容易烧损的程度远高于碳化钨,为了避免金刚石在气焊时的烧损,研究用金刚石的金属包熔技术来解决这一问题,通过堆焊试验,证明效果很好。此外,在焊接工艺上采取了一些相应措施:加热火焰采用碳化焰,使金刚石处于还原气氛中焊接,有利于防止其石墨化;工件预热温度较高,这样就减少堆焊材料直接受火焰作用的时间,堆焊后的金相组织和扫描电镜照片见如图4至图8。

图4为堆焊层组织照片,图中左边二颗黑色为金刚石,右边半颗,为碳化钨,周围白色是焊接合金,

27西南石油学院学报 2003年