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1、长 春 工 业 大 学毕 业 论 文 题 目：等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层 在石油钻杆接头上的应用学 院：材料科学与工程学院专 业：材料成型及控制工程班 级：姓 名： 指导教师： 2011 年 6 月 02 日长春工业大学本科毕业论文摘 要石油钻杆接头是在石油勘探开采钻井时，用于连接上、下钻杆的重要部件，由于其长期工作在含砂多，且有一定腐蚀性介质的井下，所以要求其具有优良的耐磨、耐蚀性能。为了改善其耐磨、耐蚀性能，提高其使用寿命，目前国内许多企业采用粉末等离子喷焊的方法在其接头部位喷焊一层耐磨带。虽然钴基、镍基粉末耐磨、耐蚀性较好，但价格昂贵，成本太高。本课题旨在研制一种适用于石油钻杆接头耐磨
2、带的铁基合金粉末材料，来降低生产成本。本课题设计了适合于石油钻杆接头耐磨带的铁基合金粉末的成分，采用混粉法制备该合金粉末；并采用等离子喷焊的焊接方法在低碳钢基材上进行焊接，确定了最佳喷焊工艺参数；分析和测试了喷焊层的微观组织和结构及耐磨性能。实验结果表明，喷焊层主要由：-Fe、Cr23C6 、(Cr,Fe)7C3以及NiB、莱氏体等化合物相组成。焊层冶金结合较好，组织致密，稀释率低，无裂纹、夹杂等缺陷。同时拥有较高的硬度（5559HRC）和耐磨性，具有较大的应用价值。关键词：铁基合金粉末、等离子喷焊、石油钻杆接头、组织、性能AbstractOil drill pipe joint is the
3、 important component of connecting the upper and lower drill pipes in the oil exploration and exploitation under drilling, because it works in the environment of having more sand and full of certain corrosive media pit in the long-term,so its excellent wear resistance and corrosion resistance are re
4、quired. In order to improve their wear and orrosion resistance, improve their life. At present, many enterprises spray a wear-resistant layer in the joint surface using the method of powder plasma spray.Although cobalt, nickel powder wear and corrosion resistance is better, but expensive, the cost i
5、s too high. The project plans to develop a kind of iron-based alloy powder material for the oil drill pipe joint so as to reduce the production costs.The project designes iron-based alloy powder composition for the oil drill pipe joint.And producting the alloy powder by mechanical alloying.welding i
6、n the low carbon steel substrate by plasma spray welding method.Adjusting the optimum spray parameters.Analysis and testing the microstructure and wear resistance of the spray layer. The results show that spray coating mainly composed of: -Fe, Cr23C6, (Cr, Fe) 7C3, and NiB, and the ledeburite phase.
7、The metallurgical bonding of spray layer is well ,the organization is dense,the dilution is low,no cracks、inclusions and other defects. At the same time,the spray layer has a higher hardness (55 59HRC) and wear resistance,and with great value.Key words: iron-based alloy powder, plasma spray, oil dri
8、ll pipe joints, microstructure, properties目 录第一章 绪 论11.1 前言11.2热喷焊技术11.2.1 热喷焊技术的原理11.2.2 热喷焊技术的特点11.3等离子喷焊21.3.1等离子喷焊的原理及特点21.3.2影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数31.3.3喷焊用粉末61.3.4等离子喷焊的应用范围71.3.5国内外等离子喷焊备现状及发展趋势91.4 石油钻杆接头121.4.1 石油钻杆接头井下工作环境121.4.2石油钻杆接头的失效形式及使用寿命121.4.3国外对石油钻杆接头的研究现状131.5本课题研究背景及意义13第二章 实验材料、设备及
9、方法142.1 实验材料及设备142.1.1 基体材料142.1.2 喷焊材料142.1.3喷焊设备142.1.4摆动式球磨机152.2铁基合金粉末的研制162.2.1合金粉末成分设计162.2.2合金粉末的制备172.2.3粉末的性能182.3 实验方法192.3.1 喷焊试验方法192.3.2等离子喷焊焊接工艺参数202.3.3喷焊层试样的制备及组织观察202.4喷焊层组织分析及性能测定202.4.1硬度的测定202.4.2喷焊层物相分析212.4.3 耐磨性试验21第三章 喷焊层的微观组织与性能分析223.1喷焊层硬度分析223.1.1 喷焊层的结合强度223.1.2 喷焊层的显微硬度2
10、23.1.3 喷焊层的宏观硬度243.2 焊层的磨损性能253.2.1铁基喷焊层的磨粒磨损机理253.2.2 喷焊层和基体在油润滑下的磨损263.3喷焊层的微观组织分析273.3.1焊层的微观组织特点273.3.2熔合区，热影响区及基体母材区的微观组织特点303.4 喷焊层缺陷分析313.4.1.气孔313.4.2改善措施32第四章 结论33致谢34参考文献35I第一章 绪 论1.1 前言磨损、腐蚀和断裂是机械零部件，工程构件的三大主要破坏形式，它们所导致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失占非常大的比重。我国对摩擦磨损造成的经济损失进行全面彻底的调查分析，指出
11、：此项损失至少占国民总产值的1.8%。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告中指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为200亿美元1。众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机件失效有许多是从表面开始，为了解决材料的磨损和腐蚀，需要采取表面防护措施延缓和控制表面的破坏。在解决的同时，促进了表面工程科学与表面技术的形成与发展。表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，表面工程技术围绕腐蚀、摩擦和功能特性（声、光、磁、电的转换等）三大要素，成为20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为21
12、世纪主导技术之一2。表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基材表面具有不同于基材的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术，表面薄膜制备技术和表面涂层技术3。1.2热喷焊技术 热喷焊主要包括粉末火焰喷焊和等离子弧喷焊，喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊和等离子弧喷焊两类。火焰喷焊通常是先形成涂层，之后再用火焰加热
13、涂层，又称其为“重熔”处理。而等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的。经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。1.2.1 热喷焊技术的原理 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术4。1.2.2 热喷焊技术的特点喷焊与喷涂过程不同，合金粉末在基材表面有一个重熔并铺展的过程，因此决定了喷焊的如下几个基本特点5：（1）热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高，这是热喷焊层与热喷涂技术相比的最大优点。热喷焊层与基材为冶金结合，其强度是一般热喷涂层的10倍。特别是热喷
14、焊技术可以涂覆超过几个毫米厚的涂层而不开裂，这是普通热喷涂技术无法达到的。因此热喷焊层可以用于重载零件的表面强化与修复。（2）热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，这主要是因为如下几个原因：第一，喷焊材料在液态下应该能够在基材表面铺展开，即能够润湿基材；第二，喷焊材料必须能够与基材相容，即它们在液相和固相下必须有一定的溶解度，否则无法形成熔合区，亦即无法形成冶金结合；第三，基材的熔点应该高于喷焊材料的熔点，否则容易导致基材塌陷或者工件损坏；第四，热喷焊材料在凝固结晶过程中，应该尽量避免产生热裂纹，或者使基材热影响区产生裂纹。因此，热喷焊工艺只能适合与一些特定的金属材料（包括基材与粉末）。（3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多，由于热喷焊时要求粉末完全熔透，因此基材受热时间比较长，表面达到的温度比热喷涂高得多，导致基材的变形较大、热影响区较深等。因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热喷焊技术。 （4）热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别，热喷焊过程中基材表面会少量熔化，并与喷焊材料发生合金化，导致喷焊层的成分与原来设计的喷焊材料成分有差异。一般将基材熔入喷焊层中的质量分数称为喷焊层的稀释率，用公式(1-1)表示为 (1-1) 式中，为喷焊层的稀释率；A为喷焊的金属质量；B为基材熔化的金属质量。显然，稀释率越大，喷焊
