表面加硬用合金、方法和产品技术

揭示了一种能经受硅质地层颗粒等的磨损、能焊接在工业产品如用于石油和天然气打井的钻具接头和稳定器以及其它工业产品上，而不会出现裂纹的表面加硬用合金。所述表面加硬用合金焊接后不需加工就具有低摩擦系数、高耐磨损性，且在钻具接头和稳定器中，获得钻具接头和稳定器的耐磨性与引起的套管磨损之间最佳的平衡。本发明专利技术其它实施方式包括将表面加硬用合金（２４）焊接在钻具接头的套管和销子部件的外层圆柱形表面（２２）上和焊接在用于钻地如石油和天然气钻井的稳定器的稳定肋条上以及其它工业产品上的钻具接头；制造所述表面加硬合金的方法；在表面上施加所述表面加硬用合金的方法，包括预热和焊接后处理的条件，为的是抵抗磨损。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐磨损性高的、可用于提高需经受磨损的工业产品表面使用寿命的表面加硬合金领域，这些工业产品例如在石油和天然气钻探的钻柱中使用的钻具接头、钻环和稳定器以及经受磨损的其它工业产品。
技术介绍
由于将近95％的地壳表层是由磨损性的、能导致钻具接头和稳定器表面和其它工业产品易磨损表面显著磨损的硅质材料组成，故对用于钻地如在地壳中钻井来生产石油或燃气的钻具接头和稳定器的使用寿命来说，一直存在着严重的问题。为此作出了许多尝试提供适合于在钻具接头上焊接保护性的表面加硬合金。关于已有技术中钻具接头用的表面加硬的描述，可参见美国专利No.4,256,518，《the composition catalog of oil field equipment andservices》，1976/77版，第3216-19和4994-5页以及美国专利No.3,067,593。同时，关于使用表面加硬材料如碳化钨颗粒，在钻具接头上形成硬化表面来提高耐磨性，可参见公布于1976年11月2日的美国专利No.3,989,554和由BookDivision of Gulf Publishing Company，Houston，Texas于1971年出版的J.E.brantly所著的《The History of Oil Well Drilling》。也可参见美国专利2,259,232、2,262,211、4,431,902和4,942,059，它们都说明了各种对钻具接头表面加硬的已有技术方法。历史上，在实践中钻柱(管)，如用在油井和燃气井钻探的钻柱上的钻具接头，已在套管的末端的底部覆盖碳化钨，用来抵抗钻具接头上钻孔中岩石土层的磨损作用。这存在三个缺点。碳化钨很昂贵，它对它操作所在的套筒起着切割工具的作用，而且基体为软性钢材，它很容易磨蚀，导致碳化钨颗粒的脱落。多数比硅质地层材料硬的已有技术中的表面加硬用材料都是脆性易裂的。这些表面加硬用材料属于著名的“高铬-铁”类合金，它们之所以耐磨性高，是由于有共晶和/或过共晶型铬-碳化物显微结构。在其焊接后的状态中，无论采取什么预防措施，这些表面加硬覆盖层总是会或多或少地出现密的裂纹网络。预热需表面加硬的基材并不是必要的。相反，预热温度和中间过程温度越低，裂纹网络就越密，这一点，从使用条件下裂纹向基材传播危险的角度看，是个有利的因素。在钻管的钻具接头或稳定器进行表面加硬的50年历史中，在美国专利No.5,244,559的专利技术之前，在实践中从没使用过表面加硬用材料，因为它在应用过程中会出现裂纹。但是在多数工业中，组成一给定设备的结构和装置的金属部件必须具有完整性，即指不会出现任何类型的裂纹，主要是由于这些裂纹会在整个部件中会发展，终至使其破坏。当涉及生命死亡或者导致巨大财产损失时，对完整性的要求就尤其严格。这种工业产品的例子为在化学工业中使用的高压容器，建筑物和桥梁中的结构部件以及石油和天燃气工业中的地下钻孔设备。硅质土层颗粒具有约800布氏硬度指数(BHN)。在美国专利No.5,244,559中，所用的表面加硬用材料是在硬度至少为300～600BHN的基体中含有硬度约为1700BHN初级碳化物的高铬-铁族材料。这些高硬度初级碳化物的拉伸强度很小，因此从熔融状态冷却下来时它们会断裂，断裂出现的多少决定于金属和碳化物的混合物中初级碳化物的相对量。因此，这种比硅质土层材料硬的表面加硬用材料，在进行焊接或者整体焊接施加时，会沿着焊缝形成收缩裂纹。对于钻具接头的表面加硬和其它工业产品的表面加硬，这种材料已经广泛和成功地应用了许多年。虽然所述材料已经在市场中被广泛接受，但是有些用户仍旧表达了对钻具接头进行表面加硬用合金的需求，该合金应具有包括在钻孔套管中尽可能小的磨损并且不出现焊接裂纹，来使机械故障的危险降至最小的性能。能提供一种具有高耐磨性、能焊接沉积并且不出现裂纹的显微结构的表面加硬合金组合物，它不需要加工硬化就能获得能经受使用环境如硅质颗粒磨损的硬度性能，此外，它具有低的摩擦系数，以便通过对钻具接头和稳定器进行表面加硬而使套管磨损降至最小，这是很需要且有益的。专利技术概述本专利技术涉及这样一种表面加硬合用金组合物和工业产品，例如用所述合金组合物进行表面加硬的钻具接头和稳定器和用所述合金组合物进行表面加硬的其它工业产品，如下文所述，它所产生的合金中的显微结构，其特点为能经受使用环境的高耐磨损性能，如对硅质岩石形成物和颗粒的耐磨损性，它具有低摩擦系数，能产生优良的金属-金属耐磨性和最小的套管磨损，并且当使用适当预热和后冷却处理条件时，不会出现焊接裂纹的性能。本专利技术的表面加硬合金尤其适于在易磨损的钻具接头和稳定器的表面上进行焊接(表面加硬)，能在保持其不出现裂纹的状态下提供良好的耐磨保护。本专利技术的表面加硬用合金具有低的摩擦系数，能提供优良的金属-金属耐磨损性和优良的耐磨性，并且在表面加硬的接头情况下，在使引起的套管磨损最小化和使钻具接头耐磨性最大化(例如，相比美国专利No.5,244,559的表面加硬合金，其套管磨损约低40％)之间获得最佳的平衡。在各种气体如CO2和氩气基混合气的气氛中，使用自屏蔽(明弧)焊管状焊丝和埋弧焊管状焊丝的条件下，使用以下产品和方法，可以将所述表面加硬用合金焊接在一表面上。所述表面加硬用合金在未被基体金属稀释时其全焊接金属组成含有约0.65～1.1％碳、约4.5～10.5％铬、约0.05～1.0％钼、约0.65～1.5％锰以及包含痕量元素杂质的余量铁。未被稀释和焊态的表面加硬用合金具有约48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。当所述表面加硬用合金在普通高碳钻具接头钢上焊接一单层时，其硬度达到约55Rc(560BHN)。而且其特点为对硅质岩石形成物和颗粒的高耐磨损性、能产生优良的金属-金属耐磨损性以及能使引起的套管磨损显著降低的低摩擦系数、以及由马氏体连同约10～40％奥氏体组成的显微结构。如后所述，当使用预热和焊接后冷却的条件时，它可以单层和双层焊接而不会出现裂纹。它可以沉积在原先就存在的焊接沉积物，如碳化钨沉积物和许多其它原先存在的表面加硬沉积物上。本专利技术的实施方式包括表面加硬用合金组合物以及用该表面加硬用合金组合物表面加硬的钻具接头和稳定器。例如，与钻管连接的钻具接头具有用于接受带螺纹销子部件的内部带螺纹的套管、圆柱形外表面和焊接在该圆柱形外表面上，以及其销子部件上(若需要的话)的表面加硬用合金组合物层，该表面加合金组合物层在保持不出现裂纹的状态下可以提供钻具接头免于硅质岩石形成物对其磨损的保护。同时，连接于钻管的稳定器具有用表面加硬用组合物表面加硬的稳定器肋条，稳定器的作用是将钻管稳定在钻孔和套管中。本专利技术的方法包括将表面加硬合金用在工业产品上，如通过上述明弧焊、气体保护弧焊或者埋弧焊使用管状焊丝进行焊接，且在下述条件下进行焊接前的预热和焊接后的冷却下对钻具接头和稳定器进行表面加硬。本专利技术的其它实施方式是具有要求高耐磨损性的工业产品，其易磨损表面焊接有本专利技术的组合物进行了表面加硬，这样的工业产品例如耐磨损的金属板和如上所述的其它需要耐磨性的工业结构体。有利的是，所述表面加硬用合金可以如上所述使用预热和焊接后热处理，以不出现裂纹的状态以单层和双层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于焊接在需要耐磨损表面上的表面加硬用合金，以重量计，该合金包含： 约０．６５～１．１％碳、约４．５～１０．５％铬、约０．０５～１．０％钼以及包含痕量元素杂质的余量铁，该合金具有约４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）～５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）的硬度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RA达门，
申请(专利权)人：ATT技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]