一种钴基等离子粉末堆焊材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种钴基等离子粉末堆焊材料及其制备方法和应用，该钴基等离子粉末堆焊材料以粒度60～100目的烧结WC‑Co硬质合金颗粒为耐磨相、以粒度100～325目的钴基合金粉为粘结相，其中，耐磨相所占的重量百分比为20～60％，粘结相所占的重量百分比为40～80％。本发明专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料具有完美的耐磨性和抗冲击性组合，特别适合于耐磨要求特别高的密封轴承进行表面强化，也可用于受载特别高的开放式环境提高耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
一种钴基等离子粉末堆焊材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及堆焊领域，特别涉及一种钴基等离子粉末堆焊材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着钻井工程、采矿工程、建筑工程、地质工程的不断发展，机械工具对自身整体性能、特殊部位耐磨性能以及使用寿命的要求越来越高，催生了堆焊耐磨强化技术的进步。众所周知，机械工具的工作状态要十分稳定可靠，一旦发生异常失效或早期失效，将带来重大的经济损失甚至严重的安全事故，然而，恶劣工作环境下的机械工具通常承受的磨损非常严重，承受的冲击和振动更是加剧磨损，譬如：在钻井工程中，牙轮钻头、金刚石混合钻头、螺杆钻具等钻具产品需要进行耐磨增强或耐磨保护的部位越来越多，对耐磨性能的要求也越来越高；在采矿工程中，牙轮钻头、潜孔钻头、钎具等产品对耐磨保护的要求也越来越高；建筑工程和地质工程也存在大量增强耐磨性的需求。而轴承表面是上述机械工具中需要特别强化保护的部位，也是最可能发生严重失效的部位，如果不对这些部位进行有效的保护，将极大地影响整个机械工具的使用寿命，增大机械工具的使用风险。为了使机械工具在设计寿命内有效运行，研究人员陆续开发出金属布强化、重熔强化、火焰堆焊强化、热喷涂强化、等离子转移弧堆焊(简称PTA堆焊)强化等强化工艺，防止需强化保护的部位发生提前失效。其中，PTA堆焊由于具有自动化程度高、堆焊层均匀性与一致性好、可获得的堆焊层厚度大及厚度简单可调等多种优势，目前已经成为一种比较成熟的焊接工艺方法，具有良好的应用前景。目前，加入碳化钨类硬质相的等离子粉末堆焊材料都是以镍基合金作为粘结相，其耐磨相(也称为硬质相)主要是以各种形式的碳化钨、铸造碳化钨颗粒为主，也有混合使用铸造碳化钨与烧结碳化钨颗粒的，只是镍基合金中加入烧结碳化钨颗粒后，由于镍与钴的相容性不好其焊接工艺性会变差，所以在镍基合金中加入烧结碳化钨颗粒的加入量和应用场合是受到严格控制的。镍基等离子粉末堆焊材料的主要问题是作为粘结相的镍基合金本身的强度较低、耐磨性较差。粘结相强度低导致粘结相对耐磨相的夹持力不高，堆焊层整体的承载能力不高；耐磨性低则在磨损条件下粘结相很容易先被磨掉，从而失去对耐磨相的支持作用，导致一部分耐磨相发生早期剥落，宏观上表现为堆焊层的耐磨损能力不足。钴基等离子粉末堆焊材料有粘结相强度高、耐磨性好的特点，但其两个主要问题严重限制了其应用。一是钴基粘结相与耐磨相的适应性很差，钴基合金不能与铸造碳化钨颗粒混合使用，钴与铸造碳化钨高温下相遇会形成一种极脆的中间相η相；二是钴相在冷却过程中会发生的一个同素异构转变，使粘结相的塑性降低，堆焊层容易发生开裂。因此钴基合金对与其配合的耐磨相有特别严格的要求，目前未见有钴基合金与耐磨相配合使用作为等离子堆焊材料的先例。
技术实现思路
本专利技术提供一种钴基等离子粉末堆焊材料及其制备方法和应用，以解决相关技术中钴基合金与耐磨相不能配合使用的难题，极大地提升了堆焊层的承载能力、耐磨损能力和抗冲击性能。本专利技术提供的技术方案如下：本专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料，由耐磨相和粘结相组成，以粒度60～100目的烧结WC-Co硬质合金颗粒为耐磨相、以粒度100～325目的钴基合金粉为粘结相，其中，耐磨相所占的重量百分比为20～60％，粘结相所占的重量百分比为40～80％。较粗的烧结WC-Co硬质合金颗粒与较细的钴基合金粉组合既能保证粉末混合的均匀性又能显著减少烧结WC-Co硬质合金颗粒在焊接过程中的烧损和熔解，有力地改进了堆焊材料的焊接工艺性，避免了堆焊层在冷却过程中的开裂，充分地发挥了堆焊层中烧结WC-Co硬质合金颗粒的耐磨损性能。作为上述技术方案的优选，烧结WC-Co硬质合金颗粒中，WC所占的重量百分比为84～97％，Co所占的重量百分比为3～16％。作为上述技术方案的优选，烧结WC-Co硬质合金颗粒为球形或类球形颗粒。作为上述技术方案的优选，所述烧结WC-Co硬质合金颗粒的制备方法为：将WC粉与钴粉混合后球磨，所得混合粉干燥后依次制粒、挤压团球、软坯过40-80目筛、烧结、过60-100目筛，即得到所述烧结WC-Co硬质合金颗粒。作为上述技术方案的优选，所述钴基合金粉中，钴的重量百分比为50.0～85.0％，碳的重量百分比为1.0～3.0％，铬的重量百分比为5.0～32.0％，钨的重量百分比为4.0～16.0％，镍、钼、铁、硅的重量百分比之和不超过5.0％。作为上述技术方案的优选，钴基合金粉为100～325目连续级配，粒度100～140目的钴基合金粉中钴的重量百分比为28.0～33.0％，粒度140～200目的钴基合金粉中钴的重量百分比为38.0～43.0％，粒度20～325目的钴基合金粉中钴的重量百分比为28.0～33.0％。本专利技术提供的上述钴基等离子粉末堆焊材料的制备方法，包括如下步骤：将烧结WC-Co硬质合金颗粒和所述钴基合金粉按重量百分比称重后倒入三维混料机中，机械混合2小时以上，混合均匀，即得到所述钴基等离子粉末堆焊材料。本专利技术还提供钴基等离子粉末堆焊材料的应用。本专利技术提供的机械工具表面强化方法为：利用PTA堆焊工艺将上述钴基等离子粉末堆焊材料堆焊于机械工具表面。作为上述技术方案的优选，机械工具为螺杆钻具或密封轴承。本专利技术的原理为：本专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料以钴基合金作为粘结相，以烧结WC-Co硬质合金颗粒为耐磨相。作为粘结相的钴基合金相较于镍基合金有更高的强度与耐磨性，而作为耐磨相的烧结WC-Co硬质合金颗粒相比于碳化钨、铸造碳化钨，耐磨损能力更好，抗极压能力更强，抗冲击能力更好，特别是在极压条件下具有极高的抗磨损能力。因此，本专利技术涉及的钴基PTA耐磨堆焊材料因粘结相和耐磨相的耐磨损能力均有提高，整体耐磨损能力有显著提高。本专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料，钴基合金与烧结WC-Co硬质合金颗粒的润湿性与相溶性特别好，粘结相对烧结WC-Co硬质合金颗粒的夹持力特别强，其堆焊层具有极高的承载能力、抗磨损能力和抗冲击能力，特别适合在有极高承载强度与耐磨损要求的工件上进行PTA堆焊强化，适用于承载强度高同时要求耐磨、抗冲击的轴承表面强化，也适用于耐磨要求极高的工件如螺杆钻具壳体、截齿、钢齿等的外表面强化。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果包括：(1)本专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料具有良好的等离子堆焊焊接工艺性，粘结相与耐磨相完全溶合且结合力强，形成的堆焊层具有极高的承载能力、同时具备完美的高耐磨性和高抗冲击性组合性能，综合性能远高于现有镍基等离子粉末堆焊材料。(2)本专利技术提供的钴基等离子粉末堆焊材料用于强化牙轮钻头和混合钻头轴承表面时，由于作为粘结相的钴基合金不仅本身强度高、耐磨性好，对耐磨相的夹持能力也特别强，作为耐磨相烧结WC-Co硬质合金颗粒具备抗极压能力强、耐磨性高和抗冲击性十分优异，因此，应用本专利技术提供的等离子粉末堆焊材料形成的堆焊层不仅具有极高的承载能力、还具备高耐磨性和高抗冲击性，能特别提高钻头轴承表面的抗冲击振动能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钴基等离子粉末堆焊材料，由耐磨相和粘结相组成，其特征在于：以粒度60～100目的烧结WC-Co硬质合金颗粒为耐磨相、以粒度100～325目的钴基合金粉为粘结相，其中，耐磨相所占的重量百分比为20～60％，粘结相所占的重量百分比为40～80％。/n

【技术特征摘要】
1.一种钴基等离子粉末堆焊材料，由耐磨相和粘结相组成，其特征在于：以粒度60～100目的烧结WC-Co硬质合金颗粒为耐磨相、以粒度100～325目的钴基合金粉为粘结相，其中，耐磨相所占的重量百分比为20～60％，粘结相所占的重量百分比为40～80％。


2.根据权利要求1所述的钴基等离子粉末堆焊材料，其特征在于，所述烧结WC-Co硬质合金颗粒中，WC所占的重量百分比为84～97％，Co所占的重量百分比为3～16％。


3.根据权利要求1或2所述的钴基等离子粉末堆焊材料，其特征在于：所述烧结WC-Co硬质合金颗粒为球形或类球形颗粒。


4.根据权利要求3所述的钴基等离子粉末堆焊材料，其特征在于：所述烧结WC-Co硬质合金颗粒的制备方法为：将WC粉与钴粉混合后球磨，所得混合粉干燥后依次制粒、挤压团球、软坯过40-80目筛、烧结、过60-100目筛，即得到所述烧结WC-Co硬质合金颗粒。


5.根据权利要求1所述的钴基等离子粉末堆焊材料，其特征在于:所述钴基合金粉中，钴的重量百分比为50.0～85.0％，碳的重量百分比为1.0～3.0％，铬的重量百分比为5.0～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张烈华，陈文婷，王晋春，张兴品，
申请(专利权)人：中石化江钻石油机械有限公司，中石化石油机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42