鑄鐵表面堆焊co基合金的組織和性能研究

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1、石油機(jī)械2010牟第38卷第9期CHINAPETROLEUMMACHINERY．．試驗(yàn)研究鑄鐵表面堆焊Co基合金的組織和性能研究劉蒙崔立山，姜大強(qiáng)蔣小華鄭雁軍高偉于龍文(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京)2．能源材料微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室3．遼寧石油化工大學(xué))摘要為研制耐高溫高壓HS／CO：腐蝕的卡瓦材料，采用表面堆焊方法在HT200灰口鑄鐵表面堆焊C0基合金，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(EDS附件)、x射線衍射儀和硬度計(jì)測(cè)試分析了堆焊層的組織結(jié)構(gòu)和硬度。分析結(jié)果表明，堆焊層組織主要是由樹(shù)枝狀的y—Co固溶體和共晶組織(—co固

2、溶體+片狀Mc，(M：Cr、W、Fe))組成。從堆焊層至基體，硬度降低，堆焊層硬度高達(dá)750HV左右，熔合區(qū)的硬度大約為380HV，基體硬度為280HV左右。關(guān)鍵詞鑄鐵Co基合金堆焊層顯微組織焊Co基合金，初步對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)和硬度進(jìn)行0引言了分析。川東北地區(qū)石油天然氣資源豐富，但其開(kāi)發(fā)環(huán)1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法境十分惡劣，地下高溫高壓HS、CO、有機(jī)硫及凝析水對(duì)各種開(kāi)采鉆具造成嚴(yán)重腐蝕。近年來(lái)，基材選用灰口鑄鐵HT200，試樣尺寸為115我國(guó)已開(kāi)展對(duì)酸性油氣田環(huán)境下使用的石油鉆采裝mm×65mm×5mm。焊材

3、選用D822Co基堆焊焊?jìng)涞难芯浚⒘腥藝?guó)家重大專項(xiàng)。在石油鉆采設(shè)備條，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。中，封隔器是滿足試油、試氣過(guò)程中每道工序正常表1堆焊焊條的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)％工作的關(guān)鍵設(shè)備，而卡瓦又是封隔器的關(guān)鍵部件。在坐封過(guò)程中，卡瓦在下錐體作用下沿著3個(gè)深槽脹裂，靠表面的齒牙牢牢地固定在套管內(nèi)壁上，因此要求齒牙硬度較高，容易脹裂，且具有良好的切按GB884—85堆焊要求J，在灰口鑄鐵上堆焊屑加工性，便于鉆銑解封。傳統(tǒng)的卡瓦材料選多層co基合金，堆焊完的試樣表面經(jīng)磨床磨平，形擇經(jīng)過(guò)特定熱處理的合金鋼或

4、者易銑鉆的鑄鐵，但成厚度約21／1111的Co基合金堆焊層。用線切割法在在高溫高壓HS、CO環(huán)境下，其耐蝕性達(dá)不到要已堆焊好的試件上截取金相試樣，依次在粒度為求。co基合金在常溫和高溫下均具有良好的耐磨、200、400、600、800和1200的金相砂紙上打磨試耐蝕性能，在航空航天領(lǐng)域和機(jī)械堆焊修復(fù)領(lǐng)域已樣。經(jīng)機(jī)械拋光之后，鑄鐵基體采用5％HNO和酒得到廣泛應(yīng)用，但由于價(jià)格較昂貴，作為整體精浸蝕，堆焊層采用王水腐蝕，采用Olympus金相工件使用受到限制。若采用在灰口鑄鐵表面堆焊顯微鏡進(jìn)行金相觀察，并在掃描

5、電鏡及EDS附件下co基合金的方法研制卡瓦材料，可以使卡瓦獲得進(jìn)行觀察及能譜分析，用XD一3A型x射線衍射儀高硬度、易銑鉆及耐腐蝕等特點(diǎn)。為研制耐高溫高對(duì)堆焊層表面進(jìn)行物相分析。采用HV一1000型維壓HS／CO：腐蝕的卡瓦材料，筆者以耐高溫高壓氏硬度計(jì)從堆焊層向基體方向每隔0．5mm測(cè)試硬HS／CO：腐蝕的卡瓦材料為目標(biāo)，在鑄鐵表面堆度，載荷1．96N，加載時(shí)間15S。$基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高含硫氣藏安全高效開(kāi)發(fā)技術(shù)研究”的子課題“高氣密性井下采氣工具研究”(2008ZX05017—01—01)。

6、一6一石油機(jī)械2010年第38卷第9期體和硬質(zhì)相MC(M=Cr、W、Fe)組成，所以2試驗(yàn)結(jié)果與分析堆焊層硬度高。2．1堆焊金屬組織觀察與分析從圖1中可明顯地看出，堆焊樣品分3部分：A區(qū)為基材、B區(qū)為熔合區(qū)、c區(qū)為堆焊層，并且蠢堆焊層和基體之間的結(jié)合面良好。這主要是由于在驥蔡堆焊過(guò)程中，熔池與鑄鐵基體接觸，熔池的底部通過(guò)基體傳熱，其結(jié)晶生長(zhǎng)方向?yàn)榇怪庇诮Y(jié)合界面向熔池內(nèi)部生長(zhǎng)。另外，由于Co、Fe和Ni元素的原子半徑接近，高溫下相互擴(kuò)散形成置換固溶體，界面為冶金結(jié)合。圖1b～圖1d分別為堆焊金屬各圖2堆焊層X(jué)

7、射線衍射圖譜區(qū)域的金相組織圖。由圖1b可見(jiàn)，基體鑄鐵主要由白色鐵素體、灰色的片狀珠光體和片狀石墨組成，其中白色鐵素體分布在片狀石墨周圍。而熔合區(qū)組織較基體組織細(xì)小，主要由細(xì)小的灰色片狀珠光體、少量鐵素體和細(xì)小的片狀石墨組成，如圖1e所示。從圖1d可見(jiàn)，堆焊層中存在樹(shù)枝晶。圖3堆焊層共晶區(qū)背散射電子圖像2．2硬度測(cè)試與分析圖4是堆焊層至基體的顯微硬度分布曲線。從曲線可以看出，由堆焊層表面至基體硬度降低，而熔合區(qū)硬度下降較快，堆焊層硬度最高，達(dá)到750HV左右。這主要是由于堆焊層生成了一Co合金a．電子圖b．鑄

8、鐵基體金相組織固溶體和硬質(zhì)相Mc，高硬度Mc，分布在堆焊層中，使堆焊層的硬度顯著提高。熔合區(qū)的硬度約為380HV，高于基體硬度(280HV)，可能與熔合區(qū)受到堆焊熱循環(huán)作用和元素的擴(kuò)散有關(guān)"J。卜．／／I一一基體堆焊層>c．熔合區(qū)金相組織d．堆焊層金相組織越聰圖1堆焊樣品橫截面背散射電子圖和各區(qū)金相組織圖2為堆焊層的X射線衍射圖譜，分析結(jié)果一．．———表明，堆焊層組織主要是由—Co固溶體和硬質(zhì)_相M，C(M=Cr