对一基体加焊硬面的方法和所用的焊条 本发明的技术背景
本申请涉及表面加焊硬面法和在此加焊硬面法中所使用的焊条，特别涉及用碳化钨/钴材料使凿岩钻头表面硬化。
凿岩钻头是油和气井钻探中所使用的一特殊钻头。一普通的凿岩钻头有三个可转动的、带齿的锥形刀。这些锥形刀通常呈一三角形的形状安装，以便从一箱体的底部伸出一个臂。此凿岩钻头连接到空心管的一钻具组的底部，在钻探过程中，润滑“浆”被泵送通过此钻具组并润滑凿岩钻头和/或从凿岩钻头中洗出岩石屑。
此凿岩钻头选用具有高强度和刚度的一种强而有韧性的钢制成。因为这种钢与被切削的岩石磨擦接触，很容易被磨损，所以它自身不能用作为锥形刀的切削表面。长期以来在称为“基体”的凿岩钻头的齿和其它表面上施加硬的包覆层，通常称为“加焊硬面”，使基体在切削过程中具有最大地抗磨强度。此加焊硬面阻止磨损，从而此凿岩钻头既有硬的钢基体，又有抗磨的包覆层。
此加焊硬面材料通常是埋置在一金属基体中的硬抗磨材料的混合物。用焊接的方法将此金属基体与凿岩钻头中的钢表面结合，保持此包覆层附着在此基体上。抗磨材料通常是碳化钨微粒与钴的混合物。将此抗磨材料放在一钢管内，在对凿岩钻头表面施加加焊硬面的焊接过程中用作为一焊条。
碳化钨/钴加焊硬面法已证明在延长凿岩钻头的使用寿命方面是很成功的，并在商业上被广泛采用。然而，总需要一改进的方法，来提高凿岩钻头的性能、降低磨损和提高使用寿命。本发明完成了这个要求，并进一步提供了相关的优越性。
本发明的综述
本发明提供一焊接材料、焊条和使用此焊接材料对例如凿岩钻头的基体加焊硬面的方法。本发明的方法大大地提高了凿岩钻头上被包覆的基体表面的抗磨能力。它可以使用广泛的表面硬化材料成分，包括普通表面硬化材料成分，例如碳化钨/钴材料。也可以使用非常确实可靠的一些加焊硬面技术。
按照本发明，一制品包括埋置在一金属基体中的、硬的非金属微粒的烧结混合物形成的熔核。这熔核通常是椭圆形状，最好具有一光滑的、圆的外表面。实际上许多烧结的熔核装在一空心钢管内，可选择地带有附加的疏松的非金属微粒和/或疏松的金属材料，形成一焊条。结合在此熔核中的非金属微粒最好是碳化钨。可以选择抗摩擦或抗氧化的疏松的非金属碳化钨或其它非金属材料结合在这焊条内。这熔核的金属材料最好是钴。这疏松的金属材料最好是一金属或金属间材料，例如一合金或金属和其它元素的混合物，以防止在焊接过程中氧化。
在一相关的方法中，藉助提供具有加焊硬面包覆的基体表面的物品和提供前面叙述类型的加焊硬面条，使一物品，例如一凿岩钻头部分被加焊硬面。这方法还包括逐渐熔化加焊硬面焊条以形成焊接金属，将此焊接金属施加于基体表面，凝固与基体表面接触的焊接金属。
最好首先完成此烧结的熔核，然后将这烧结的熔核与选择的附加材料放入钢管中，以制备加焊硬面焊条。藉助与一易挥发的有机粘合剂一起形成硬微粒和金属材料的粘附混合物，方便地制成这熔核。许多混合物被滚动，形成一大致椭圆的形状，在此过程中去除了任何边或尖角，从而使最后的熔核形状有一光滑的、圆的外形。用直接绕结或同时发生的热等压加工的烧结方法，烧结此大致椭圆形的块。将此烧结的熔核装入钢管内。通常也将疏松的非金属微粒、疏松的熔核、和/或粘合剂加到此钢管内，与熔核结合在一起，在此管内形成一相对紧密的充填的物质。密封此管的端部，此焊条就可使用了。
本发明的方法以烧结的、通常是椭圆形的熔核的形式提供了大部分硬的非金属和金属材料，通过用一已知技术试验已加焊硬面的表面，可知提高了材料抗磨擦损耗的能力，使凿岩钻头具有可靠的钻探性能。不要求在加焊硬面生产过程中有任何变化，从而在使用本发明时并不需要现场敷料机。从下列结合附图、以举例方式说明本发明的原理的较佳实施例的更详细的叙述中，本发明的其它特点和优越性将变得更明显。
附图的简要说明
图1是碳化钨和钴的熔核的立体图；
图2是沿图1中的2-2线的该熔核的剖面图；
图3是用本发明的方法制备的、一截断的焊条的示意图；
图4是制备图2所示焊条的方框图；
图5是使用本发明的技术对一物品加焊硬面的方法的方框图；
图6是一凿岩钻头的立体图；
图7是对一基体施加加焊硬面的示意的侧视图；以及
图8是一已加焊硬面的表面的示意的剖面图。
本发明的详细叙述
在一较佳实施例中，一基体物品，例如一钢凿岩钻头由一焊条提供的碳化钨/钴材料形成的加焊硬面所包覆。在叙述本发明时，首先讨论焊条的制备，然后讨论它在加焊硬面法中的使用。
参见图1-2，使用由埋置在一金属基体24中的硬的、耐磨的非金属微粒22形成的熔核20。此微粒22最好是碳化钨，金属基体24最好是钴。这里所使用的术语“钴”包含实际上纯粹的钴和钴的合金。
熔核20是具有圆的、光滑轮廓的、大致椭圆的形状，如图1-2所示。它们并不需要有完全相同的尺寸或形状，但最好是在一个尺寸和形状范围之内，以便如以下将要叙述的那样，有助于紧密充填，形成一焊条。这里使用的术语“大致椭圆”意味着有一主轴线l1和一小轴线l2，测量出小轴线正交于主轴线的最大尺寸处，其中l1小于l2。术语“大致椭圆”表示金属块20有一近似椭圆的大致圆的形状。但是，它的使用并不打算建议熔核具有数学上精确定义的椭圆体形状，或者熔核具有精确的有规律的形状。在某些情况下，金属块是略带有圆端的条形。
熔核20的主轴l1最好是在大约0.005吋到大约0.055吋范围内。主轴l1对小轴l2的比例有时称为纵横比，最好是在大约1.2∶1到大约3.5∶1的范围之内。如果纵横比小于大约1.2∶1，则熔核是球形或太接近球形，不能很好地如图3所示，当一焊条28形成时充填在一钢管26内。这球形的或接近球形的微粒趋向于不适当地限制了可以充填入焊条的一所选直径内的碳化钨材料数量。如果纵横比大于约3.5∶1，则熔核太长，像针状，趋向于脆性和断裂，不能很好地充填在此钢管内。最好熔核在这些界限内有一个纵横比和尺寸范围，从而有助于在钢管28内紧密充填。最佳的纵横比范围是从约1.4∶1到约2.5∶1。
熔核20较佳地是含有重量为约百分之四到约百分之二十的金属材料，最好为钴，其余部分含有硬的非金属微粒，最好是碳化钨。这些重量比表达了金属材料和微粒总和的一个百分比。最好，熔核包含重量为百分之六到十四的金属材料，其余部分为非金属微粒。钴最好是商业上的纯钴。碳化钨最好是有着约0.5微米到约15微米最大尺寸的渗碳钨。
熔核20具有绕结的结构，其中微粒埋置于一连续的金属基体中，如图2所示。这些可以是呈现在此烧结结构中的空隙，但是这些空隙通常并不希望存在，并由制造此熔核的方法降低到一个尽可能低的水平。在这烧结结构中，硬的非金属材料的微料22最好在它们的外表面和特征方面相对比较光滑。然而，光滑微粒22难以生产，因此可以使用一个比较尖的、有角的表面几何形状的微粒。
本发明的焊条28的较佳形式表示在图3之中。将许多熔核20充填入最好由金属制成的管26中，制备成焊条28。管子26可以有任何形状、尺寸和壁厚，但通常是内径从约0.090吋到约0.210吋、外径从约0.120吋到约0.250吋的圆管。当熔核20由滚动加工制成时，它们有一尺寸范围。这烧结熔核可以通过用于粉末的、相同的过筛和分类技术得到的尺寸来分级。当管子26用该熔核充填时，最好使用不同尺寸的熔核，这种方法可以比用单一尺寸的熔核在管子内产生较高的充填密度。较高充填密度的焊条比较低充填密度的焊条更可以改善焊接性能，在焊接过程中带有较少的除气。在一较佳的方法中，此管用-16/+30目的、重量占到约有百分之二十到约百分之八十的熔核充填，其余部分为-40/+80目的熔核。
当将熔核20充填入管子26时，某些称为“空隙”30的开放空间留在熔核之间，既使使用不同尺寸和形状的熔核时也是如此。可选择地将疏松的金属材料或疏松的微粒充填在熔核20之间的空隙30之中，以进一步提高焊条内的充填密度。这里所使用的“疏松”的金属材料或微粒分别是指没有烧结进入熔核20内的金属的(包含非金属的)材料或微粒，但是呈一非烧结形式。“疏松的金属材料”包括金属和非金属材料。这些疏松的金属材料或微粒的块充填在熔核20之间的空隙中，达到在管子26的内部有一个比其它方法可以得到的更高的充填密度。
疏松的金属材料可以包括在后焊接加工中可以选择作为去氧剂的金属粒子或金属间化合物。例如，最好添加硅锰合金、铁锰合金或硅铁合金块，其重量约为焊条28总重量的百分之四。
粘合剂也可充填入空隙30内。该粘合剂最好是一树脂或磷酸硼材料，用来将去氧剂粘合到熔核。较佳的粘合剂是酚醛树脂，其重量是焊条28总重量的约百分之零点伍到约百分之一。
在某些使用场合，可以用非金属或金属间材料块代替某些熔核20，以改善可焊性，提高最终焊件的刚度，或提高抗磨能力。例如，可以用铸造碳化钨(WC-W2C)或单晶体碳化钨(WC)代替某些熔核。
图4表示了制备熔核20和焊条28的一较佳方法。标号40表示提供碳化钨微粒22和成为金属基体24的金属钴块。将所需数量的这些成分混合在一起，使所选择的这些成分的数量产生前面讨论的在最终熔核中的百分比。标号42表示将一粘合剂，例如蜡(wax)的重量的约百分之一到约百分之二点五，与这些成分混和。标号44表示将选择的产生大约所需尺寸的熔核的混合物部分成形为熔核20的形状。最好由滚动或碾磨成形。选择成形时间，使在所需的纵横比范围内产生非烧结熔核，但考虑到烧结时的收缩，尺寸比最终烧结的熔核稍大。在用这种方法生产的熔核中，通常有一较佳的纵横比和尺寸范围。
标号46表示烧结金属块，最好用液态烧结。在液态烧结中，将熔核加热到一温度，在此温度，金属基体材料在微粒周围熔化，通常将某些微粒材料溶化进入溶化的基体材料。熔核可在大气压力下烧结，或在一外部液体静压下降低最终绕结的熔核中存在的空隙百分率。这样就完成了熔核的制备。
标号48表示将烧结的熔核装入管子26内，形成焊条28，可选择地连续附加疏松的金属材料和/或疏松的微粒进入熔核20之间的空隙30。可连续地摇动管子26，提高熔核20的充填和疏松材料在空隙30中的充填，从而将管内的充填密度尽可能地提高。标号50表示密封管子26的端部，如藉助熔化端部或将端部压扁的方法，从而将所含有的材料保持在管子内。
图5表示了在一物件表面包覆一硬表面的方法，该物件称为“加焊硬面”的物件。标号52表示提供表面将要加焊硬面的基体。图6表示一较佳物件，即一凿岩钻头70。凿岩钻头70包括安装在一臂74上的三个锥形刀72。锥形刀72具有从它的周边伸展的齿76。锥形刀72的齿76和可选择的其它部分构成将由本发明的方法加焊硬面的一基体78。
标号54表示逐渐熔化焊条28以及将如此形成的焊接金属施加到基体的表面上。如图7示意表示的那样，保持焊条28的一端靠近基体78的一表面80。用一热源82，例如一氧乙炔的或原子氢焊矩局部加热表面80到足够熔化钢管和焊条28内的金属材料的温度，形成一焊接金属池84。标号56表示焊条28和热源82在表面80上一起移动，从而焊接金属池84在不再被加热的地方凝固，形成加焊硬面层86。随着焊条28沿基体的表面横向移动，越来越多的焊条被送入加热的区域，在一新的位置补给焊接金属池，由焊条的直径、供应速率和焊接金属池的尺寸控制加焊硬面层的厚度，通常它的厚度在约0.030吋到约0.250吋之间。
图8表示了加焊硬面层86的微观结构和它与基体78的关系。加焊硬面层86包含焊条28供应的熔核20。熔核20被埋置在一金属层88中，这金属层最好主要是钢和在焊条制备中加到空隙中的疏松的材料。金属层88也可以包含少量在熔核之外溶化的碳化钨或钴。熔化材料的数量取决于焊接技术和熔核自身的特性。金属层88的钢分量由熔化的管子26和靠来自基体78的一些钢的溶解物供应。在加焊硬面层86和基体78之间有一变化区90，其中包括金属层88和基体78相互扩散形成的一些相互扩散金属，还有一热影响区，其中加焊硬面焊接技术局部地改变了基体的微观结构。
变化区90的相互扩散是符合要求的，这是因为它有助于将加焊硬面层86附着于基体78上，但是改变了微观结构的热影响区可能是不需要的，这是因为它可能使基体易于疲劳损坏和使其它机构过早损坏。标号58表示用一可选择的热处理可以增加相互扩散和消除热影响区。在用于最佳情况的这样一种热处理中，基体被加热到基体的奥氏体温度之上至少四小时，然后冷却到室温。
在一最佳方案中，烧结的熔核具有百分之九十二至九十三重量的碳化钨成分，并带有其余部分的钴，装在一钢管内，钢管的内径从约0.090吋到约0.130吋，其外径从约0.120吋到约0.160吋，形成焊条。焊条总重量的百分之四的去氧剂材料、例如硅锰合金被充填在熔核之间的空隙内，这有助于焊条材料的可焊性。用氧乙炔焊矩逐渐将焊条熔化，在基体的表面上施加一大约0.080±0.015吋厚的加焊硬面。然后，可选择地对基体和加焊硬面层进行上述讨论的奥氏体处理。
在本加焊硬面法和若干工业标准的加焊硬面技术之间进行比较试验。在标准方法中，焊条包括在一钢管中的碳化钨微粒的若干已知形式的一种。这些形式包括压碎的不规则形状的碳化钨微粒和烧结碳化钨球形小丸以及碳化钨的不规则单晶。这些形式的成分可以从WC-C0到WC-W2C到WC之间变化。使用相同的焊接设备，采用普通的氧乙炔焊接步骤将加焊硬面层施加到钢基体上，最大限度地减少由于加工步骤而产生的任何变化。与采用工业标准的焊条获得的加焊硬面层相比较，用本方法获得的加焊硬面层较紧密和具有较少的孔隙率。使用以前已经建立的、作为一可靠手段的检验凿岩钻头成分的工作性能的ASTMG65干砂摩擦试验，检验用两种方法所获得的加焊硬面层的抗磨能力。在这试验中，一橡胶轮靠着试样旋转，在此轮与试样之间施加一被控制的力。将干砂引入此轮和试样之间。在摩擦之前和之后对试样称重，重量损失转换成一平均的被校正的体积损失(AVL)。AVL值越低，试样的性能越好。在此情况下，用ASTMG65试验摩擦加焊硬面层。对于使用碳化钨(压碎烧结的、铸造的、单晶)的混和型式的已知的加焊硬面焊条进行加焊硬面的试样，AVL值在11.7到18.34范围内。对于仅用压碎的碳化钨的另一已知的加焊硬面焊条进行加焊硬面的试样，AVL值为13.75。使用本发明的较佳方法进行加焊硬面的试样有9.22。这样，本发明的方法使加焊硬面的基体的性能在干砂摩擦试验方面提高了10-40％。
用本方法所取得的改进效果的原因并不确实已知，所观察到的改进不依赖于任何对此改进进行解释的修正。相信许多因素造成了此改进，这些因素将主要地认为与较佳实施例有关，虽然它们用到其它实施例也一样。碳化钨微粒与钴基体的有关比例可以在较佳范围内变化。当钴的含量相对较低，如熔核重量的百份之六，与钴的含量相对较高，如熔核重量的百分之十四左右相比时，加焊硬面层有较高的耐摩能力。另方面，当钴的含量相对较低，与钴的含量相对较高比较时，加焊硬面层不大坚韧。碳化钨和钴的相对数量可以改变，以产生符合具体使用所要求的性能的特殊组合。
光滑曲面的、通常呈椭圆形的熔核充填起来较好。这熔核的形状造成在焊条内较高的充填密度。焊条的相对较高的密度再产生较好的可焊性和较紧密的加焊硬面层。控制焊条内熔核的尺寸和使用一定尺寸范围的熔核也是造成性能提高的一个重要因素。最后，熔核的孔隙烧结状态控制在焊接之后附着的微粒结构，以防止过度熔化。
虽然已详细叙述了本发明的一具体实施例以用来说明本发明，但是，在不离开本发明精神和范围的情况下可以进行各种变化和提高。因此，除了所附权利要求书所述之外，本发明不受限制。