專利名稱：表面加硬用合金、方法和產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨損性高的、可用于提高需經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品表面使用壽命的表面加硬合金領(lǐng)域，這些工業(yè)產(chǎn)品例如在石油和天然氣鉆探的鉆柱中使用的鉆具接頭、鉆環(huán)和穩(wěn)定器以及經(jīng)受磨損的其它工業(yè)產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
由于將近95％的地殼表層是由磨損性的、能導(dǎo)致鉆具接頭和穩(wěn)定器表面和其它工業(yè)產(chǎn)品易磨損表面顯著磨損的硅質(zhì)材料組成，故對用于鉆地如在地殼中鉆井來生產(chǎn)石油或燃氣的鉆具接頭和穩(wěn)定器的使用壽命來說，一直存在著嚴重的問題。
為此作出了許多嘗試提供適合于在鉆具接頭上焊接保護性的表面加硬合金。關(guān)于已有技術(shù)中鉆具接頭用的表面加硬的描述，可參見美國專利No.4,256,518，《the composition catalog of oil field equipment andservices》，1976/77版，第3216-19和4994-5頁以及美國專利No.3,067,593。同時，關(guān)于使用表面加硬材料如碳化鎢顆粒，在鉆具接頭上形成硬化表面來提高耐磨性，可參見公布于1976年11月2日的美國專利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》。也可參見美國專利2,259,232、2,262,211、4,431,902和4,942,059，它們都說明了各種對鉆具接頭表面加硬的已有技術(shù)方法。
歷史上，在實踐中鉆柱(管)，如用在油井和燃氣井鉆探的鉆柱上的鉆具接頭，已在套管的末端的底部覆蓋碳化鎢，用來抵抗鉆具接頭上鉆孔中巖石土層的磨損作用。這存在三個缺點。碳化鎢很昂貴，它對它操作所在的套筒起著切割工具的作用，而且基體為軟性鋼材，它很容易磨蝕，導(dǎo)致碳化鎢顆粒的脫落。
多數(shù)比硅質(zhì)地層材料硬的已有技術(shù)中的表面加硬用材料都是脆性易裂的。這些表面加硬用材料屬于著名的“高鉻-鐵”類合金，它們之所以耐磨性高，是由于有共晶和/或過共晶型鉻-碳化物顯微結(jié)構(gòu)。在其焊接后的狀態(tài)中，無論采取什么預(yù)防措施，這些表面加硬覆蓋層總是會或多或少地出現(xiàn)密的裂紋網(wǎng)絡(luò)。預(yù)熱需表面加硬的基材并不是必要的。相反，預(yù)熱溫度和中間過程溫度越低，裂紋網(wǎng)絡(luò)就越密，這一點，從使用條件下裂紋向基材傳播危險的角度看，是個有利的因素。
在鉆管的鉆具接頭或穩(wěn)定器進行表面加硬的50年歷史中，在美國專利No.5,244,559的發(fā)明之前，在實踐中從沒使用過表面加硬用材料，因為它在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)裂紋。
但是在多數(shù)工業(yè)中，組成一給定設(shè)備的結(jié)構(gòu)和裝置的金屬部件必須具有完整性，即指不會出現(xiàn)任何類型的裂紋，主要是由于這些裂紋會在整個部件中會發(fā)展，終至使其破壞。
當涉及生命死亡或者導(dǎo)致巨大財產(chǎn)損失時，對完整性的要求就尤其嚴格。這種工業(yè)產(chǎn)品的例子為在化學工業(yè)中使用的高壓容器，建筑物和橋梁中的結(jié)構(gòu)部件以及石油和天燃氣工業(yè)中的地下鉆孔設(shè)備。
硅質(zhì)土層顆粒具有約800布氏硬度指數(shù)(BHN)。在美國專利No.5,244,559中，所用的表面加硬用材料是在硬度至少為300～600BHN的基體中含有硬度約為1700BHN初級碳化物的高鉻-鐵族材料。這些高硬度初級碳化物的拉伸強度很小，因此從熔融狀態(tài)冷卻下來時它們會斷裂，斷裂出現(xiàn)的多少決定于金屬和碳化物的混合物中初級碳化物的相對量。因此，這種比硅質(zhì)土層材料硬的表面加硬用材料，在進行焊接或者整體焊接施加時，會沿著焊縫形成收縮裂紋。對于鉆具接頭的表面加硬和其它工業(yè)產(chǎn)品的表面加硬，這種材料已經(jīng)廣泛和成功地應(yīng)用了許多年。雖然所述材料已經(jīng)在市場中被廣泛接受，但是有些用戶仍舊表達了對鉆具接頭進行表面加硬用合金的需求，該合金應(yīng)具有包括在鉆孔套管中盡可能小的磨損并且不出現(xiàn)焊接裂紋，來使機械故障的危險降至最小的性能。
能提供一種具有高耐磨性、能焊接沉積并且不出現(xiàn)裂紋的顯微結(jié)構(gòu)的表面加硬合金組合物，它不需要加工硬化就能獲得能經(jīng)受使用環(huán)境如硅質(zhì)顆粒磨損的硬度性能，此外，它具有低的摩擦系數(shù)，以便通過對鉆具接頭和穩(wěn)定器進行表面加硬而使套管磨損降至最小，這是很需要且有益的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及這樣一種表面加硬合用金組合物和工業(yè)產(chǎn)品，例如用所述合金組合物進行表面加硬的鉆具接頭和穩(wěn)定器和用所述合金組合物進行表面加硬的其它工業(yè)產(chǎn)品，如下文所述，它所產(chǎn)生的合金中的顯微結(jié)構(gòu)，其特點為能經(jīng)受使用環(huán)境的高耐磨損性能，如對硅質(zhì)巖石形成物和顆粒的耐磨損性，它具有低摩擦系數(shù)，能產(chǎn)生優(yōu)良的金屬-金屬耐磨性和最小的套管磨損，并且當使用適當預(yù)熱和后冷卻處理條件時，不會出現(xiàn)焊接裂紋的性能。
本發(fā)明的表面加硬合金尤其適于在易磨損的鉆具接頭和穩(wěn)定器的表面上進行焊接(表面加硬)，能在保持其不出現(xiàn)裂紋的狀態(tài)下提供良好的耐磨保護。本發(fā)明的表面加硬用合金具有低的摩擦系數(shù)，能提供優(yōu)良的金屬-金屬耐磨損性和優(yōu)良的耐磨性，并且在表面加硬的接頭情況下，在使引起的套管磨損最小化和使鉆具接頭耐磨性最大化(例如，相比美國專利No.5,244,559的表面加硬合金，其套管磨損約低40％)之間獲得最佳的平衡。
在各種氣體如CO2和氬氣基混合氣的氣氛中，使用自屏蔽(明弧)焊管狀焊絲和埋弧焊管狀焊絲的條件下，使用以下產(chǎn)品和方法，可以將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體金屬稀釋時其全焊接金屬組成含有約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬、約0.65～1.5％錳以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵。未被稀釋和焊態(tài)的表面加硬用合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。當所述表面加硬用合金在普通高碳鉆具接頭鋼上焊接一單層時，其硬度達到約55Rc(560BHN)。而且其特點為對硅質(zhì)巖石形成物和顆粒的高耐磨損性、能產(chǎn)生優(yōu)良的金屬-金屬耐磨損性以及能使引起的套管磨損顯著降低的低摩擦系數(shù)、以及由馬氏體連同約10～40％奧氏體組成的顯微結(jié)構(gòu)。如后所述，當使用預(yù)熱和焊接后冷卻的條件時，它可以單層和雙層焊接而不會出現(xiàn)裂紋。它可以沉積在原先就存在的焊接沉積物，如碳化鎢沉積物和許多其它原先存在的表面加硬沉積物上。
本發(fā)明的實施方式包括表面加硬用合金組合物以及用該表面加硬用合金組合物表面加硬的鉆具接頭和穩(wěn)定器。例如，與鉆管連接的鉆具接頭具有用于接受帶螺紋銷子部件的內(nèi)部帶螺紋的套管、圓柱形外表面和焊接在該圓柱形外表面上，以及其銷子部件上(若需要的話)的表面加硬用合金組合物層，該表面加合金組合物層在保持不出現(xiàn)裂紋的狀態(tài)下可以提供鉆具接頭免于硅質(zhì)巖石形成物對其磨損的保護。同時，連接于鉆管的穩(wěn)定器具有用表面加硬用組合物表面加硬的穩(wěn)定器肋條，穩(wěn)定器的作用是將鉆管穩(wěn)定在鉆孔和套管中。
本發(fā)明的方法包括將表面加硬合金用在工業(yè)產(chǎn)品上，如通過上述明弧焊、氣體保護弧焊或者埋弧焊使用管狀焊絲進行焊接，且在下述條件下進行焊接前的預(yù)熱和焊接后的冷卻下對鉆具接頭和穩(wěn)定器進行表面加硬。
本發(fā)明的其它實施方式是具有要求高耐磨損性的工業(yè)產(chǎn)品，其易磨損表面焊接有本發(fā)明的組合物進行了表面加硬，這樣的工業(yè)產(chǎn)品例如耐磨損的金屬板和如上所述的其它需要耐磨性的工業(yè)結(jié)構(gòu)體。
有利的是，所述表面加硬用合金可以如上所述使用預(yù)熱和焊接后熱處理，以不出現(xiàn)裂紋的狀態(tài)以單層和雙層的形式沉積，并沉積在其它原先就存在的表面加硬用合金如碳化鎢上。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種工業(yè)上使用的、不會出現(xiàn)裂紋的表面加硬用合金，所述表面加硬用合金能抵抗硅質(zhì)地層的磨損，例如在焊接狀態(tài)而無需加工硬化，此表面硬化合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。
本發(fā)明的另一目的是提供這種不會出現(xiàn)裂紋的表面加硬用合金，它可以用于表面加硬，由此提高連接于在地層鉆孔的套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)和移動的鉆管的鉆具接頭的使用壽命，同時保持其不出現(xiàn)裂紋的狀態(tài)。
本發(fā)明的再一目的是提供一種不會出現(xiàn)裂紋的表面加硬合金，它可以用于對穩(wěn)定器進行表面加硬，它經(jīng)焊接后可以抵抗地層硅質(zhì)形成物和其它硅質(zhì)材料的磨損。
本發(fā)明的再一目的是提供需經(jīng)受這種磨損具有所述表面加硬用合金的其它工業(yè)產(chǎn)品，所述表面加硬用合金焊接在要經(jīng)受這種磨損的表面上。
本發(fā)明的再一目的是提供用于工業(yè)產(chǎn)品的表面加硬用合金，所述工業(yè)產(chǎn)品在其易磨損的表面上焊接了這種耐磨損的合金，所述表面加硬用合金具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)良的耐磨損性能，在鉆具接頭和穩(wěn)定器情況下，能在使鉆孔中引起的套管磨損最小化和鉆具接頭耐磨性最大化之間獲得最佳平衡，且相比美國專利No.5,244,559的表面加硬用合金，其套管磨損約低40％。
全文貫穿了本發(fā)明實施方式的其它進一步的目的、特征和優(yōu)點。
附圖簡要說明
圖1是本發(fā)明具有一凸出式表面加硬層的鉆具接頭的套管的局部縱向截面圖。
圖2是說明本發(fā)明具有凸出式表面加硬層的鉆具接頭的銷子的類似于圖1的圖。
圖3是說明本發(fā)明鉆具接頭的管套的齊平式表面加硬層的類似于圖1的圖。
圖4是說明本發(fā)明鉆具接頭的銷子的齊平式表面加硬層的類似于圖1的圖。
圖5是本發(fā)明經(jīng)表面加硬的穩(wěn)定器的縱截面圖。
圖6是具有對接接頭的有芯焊絲的橫截面圖。
圖7是具有搭接接頭的有芯焊絲的橫截面圖。
圖8是適用于在明弧焊、氣體保護弧焊或者埋弧焊中焊接表面加硬用合金有芯焊絲的設(shè)備示意圖。
圖9是說明用于為焊接而預(yù)熱銷子、套管和穩(wěn)定器的電磁感應(yīng)線圈的預(yù)熱系統(tǒng)示意圖。
圖10是用于預(yù)熱銷子、套管和穩(wěn)定器的氣焊焊炬的示意圖。
圖11是一個連同有經(jīng)預(yù)熱和焊接的套管的金屬箱的橫截面圖，該金屬箱用來將預(yù)熱和焊接后的套管進行冷卻。
優(yōu)選實施方式的說明本發(fā)明的表面加硬用組合物含有約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬、約0.65～1.5％錳以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵。
本發(fā)明表面加硬合金組合物具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的總體焊接硬度，在工業(yè)產(chǎn)品如鉆具接頭和鉆井穩(wěn)定器上約為560BHN的單層平均硬度，具有含約10～40％奧氏體的馬氏體顯微結(jié)構(gòu)、高耐磨性、低金屬-金屬摩擦系數(shù)，且能在其本身或者原先存在的表面加硬合金如碳化鎢沉積物上沉積單層和雙層，而不會出現(xiàn)裂紋的。
所述表面加硬合金組合物可以通過和預(yù)熱與冷卻處理相容的任何合適的焊接裝置和方法，如明弧焊，氣體或焊劑保護弧焊進行沉積。適宜的是，如圖6和7所示，尤其對于鉆具接頭和穩(wěn)定器，在氣體如CO2保護下使用帶金屬芯的管狀焊絲，而對于穩(wěn)定器的表面又可在無氣體保護下使用帶焊劑芯的管狀焊絲。其它工業(yè)用途包括土方搬運和疏浚設(shè)備和部件，如工業(yè)中的鏟斗齒、砂礫泵部件、粉碎機錘子、傳送鏈、齒輪的齒和金屬-金屬之間的滑動部件等等。
在下表1中列出本發(fā)明優(yōu)選的合金組合物的化學分析。
表1樣品碳0.8％鉻8.5％鉬0.15％錳1.1％硅0.6％余量鐵(包括作為污染物的痕量元素)對鉆具接頭、穩(wěn)定器或者其它工業(yè)產(chǎn)品的表面進行表面加硬時，表1中所述的表面加硬用合金在焊后狀態(tài)不會出現(xiàn)裂紋，且不需加工硬化即具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。
以下本發(fā)明的實施方式是本發(fā)明用不會出現(xiàn)裂紋的表面加硬用合金對鉆具接頭進行表面加硬。
現(xiàn)在試看圖1和2，圖中示出了用于鉆管10的鉆具接頭，在所述鉆管的末端14具有套管12，它有內(nèi)螺紋16，用于螺接銷子18，使所述銷子18可以螺接到套管12內(nèi)，在銷子18上具有和螺紋16相配合的螺紋20。所述銷子18形成了鉆管的末端如14，使鉆管的鉆柱或者接頭可以螺接固定在一起，并能拆分用于鉆探石油井、天然氣井和其它的井。
所述套管12和銷子18是放大的，它們都具有外圓柱形表面22，所述表面具有比鉆管14外徑更大的外徑，用來沉積表面加硬用用合金的焊縫金屬24。
現(xiàn)在試看圖3和4，圖中字母“a”加到圖1和2中相應(yīng)的數(shù)字上，圖3和4的鉆具接頭10a和圖1和2中的鉆具接頭10相同，不同的是它具有縮小的圓柱部分26，其形成或者是從套管12a和銷子18a的外圓柱形表面22a上切除一環(huán)狀帶部分的材料，或者以這些縮小直徑部分22a原來就形成，且將焊縫24a中的表面加硬用合金焊接在這個空間內(nèi)，使所述經(jīng)焊接沉積表面加硬的表面基本上與套管12a和銷子18a的外圓柱形表面齊平。
試看圖5，該圖示出了本發(fā)明的一個穩(wěn)定器30，它具有狹長的圓柱狀或者管狀的主體32，所述主體具有銷子34和套管36，用于連接鉆管的鉆柱(未顯示)，所述穩(wěn)定器具有從主體32向外延伸的穩(wěn)定器肋條38，用來將鉆管穩(wěn)定在井孔(未顯示)內(nèi)，在此所述表面加硬用合金24b焊接在穩(wěn)定肋條38上。
用來延長鉆具接頭、穩(wěn)定器和其它工業(yè)產(chǎn)品的表面使用壽命的方法，包括將它們預(yù)熱至約100℃(212°F)～400℃(752°F)的溫度，然后用管狀焊絲以明弧焊、氣體保護弧焊或者埋弧焊方法在鉆具接頭10和10a的套管12或12a的外圓柱形表面22或22a(圖1、2)、銷子18的外圓柱形表面22(圖3和4)和穩(wěn)定器肋條38(圖5)上表面加硬一層本發(fā)明的表面加硬用合金24、24a或者24b，然后緩慢降低它們的溫度，確保奧氏體到馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。通常，表面加硬用合金的焊縫24厚度約為3/32～1/4英寸而不會損害所述合金的性能，且可以沉積成單層或者雙層。若需要的話，焊縫24的表面22a可基本上與套管12a的表面齊平，且約有3/32英寸的材料被切除。
預(yù)熱溫度由需要表面加硬的部件的大小和所涉及的基體金屬的固有性質(zhì)決定。一般地說，基體金屬的尺寸越大、強度越高，需要的預(yù)熱程度就越高?？梢允褂萌魏文艽_保在厚度范圍內(nèi)溫度均勻而充分的方法來進行預(yù)熱。使用氣體燃燒器是目前最廣泛的方法，也可使用感應(yīng)加熱。預(yù)熱溫度的控制可以借助測溫技術(shù)如熱探筆(最不精確的方法)、接觸式熱電偶、甚至連續(xù)紅外非接觸式裝置(最精確的方法)。感應(yīng)加熱是比較精致而昂貴的可應(yīng)用的方法。降溫的控制可以用很簡單的方法進行，即將經(jīng)表面加硬的部件裹在絕熱的毯子中或者將其置于一金屬箱中。在以下實施例1、2和3中闡述了各種大小和基體的材料的預(yù)熱溫度范圍的例子。
實施例1預(yù)熱溫度通常為100～400℃。
對于表面加硬AISI(American Iron and Steel Institute)4137鋼的鉆具接頭，在下表2中列出其優(yōu)選的預(yù)熱溫度范圍。
表2鉆具接頭O.D. 預(yù)熱溫度3-1/8″～4-3/8″ 150～200°F(66～93℃)4-3/4″～5-1/4″ 200～250°F(93～121℃)5-1/2″～6-1/4″ 300～350°F(149～177℃)6-1/2″～6-3/4″ 350～400°F(177～204℃)7″～7-1/4″ 400～450°F(204～232℃)7-1/2″～7-3/4″ 450～500°F(232～260℃)8″～8-1/2″(nom.) 600～700°F(316～371℃)8″～8-1/2″(w/5″id.)*500～600°F(260～316℃)* 此大小的鉆具接頭的壁厚比標準鉆具接頭小得多。
實施例2對于表面加硬AISI 4145-HT鋼的鉆具接頭，在下表3中列出其優(yōu)選的預(yù)熱溫度范圍。
表3鉆具接頭/鉆環(huán)O.D.預(yù)熱溫度小于4-3/4″150～200°F(66～93℃)4-3/4″～6-1/8″ 200～300°F(93～149℃)6-1/4″～7-1/4″ 300～400°F(149～204℃)7-1/2″～7-3/4″ 450～500°F(232～260℃)8″～8-1/2″(nom.) 600～700°F(316～371℃)8″～8-1/2″(w/5″id.)*500～600°F(260～316℃)*此大小的鉆具接頭的壁厚比標準鉆具接頭小得多。
實施例3對于表面加硬AISI 1340-HT鋼的鉆具接頭，在下表4中列出其優(yōu)選的預(yù)熱溫度范圍表4鉆具接頭O.D. 預(yù)熱溫度小于4-3/4″150～200°F(66～93℃)4-3/4″～6-1/8″ 200～300°F(93～149℃)6-1/4″～7-1/4″ 300～400°F(149～204℃)7-1/2″～7-3/4″ 450～500°F(232～260℃)8″～8-1/2″(nom.) 600～700°F(316～371℃)8″～8-1/2″(w/5″id.)*500～600°F(260～316℃)*此大小的鉆具接頭的壁厚比標準鉆具接頭小得多。
前述那些實施例是對于那些用途有代表性的預(yù)熱溫度，用作其它預(yù)熱溫度的例子，該預(yù)熱溫度根據(jù)要表面加硬的部件的大小和所述基體材料的固有性質(zhì)，通過簡單的實驗確定。
預(yù)熱溫度宜用接觸式電子高溫計來測量，雖然可以使用其它溫度測量方法，如兩個熱探筆，都很容易在市場上購得。
現(xiàn)在試看圖9，在預(yù)熱系統(tǒng)中可使用的一個裝置是電磁感應(yīng)線圈40，其中放置著鉆管14的鉆具接頭10的套管12或12a和銷子18或18a，或者穩(wěn)定器30，接受通過導(dǎo)線42來自電源44的電能或電力。這種電磁感應(yīng)線圈很容易在市場上購得，對此沒有必要進行過多的說明。
現(xiàn)在試看圖10，說明了用于預(yù)熱系統(tǒng)的氣焊焊炬46，它包括用于從氧氣瓶52和丙烷瓶54通過導(dǎo)管48和50提供氧氣和丙烷的焊炬棒47。所述焊炬46是手持的，來自焊炬棒47的火焰56對要焊接的套管或銷子或穩(wěn)定器進行預(yù)熱，圖中顯示的是連接在鉆管14上的鉆具接頭10的套管12。
將表面加硬層焊接在焊接表面上以后，冷卻應(yīng)足夠慢，以確保從奧氏體往馬氏體進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的最佳速度。這種緩慢的降溫速度可以通過在焊接完成之后，立即將焊接合金的表面用絕熱毯子裹住，讓其在靜止的空氣中進一步冷卻至室溫來獲得。這種絕熱毯子是現(xiàn)成的商品，可以從美國休斯頓市場上購得，如Welding Products of Texas、United Welding Supplies和William AlloyWelding Equipment，Inc.，這些廠商都是在Houston，Texas，USA。
另一優(yōu)選的緩慢冷卻的裝置是使用圖11所示的金屬箱。圓柱形金屬箱58具有一定大小的封閉端60，以便可以裝入鉆具接頭10的焊接套管12。所述封閉端60防止空氣通過鉆管14流動，確保在靜止空氣中緩慢降溫。雖然圖中未示，經(jīng)預(yù)熱和焊接的鉆具接頭10的銷子部件20也可以以相同的方式進行降溫。所述金屬箱的材料是低碳鋼，很容易在市場上購得，對此無需進一步的說明。
現(xiàn)在試看圖6，圖中顯示了具有可焊接合金組合物的芯64的管狀對接焊絲62。在圖5中是具有芯64a的管狀搭接接頭焊絲62a。在這兩種有芯管狀焊絲62和62a中，芯64和64a可以完全是金屬粉末(稱為金屬芯)或者是金屬和無機物粉末的混合物(稱為焊劑芯)。在這兩種情況下，芯粉末和鐵焊絲組成了本發(fā)明表面加硬或表面加硬合金的合金組合物。由于有芯焊絲在本技術(shù)和交易領(lǐng)域中為人熟知，所以不需進一步的說明。
經(jīng)過長期使用后，若地層材料或硅質(zhì)或其他材料的磨損會將表面加硬的某個區(qū)域磨去，可以如上所述另外進行表面加硬，而基本不會破壞鉆具接頭10的套管12或銷子20以及穩(wěn)定器30的穩(wěn)定肋條38。
現(xiàn)在試看圖8，此圖示意性地說明了用于本發(fā)明方法的設(shè)備，所述設(shè)備64包括一個卷筒66以及纏繞在其上的有芯焊絲62(或62a)，所述焊絲由焊絲驅(qū)動馬達68驅(qū)動，通過引導(dǎo)管70到達要進行表面加硬的工業(yè)產(chǎn)品72。直流穩(wěn)壓電源74為工業(yè)產(chǎn)品72由電纜76提供電能，并通過電纜80連接到電壓計82和電壓控制器84。電纜85為電壓計提供電壓，然后通過電纜86到引導(dǎo)管70和有芯焊絲62或62a。
當需要使用時，可由保護氣體源90通過氣體管道92到控制開關(guān)98和引導(dǎo)管99來提供焊絲的保護進行氣體弧焊保護。
由于這種設(shè)備對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說熟知的，故無需過多地說明用于將焊絲52的合金組合物焊接到要表面加硬的表面的設(shè)備。
雖然本發(fā)明尤其適用于對鉆具接頭和穩(wěn)定器進行表面加硬，但是它可以用于需要表面加硬的任何表面，如結(jié)構(gòu)部件、加工部件、耐磨板等的表面。
因此，本發(fā)明非常適于達到本發(fā)明的目的，且具有所述的以及其它固有的優(yōu)點和特征性質(zhì)。
雖然為了進行說明，給出了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，但是在本發(fā)明的原則下作出的改變，認為均限定在附帶權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
1.用于焊接在需要耐磨損表面上的表面加硬用合金，以重量計，該合金由以下成分組成約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵，該合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。
2.具有經(jīng)受磨損表面的工業(yè)產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括焊接在經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品表面上、權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
3.用于連接鉆管的鉆具接頭，所述鉆具接頭具有圓柱主體、直徑大于所述鉆管外圓形柱表面的內(nèi)部帶螺紋的套管、外部帶螺紋的銷子，而且包括至少一層焊接在所述套管或銷子中一個或兩個的外圓柱形表面上、權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層，由此提供表面對硅質(zhì)材料的耐磨性。
4.權(quán)利要求3所述的鉆具接頭，其特征在于所述套管或銷子中一個或兩個的外圓柱形表面上具有沿其相當長的部分延伸的直徑減小的部分，所述表面加硬用合金層焊接到所述套管或銷子中一個或兩個的直徑減小的部分。
5.權(quán)利要求2所述的工業(yè)產(chǎn)品，其特征在于該產(chǎn)品包括具有圓柱形主體和用于連接鉆管的鉆柱的內(nèi)部帶螺紋的套管和外部帶螺紋的銷子的穩(wěn)定器，從圓柱形主體外表面延伸出來的、在鉆孔中起穩(wěn)定鉆管的鉆柱的作用的具有經(jīng)受磨損的外表面的穩(wěn)定器肋條，焊接在經(jīng)受磨損的穩(wěn)定器肋條外表面上的權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
6.延長經(jīng)受硅質(zhì)材料等磨損的工業(yè)產(chǎn)品壽命的方法，該方法包括在經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品的一個或多個表面上焊接權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
7.延長具有一個或多個部件的工業(yè)產(chǎn)品壽命的方法，所述部件具有經(jīng)受硅質(zhì)材料等磨損的表面，該方法包括預(yù)熱這一個或者多個部件，將由約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵組成的表面加硬用合金層，焊接到這一個或多個部件的表面上，該合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度，
將已經(jīng)焊接上表面加硬用合金層的這一個或多個部件冷卻下來，所述預(yù)熱和冷卻對于奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供不出現(xiàn)裂紋的一個或多個部件的表面加硬的表面。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述表面經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品選自鉆管鉆具接頭的套管和銷子部件以及穩(wěn)定器。
9.延長連接鉆管的鉆具接頭的壽命的方法，所述鉆具接頭具有可連接的帶螺紋的套管和內(nèi)部連接的銷子，所述套管和銷子均具有外部圓柱形部分，所述方法包括將至少一個所述套管或銷子或者兩者的外部圓柱形部分預(yù)熱至約100～400℃，在約100～400℃的預(yù)熱溫度下，將耐磨損的表面加硬用合金層焊接在所述套管和銷子中一個或者兩者的外圓柱形部分上，所述表面加硬用合金由約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵組成，所述合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度，將已經(jīng)焊接有表面加硬用合金層的所述套管或銷子中一個或兩者的外圓柱部分冷卻下來，這對于表面加硬用合金層中奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供耐硅質(zhì)材料磨損的表面加硬的表面。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述帶螺紋的套管具有比鉆管和所述外圓柱形套管中的凹陷部分更大的直徑，所述方法包括將表面加硬用合金層基本沿其長度并且基本與所述帶螺紋的套管的外表面齊平地焊接在外圓柱形部分的凹陷部分上。
11.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述帶螺紋的銷子具有比所述鉆管和所述銷子圓柱形部分中的凹陷部分更大的直徑，所述方法包括將表面加硬合金層基本沿其長度并且基本與所述帶螺紋的套管的外表面齊平地焊接在外圓柱形部分的凹陷部分上。
12.權(quán)利要求6所述的方法，其中權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層的焊接是通過明弧焊、氣體保護弧焊或者埋弧焊用管狀焊絲進行的。
在以下權(quán)利要求修改格式中顯示了修改的權(quán)利要求。
1.(修改)用于焊接在需要耐磨損表面上的表面加硬用合金，以重量計，該合金[包含]由以下成分組成約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵，該合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。
7.(修改)延長具有一個或多個部件的工業(yè)產(chǎn)品壽命的方法，所述部件具有經(jīng)受硅質(zhì)材料等磨損的表面，該方法包括預(yù)熱這一個或者多個部件，將[權(quán)利要求1所述的]由約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵組成的表面加硬用合金層，焊接[在所述一個或多個部件的表面]到這一個或多個部件的表面上，該合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度，將已經(jīng)焊接上表面加硬用合金層的這一個或多個部件冷卻下來，所述預(yù)熱和冷卻對于奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供不出現(xiàn)裂紋的一個或多個部件的表面加硬的表面。
8.(修改)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述表面經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品選自鉆管鉆具接頭的套管和銷子部件以及穩(wěn)定器。
9.(修改)延長連接鉆管的鉆具接頭的壽命的方法，所述鉆具接頭具有可連接的帶螺紋的套管和內(nèi)部連接的銷子，所述套管和銷子均具有外部圓柱形部分，所述方法包括將至少一個所述套管或銷子或者兩者的外部圓柱形部分預(yù)熱至約100～400℃，在約100～400℃的預(yù)熱溫度下，將[權(quán)利要求1所述]耐磨損的表面加硬用合金層焊接在所述套管和銷子中一個或者兩者的外圓柱形部分上，所述表面加硬用合金由約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵組成，所述合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度，將已經(jīng)焊接有表面加硬用合金層的所述套管或銷子中一個或兩者的外圓柱部分冷卻下來，這對于表面加硬用合金層中奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供耐硅質(zhì)材料磨損的表面加硬的表面。
要求著錄在附帶替換頁中顯示的權(quán)利要求1和7-9(修改)。
權(quán)利要求
1.用于焊接在需要耐磨損表面上的表面加硬用合金，以重量計，該合金包含約0.65～1.1％碳、約4.5～10.5％鉻、約0.05～1.0％鉬以及包含痕量元素雜質(zhì)的余量鐵，該合金具有約48Rc(455BHN)～52Rc(512BHN)的硬度。
2.具有經(jīng)受磨損表面的工業(yè)產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括焊接在經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品表面上、權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
3.用于連接鉆管的鉆具接頭，所述鉆具接頭具有圓柱主體、直徑大于所述鉆管外圓形柱表面的內(nèi)部帶螺紋的套管、外部帶螺紋的銷子，而且包括至少一層焊接在所述套管或銷子中一個或兩個的外圓柱形表面上、權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層，由此提供表面對硅質(zhì)材料的耐磨性。
4.權(quán)利要求3所述的鉆具接頭，其特征在于所述套管或銷子中一個或兩個的外圓柱形表面上具有沿其相當長的部分延伸的直徑減小的部分，所述表面加硬用合金層焊接到所述套管或銷子中一個或兩個的直徑減小的部分。
5.權(quán)利要求2所述的工業(yè)產(chǎn)品，其特征在于該產(chǎn)品包括具有圓柱形主體和用于連接鉆管的鉆柱的內(nèi)部帶螺紋的套管和外部帶螺紋的銷子的穩(wěn)定器，從圓柱形主體外表面延伸出來的、在鉆孔中起穩(wěn)定鉆管的鉆柱的作用的具有經(jīng)受磨損的外表面的穩(wěn)定器肋條，焊接在經(jīng)受磨損的穩(wěn)定器肋條外表面上的權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
6.延長經(jīng)受硅質(zhì)材料等磨損的工業(yè)產(chǎn)品壽命的方法，該方法包括在經(jīng)受磨損的工業(yè)產(chǎn)品的一個或多個表面上焊接權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層。
7.延長具有一個或多個部件的工業(yè)產(chǎn)品壽命的方法，所述部件具有經(jīng)受硅質(zhì)材料等磨損的表面，該方法包括預(yù)熱這一個或者多個部件，將權(quán)利要求1所述的表面加硬合金焊接在所述一個或多個部件的表面，使已經(jīng)焊接了表面加硬用合金層的所述一個或多個部件冷卻下來，所述預(yù)熱和冷卻對奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供不出現(xiàn)裂紋的一個或多個部件的表面加硬的表面。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述工業(yè)產(chǎn)品選自鉆具接頭的套管和銷子部件以及穩(wěn)定器。
9.延長連接鉆管的鉆具接頭的壽命的方法，所述鉆具接頭具有可連接的帶螺紋的套管和內(nèi)部連接的銷子，所述套管和銷子均具有外部圓柱形部分，所述方法包括將至少一個所述套管或銷子或者兩者的外部圓柱形部分預(yù)熱至約100～400℃，在約100～400℃的預(yù)熱溫度，將權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層焊接在所述套管和銷子中一個或者兩者的外圓柱形部分上，將已經(jīng)焊接有表面加硬用合金層的所述套管或銷子中一個或兩者的外圓柱形部分冷卻下來，這對于表面加硬用合金層中奧氏體向馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是有效的，由此提供耐硅質(zhì)材料磨損的表面加硬的表面。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述帶螺紋的套管具有比鉆管和所述外圓柱形套管中的凹陷部分更大的直徑，所述方法包括將表面加硬用合金層基本沿其長度并且基本與所述帶螺紋的套管的外表面齊平地焊接在外圓柱形部分的凹陷部分上。
11.權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述帶螺紋的銷子具有比所述鉆管和所述銷子圓柱形部分中的凹陷部分更大的直徑，所述方法包括將表面加硬合金層基本沿其長度并且基本與所述帶螺紋的套管的外表面齊平地焊接在外圓柱形部分的凹陷部分上。
12.權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于權(quán)利要求1所述的表面加硬用合金層的焊接是通過明弧焊、氣體保護弧焊或者埋弧焊用管狀焊絲進行的。
全文摘要
揭示了一種能經(jīng)受硅質(zhì)地層顆粒等的磨損、能焊接在工業(yè)產(chǎn)品如用于石油和天然氣打井的鉆具接頭和穩(wěn)定器以及其它工業(yè)產(chǎn)品上，而不會出現(xiàn)裂紋的表面加硬用合金。所述表面加硬用合金焊接后不需加工就具有低摩擦系數(shù)、高耐磨損性，且在鉆具接頭和穩(wěn)定器中，獲得鉆具接頭和穩(wěn)定器的耐磨性與引起的套管磨損之間最佳的平衡。本發(fā)明其它實施方式包括將表面加硬用合金(24)焊接在鉆具接頭的套管和銷子部件的外層圓柱形表面(22)上和焊接在用于鉆地如石油和天然氣鉆井的穩(wěn)定器的穩(wěn)定肋條上以及其它工業(yè)產(chǎn)品上的鉆具接頭；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，包括預(yù)熱和焊接后處理的條件，為的是抵抗磨損。
文檔編號C22C38/00GK1443247SQ01813104
公開日2003年9月17日 申請日期2001年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月14日
發(fā)明者R·A·達門 申請人:Att技術(shù)有限公司