高硼硬面焊條的制作方法
【專利說明】高硼硬面焊條
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的用于沉積用來應(yīng)用于金屬表面的硬面(hardfacing) 合金的焊條，以及根據(jù)權(quán)利要求6的將硬面合金施加在金屬表面上的方法。本發(fā)明大體上涉 及金屬合金領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于將金屬合金沉積在工件上的焊條，并且甚至更具 體地涉及將高硼硬面金屬合金沉積在工件的表面上的焊條。 技術(shù)背景
[0003] 由于致其損失尺寸和功能的磨損，金屬部件經(jīng)常不能實現(xiàn)預(yù)期用途。"硬面"是一 種涉及將一層硬材料施加于基質(zhì)以達到提高基質(zhì)的耐磨損性和耐腐蝕性的目的的技術(shù)。多 年來，該技術(shù)的使用不斷增加，隨著行業(yè)上已經(jīng)開始意識到更軟、更低成本的材料的基質(zhì)可 以被硬面，以具有與更貴的硬材料基質(zhì)相同的耐磨損和耐腐蝕特性。硬面可以在生產(chǎn)過程 中應(yīng)用于新部件來提高其耐磨損性，或者，硬面可以用于復(fù)原磨損表面。硬面延長了工件的 使用壽命，并且可以節(jié)省機器停機時間和生產(chǎn)成本。
[0004] 硬面涉及通過焊接或熱噴涂的硬層的沉積。常規(guī)的焊接硬面是通過多種焊接技術(shù) 中的一種來實現(xiàn)的，所述焊接技術(shù)包括氧燃料焊接(oxy-fuel welding，0FW)、氣體保護媽 極電弧焊（gas tungsten arc welding，GTAW或TIG)、熱絲GTAW、氣體保護金屬極電弧焊 (GMAW)、熱絲GMAW、屏蔽金屬電弧焊（shielded metal arc welding，SMAW)、埋弧焊(SAW)和 焊藥芯電弧焊(flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW)。也可以使用等離子轉(zhuǎn)移電弧(PTA)硬面和 激光束硬面。一般來說，焊絲被沉積在基質(zhì)表面之上以產(chǎn)生比下面的基質(zhì)更為耐磨損的焊 接沉積物。
[0005] 硬面合金被設(shè)計來提供針對于指定磨損因素或多個磨損因素的組合的改善的耐 磨損性。沉積的合金的磨耗性能與形成碳化物的金屬(如，與碳組合的鉻、鉬、鎢、釩和鐵)的 量直接相關(guān)。當(dāng)這些金屬中的一種與碳發(fā)生反應(yīng)時，就形成了耐磨損的碳化物，并且余量的 碳留在溶體中以形成半奧氏體的基體，硬的、耐磨損的碳化物均勻地分布在該半奧氏體的 基體中。隨著耐磨損碳化物與合金基體的比率的增加，耐磨耗性提高，而同時其抗沖擊性降 低。
[0006] -個類型的硬面材料是被稱為"碳化絡(luò)"的合金。其高耐磨耗性來自于在軟而韌的 基體中的共晶和/或過共晶型的初級(primary)碳化鉻(M 7C3)的顯微結(jié)構(gòu)的存在。因為這些 合金包含大量的碳化鉻，它們尤其適合于耐嚴重磨耗應(yīng)用。然而，具有依據(jù)洛氏"C"硬度標(biāo) 度(Rockwell "C"hardness scale，"HRC"）的、大于62HRC的硬度的碳化絡(luò)合金一直難以以一 致的方式實現(xiàn)。盡管所形成的初級碳化鉻本身可以呈現(xiàn)大約63-65HRC的硬度值，但共晶基 體（圍繞初級碳化物的材料)呈現(xiàn)在50至58HRC范圍內(nèi)的硬度值。這使得在這樣的碳化鉻合 金的第一層沉積物中難以實現(xiàn)大于62HRC的一致的平均硬度量度。盡管在共晶基體中具有 低水平硼或鈮或這兩者的焊接沉積物在共晶基體中的多個點處可以呈現(xiàn)更高的硬度量度， 但是硬度在橫過焊接焊道的方向上傾向于不一致。
[0007] 盡管常規(guī)碳化鉻合金提供良好的耐磨損性，由碳化鉻焊絲產(chǎn)生的焊接沉積物可以 在硬焊接沉積物表面中產(chǎn)生交叉微裂樣式(cross-checking pattern)。除非具有這些類型 的顯微結(jié)構(gòu)的硬面沉積物交叉微裂來減輕壓力，否則焊道下裂縫可能形成，并且材料將從 表面剝落。盡管均勻分布的交叉微裂裂縫是符合期望的（由于其表明了一致的顯微結(jié)構(gòu)）， 但是縱向裂縫是有害的，因為其促成了焊道下裂縫的可能性。交叉微裂裂縫還可能將磨耗 材料困在由裂縫形成的空間中，并使得磨耗材料承擔(dān)一部分磨損，增加沉積物的總耐磨耗 性。
[0008] 鑒于硬面技術(shù)的現(xiàn)狀，高度符合期望并有益的是，提供一種用于沉積供金屬組件 的表面上使用的、具有高耐磨耗性的初級碳化物共晶顯微結(jié)構(gòu)的硬面合金組合物的焊條， 所述金屬組件受到高度熱和機械壓力，并可以在焊接沉積物的第一層中一致地達到至少約 65HRC的硬度值。這樣的硬面合金可以使用硬面合金的更薄的層產(chǎn)生相同量的耐磨損性，或 者通過使用相同量的硬面合金來進一步延長設(shè)備的使用壽命。
[0009] 發(fā)明描述
[0010] 為了克服上述問題和缺點，提供了根據(jù)權(quán)利要求1的用于沉積用于施加于金屬表 面的硬面合金的焊條和根據(jù)權(quán)利要求6的將硬面合金施加于金屬表面上的方法。本發(fā)明的 進一步的和優(yōu)選的實施方案是子權(quán)利要求(subclaim)的主題。本發(fā)明涉及將合金沉積于工 件上的焊條，更具體地涉及將硬面合金沉積于工件表面上的焊條，并且甚至更具體地涉及 將高硼硬面金屬合金沉積于工件表面上的焊條。沉積于工件上的硬面合金優(yōu)選地包括具有 細小晶粒尺寸、在基體之內(nèi)小而均勾分散的碳化物和在基體內(nèi)小量的碳的共晶基體。初級 相是由鉻、硼、錳、硅或其任意組合組成的M 7c3型的初級金屬碳化物。
[0011] 由本發(fā)明的焊條沉積的硬面合金作為受高度熱和機械壓力的材料上的金屬表面 材料(surfacing)是尤其有用的。由本發(fā)明的焊條沉積的硬面合金具有硼、鉻、碳、錳和硅的 獨特組合。一般而言，由本發(fā)明的焊條形成的硬面合金包括（以原子重量百分比計）至少約 2.5 %的硼，至少約15.0%的鉻，至少約14.0%的碳，至少約0.75 %的錳，至少約0.75 %的 娃，以及余量的鐵。
[0012] 由本發(fā)明的焊條沉積的硬面合金在焊接沉積物的第一層中具有在至少約65HRC的 范圍內(nèi)的硬度，和少于〇. 10克的材料損失的ASTM G-65A磨損結(jié)果。
[0013] 硬面合金可以通過各種類型的焊條和各種類型的焊接工藝的任意組合而被沉積。 舉例來說，本發(fā)明的焊條可以是自保護焊條或氣體保護焊條。當(dāng)焊條是氣體保護焊條時，保 護氣體通常是C0 2、氬，或者C02-氬混合物;但是，也可以使用其他保護氣體。本發(fā)明的焊條可 以是實心焊絲焊條、覆有焊藥的焊條、焊藥芯焊條、填充金屬的焊條等等。如此，本發(fā)明的焊 條可以被用在若干不同類型的焊接工藝中，例如，但不限于，中性SAW焊藥與合金的有芯/實 心焊條、合金SAW焊藥與合金的有芯/實心焊條、合金的SAW焊藥與非合金的有芯/實心焊條、 有芯焊條與合金/非合金的鞘和合金/非合金的填充物?？梢灶I(lǐng)會，可以使用其他類型的焊 條和其他類型的焊接工藝。
[0014]在一個非限制性實施例中，以原子重量（"at"）百分比計，由本發(fā)明的焊條沉積的 硬面合金包括： Γλλ? κ?
[0016] 上文所述的硬面合金可以包括附加的合金化材料(alloying material)。特別地， 其可以包括與鉻形成混合碳化物的附加的合金化材料，如，舉例來說，選自由鈮、鉬和釩組 成的組的至少一種金屬。
[0017] 氮也被特意添加至硬面合金以與硼或鉻，或與這兩者形成氮化物。氮還與鈮、鉬和 釩(如果這些附加的合金化材料中的一種或更多種存在的話）形成氮化物。氮被優(yōu)選地添 加，以作為(例如通過使用保護氣體、自保護的)焊接工藝的一部分，或者作為具有焊條所包 括的金屬中的一種或更多種的合金的一部分。優(yōu)選地，所添加的氮的量的范圍是從約百萬 分之60至約百萬分之300。
[0018] 在一個非限制性的實施方案中，以原子重量百分比計，由本發(fā)明的焊條沉積的焊 縫的組成包括4.42 %的硼、14.81 %的碳、16.69 %的鉻、1.71 %的錳、1.01 %的硅，并且余量 是鐵。被沉積在ASTM A36鋼上、有這樣組成的硬面合金具有由洛氏C硬度檢測器測量的 65HRC的平均硬度，以及依據(jù)維氏標(biāo)度(Vicker's Scale)的990的平均硬度值(HV)。
[0019] 在另一個非限制性的實施方案中，以原子重量百分比計，由本發(fā)明的焊條沉積的 焊縫的組成包括4.08 %的硼、17.67 %的碳、16.81 %的鉻、1.66 %的錳、1.23 %的硅，余量是 鐵。被沉積在ASTM A36鋼上、有這樣組成的硬面合金具有由洛氏C硬度檢測器測量的67HRC 的平均硬度，以及依據(jù)維氏標(biāo)度的966的平均硬度值(HV)。
[0020] 可以領(lǐng)會，由本發(fā)明的焊條沉積的硬面合金可以具有其他組成。
[0021 ]本發(fā)明的一個目的是提供用于將合金沉積在工件上的焊條。
[0022] 本發(fā)明的另一個目的是提供用于沉積用在受到高度熱和機械壓力的材料上，從而 增加這樣的材料的壽命的硬面合金的焊條。
[0023] 本發(fā)明的再另一個目的是提供用于將高硼硬面合金沉積在工件表面的焊條，所述 工件可以在焊接沉積物的第一層中一致地獲得至少約65HRC的