CN100396405C - 能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉。其组成及质量百分比含量(%)为：Cr＝6.0～12.0、Ni＝5.0～11.0、Mn＝0.5～1.8、Mo＝0.1～0.9、Nb＝0.1～0.9、Ti＝0.1～0.9、Si＝0.1～0.9、其余为Fe。合金粉粒度直径为50～200微米。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围100～300℃，组织为马氏体组织和奥氏体组织，组织含量分别为50～90%和50～10%。本发明用于提高钢铁材料或机械结构与装备的疲劳性能以及抗应力腐蚀能力，提高他们的安全性能和使用寿命。利用这些方法和材料还可以制造材料表面具有压缩应力的复合材料产品，具有巨大的经济效益和社会效益。

Description

能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉

技术领域

本发明涉及一种合金粉，尤其涉及一种适用于喷涂、喷焊、喷熔和重熔等工艺方法的合金粉。

背景技术

到2005年末，我国的钢铁产量已接近3亿吨，其80-90％用于制造大型金属结构与装备，对人民生活水平的提高和社会进步起到重要作用。然而，大型金属结构与装备常常出现失效问题，造成巨大的经济损失，甚至是人身伤亡事故，因此其可靠性、安全性一直是人们所关心的问题。

断裂、腐蚀、磨损是金属结构失效的三种主要形式，为了减少因此而造成的失效损失，人们提出了众多的金属材料表面改性方法，如：喷涂、喷焊、喷熔和重熔等是主要的几种工艺方法，它们是借助于热源把具有一定功能(高硬度、耐腐蚀)的合金粉末施加于金属材料表面，用于金属材料表面的强化、硬化、耐磨、抗腐蚀等性能的提高。但是目前这些工艺方法只限于缓解以腐蚀和磨损为主的失效问题，

按照结构设计规范，所制造的金属结构在使用过程中是安全的，不应当有断裂失效的问题。然而在实际制造加工后，金属结构局部会存在高水平拉伸应力，或由应力集中造成的附加拉伸应力，在叠加工作载荷后，这些部位将出现裂纹，尤其是疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹，造成金属结构的过早失效。采用上述工艺方法有可能缓解一些应力集中的问题，而对于以断裂为主的失效问题，这些方法无能为力，反而会引起结构表面更大的拉伸应力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的对于以断裂为主的失效问题，提供一种同样采用喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法熔覆于钢铁材料表面，使其熔覆层产生压缩应力的合金粉。因此可大幅度延缓疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高金属构件的安全性，延长其使用寿命。

钢铁材料在冷却过程中会产生组织转变，这一组织转变伴随有体积膨胀，对于绝大多数钢铁材料，组织转变在较高的温度下(大于材料的塑性温度)结束，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会影响焊接残余应力；但对于一定合金成分的钢铁材料，其相变开始点和结束点均出现在较低的温度，此时材料已处于弹塑性或弹性状态，相变体积膨胀将会减少焊接热场造成的残余拉伸应力，体积膨胀量越大，残余拉伸应力越小，在一定条件下出现残余压缩应力。

本发明亦是提供一种熔覆层金属在低温下产生较大相变膨胀量的合金粉，采用喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法把该合金粉熔覆于钢铁材料表面，由于熔化后的合金粉在冷却过程中具有组织转变引起的相变体积膨胀，可使材料表面熔覆层产生压缩应力，因此定义这种合金粉为压缩应力合金粉。

本发明适用于喷涂、喷焊、喷熔和重熔等工艺方法的合金粉，其特征在于，所述的合金粉组成及质量百分比含量(％)为：Cr＝6.0～12.0、Ni＝5.0～11.0、Mn＝0.5～1.8、Mo＝0.1～0.9、Nb＝0.1～0.9、Ti＝0.1～0.9、Si＝0.1～0.9、其余为Fe。。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围100～300℃。

优选合金粉组成及质量百分比含量(％)为：Cr＝8.0～11.0、Ni＝7.0～10.0、Mn＝0.8～1.6、Mo＝0.3～0.6、Nb＝0.3～0.6、Ti＝0.3～0.6、Si＝0.3～0.7、其余为Fe。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围150～250℃。

本发明的合金粉粒度直径为5～200微米，其熔化凝固后形成合金材料组织为马氏体组织和奥氏体组织，组织组成含量分别为50～90％和50～10％。

熔覆层具有压缩应力这将有利于材料疲劳性能的提高、抗应力腐蚀开裂能力的提高，有利于提高金属结构安全性和使用寿命，以及制造表面压缩应力的复合材料产品。

本发明的有益效果是采用了常规的喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法将合金粉熔覆于钢铁材料表面，其熔覆层产生压缩应力。大幅度延缓了疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高了金属构件的安全性，延长了其使用寿命。

本发明可广泛应用于承受疲劳载荷的机械结构与装备的表面处理，如桥梁、轮船、海洋工程结构、重型机械、矿山机械、交通运载工具等等，尤其是用于结构应力集中部位和疲劳裂纹易启裂部位，如焊缝部位；也可以用于腐蚀环境下，预防机械结构的应力腐蚀开裂。利用这些方法和材料还可以制造材料表面具有压缩应力的复合材料产品，本发明具有较高的应用前景和推广价值，具有较高经济效益和巨大的社会效益。

附图说明

图1金属材料的冷却膨胀曲线图；

图2金属材料在拘束条件下应力的产生过程；

图3熔覆层板材的应力分布图；

图4疲劳性能试验所用试件图；

图5疲劳性能试验所用试件图的俯视图。

附图标记如下：

1——普通材料冷却曲线                 2——合金粉熔覆金属收缩阶段曲线

3——合金粉熔覆金属膨胀阶段曲线       4——基体材料

5——熔覆层                           6——应力分布

Ms——奥氏体向马氏体相变开始温度点    Mf——马氏体相变结束温度点

Ts——应变开始点                      Tf——缩阶段相应变结束点

εp——相变膨胀应变量

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述收缩阶段。

金属材料的实测冷却膨胀曲线如图1所示。曲线1是普通低碳钢低合金钢材料的冷却曲线，曲线2、3是本发明合金粉熔覆金属的收缩阶段与膨胀阶段的冷却曲线，其中曲线3为膨胀阶段。Ms为马氏体相变开始点，Mf为马氏体相变结束点，Ts为相变应变开始点，Tf为相变应变结束点。

低碳钢低合金钢材料的冷却过程沿着图1曲线1变化，其组织转变在塑性温度以上开始，相变膨胀应变只有0.11-0.25％左右，而且整个相变过程均在塑性状态，没有相变应力的产生。相变结束后，金属材料体积继续收缩，随着温度的降低和材料弹性的回复，在拘束条件下拉伸应力出现并不断增加至材料的屈服强度(随温度变化)维持到室温，如图2曲线1所示。

合金粉熔覆金属的冷却过程沿着图1曲线2和3变化，在相变之前，熔覆层金属随着温度的降低和弹性的回复，在拘束条件下拉伸应力出现并不断增加，如图2曲线2所示。在相变开始温度Ms点，奥氏体开始向马氏体转变，熔覆层金属的相变膨胀开始，拉应力减小，出现压应力，直到相应变结束点Tf，理论上Tf应等于室温。如果相变膨胀应变足够大时，就会产生压缩应力，相变膨胀应变量εp越大，熔覆层金属的压缩应力就越大，如图2曲线3所示。

在依据以上原理和分析的基础上，经过大量试验研制成功了可以产生压缩应力的合金粉，以Cr-Ni-Mn-Mo系作为基础合金系统，适当添加其他增加韧性的合金元素。合金粉的选材应控制碳含量，以保证熔覆层综合力学性能的提高。具体制造过程是：选择各种金属粉，经过同一颗粒度筛网筛选后，按照配方质量百分比配方称重，然后均匀混合后即可得所需合金粉。合金粉的颗粒度选择依赖于加热工艺方法和工艺参数，如喷涂、喷焊、喷熔、重熔对合金粉颗粒度的要求各不相同。本发明中合金粉的颗粒度直径为50～200微米。

实施例及对比实施例及其工艺方法与表面应力实验结果详见表1。

实施例的编写方法为：

Y——表示应力     PH——喷焊方法    PT——喷涂方法

PR——喷熔方法    CR——熔方法      F1～F5——合金粉种类

表1

试验以普通Q235钢板基体材料，为了避免钢板自身应力的对试验的影响，事先对钢板进行退火处理，以其表面应力为零作为应力测试的基准。其他所有的试件都是在这种退火处理的钢板上进行工艺试验。

对比实施例选择了2种。其1在普通Q235钢板上喷焊低合金粉。其2在普通Q235钢板上喷焊不锈钢粉，其表面层组织为奥氏体，这是防止腐蚀的一种常用方法。应力测试结果表明对比实施例2的拉伸应力要比对比实施例1的大，原因是奥氏体不锈钢的膨胀系数大的原因所致。

实施例1-5的合金粉配方不同，但采用同一种工艺喷焊方法进行。试验所得，合金粉熔覆金属的相变开始温度在100～300℃之间，熔覆层金属相变膨胀应变大于0.35％，其大于冷却过程的热收缩应变，熔覆金属可以获得残余压缩应力。

相变开始温度在150℃～250℃的范围内，如实施例2，3，4，即合金粉F2，F3，F4，其熔覆层金属的压缩应力效果较大，相变开始温度在190℃左右时，残余压缩应力的值最大，实施例中的F3合金粉可以获得最大的残余压缩应力。

实施例6-8采用了F3的配方，并结合实施例3，对四种不同工艺方法喷涂、喷焊、喷熔、重熔的熔覆层金属应力进行了对比。由于工艺方法不一样，其熔覆层厚度和冶金效果不同，因此表面压缩应力的大小也不相同。其中喷焊的压应力最大，这是因为其冶金效果最好，而喷涂的压应力最小，这是因为其没有形成很好的冶金效果所造成的。由此看来应根据结构产品的具体要求选择工艺方法和合金粉。

稀释率对熔覆层压缩应力有较大的影响，在选择合金粉配方时应予以考虑。

与对比实施例相比，本发明的合金粉，其熔覆金属都产生了压缩应力，达到了发明的目的。

本发明合金粉有效地提高了金属构件的疲劳性能，下面以焊接接头的疲劳强度实验为例进行比较。

疲劳试验所用试件如图4和图5所示。试验材料用厚度为8mm的Q235A钢板，焊接接头型式为具有较大残余拉伸应力和较大应力集中的非承载十字接头。采用直径为4mm的普通焊条E5015焊接，焊接一层，焊角高度8mm左右，焊接电流I＝160A。4为基体材料，5为熔覆层。

以焊态试件作为对比实施例3，然后用喷焊或喷熔方法对其他四组焊态焊接接头焊趾部位用3种合金粉进行喷焊，所发明的合金粉仅选择效果最好的F3合金粉。在10吨高频疲劳试验机上进行疲劳试验，频率f＝139Hz，应力循环比r＝0.1。疲劳试验结果如表2所示。

表2

实施例	合金粉	工艺方法	疲劳强度/MPa(2×10<sup>6</sup>循环次数)	与焊态对比改善程度	备注
						1.PL-PH-F3	F3	喷焊	228	38％	应力集中减少，具有压缩应力
2.PL-PR-F3	F3	喷熔	218	32％	应力集中减少，具有压缩应力
						对比实施例1	低合金粉	喷焊	193	17％	应力集中减少，拉应力小
对比实施例2	不锈钢粉	喷焊	188	14％	应力集中减少，拉应力大
						对比实施例3			165		焊态试件，拉应力小

与焊态试件疲劳强度165MPa相比，对比实施例1、2的疲劳强度提高了17％和14％，主要原因是在相同拉伸应力水平的情况下，焊趾部位过渡平缓，应力集中降低所致。

实施例1和实施例2采用了F3合金粉，在应力集中程度与对比实施例1、2相当的情况下，熔覆层具有压缩应力，因此焊接接头疲劳强度得以大幅度提高。所以，采用压缩应力合金粉并结合喷涂、喷焊、喷熔、重熔等工艺方法，有效改善了金属构件的疲劳性能。

Claims (4)

1.一种能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉，其特征在于，所述合金粉组成及质量百分比含量(％)为：Cr＝6.0～12.0、Ni＝5.0～11.0、Mn＝0.5～1.8、Mo＝0.1～0.9、Nb＝0.1～0.9、Ti＝0.1～0.9、Si＝0.1～0.9、其余为Fe，其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围100～300℃。

2.根据权利要求1所述的合金粉，其特征在于，所述的合金粉组成及质量百分比含量(％)为：Cr＝8.0～11.0、Ni＝7.0～10、Mn＝0.8～1.6、Mo＝0.3～0.6、Nb＝0.3～0.6、Ti＝0.3～0.6、Si＝0.3～0.7、其余为Fe，其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围150～250℃。

3.根据权利要求1所述的合金粉，其特征在于，其熔化凝固后合金材料室温下组织为马氏体和奥氏体双相组织，组织组成含量分别为50～90％和50～10％。

4.根据权利要求1所述的合金粉，其特征在于，合金粉的粒度直径为50～200微米。

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