CN1007910B - 新型代钴镍基耐磨堆焊合金 - Google Patents

Abstract

一种代钴镍基耐磨堆焊合金，主要由C，Si，Cr，W，B，Cu元素组成，属于低C，低B，高Cr，高Si，高W型镍基合金。它具有优异的耐高温粘着磨损性能和抗晶间腐蚀性能，该两项性能均优于钴基Stellite No.6合金，同时在硬度、耐磨粒磨损，抗擦伤，耐腐蚀性，抗高温氧化性，热耐久性，抗裂性及工况使用性等其他性能上均达到钴基Stellite No.6合金的水平。本发明代钴镍基耐磨堆焊合金可在高温高压及核电阀门或其他易磨损零件的堆焊中代替钴基Stellite No.6合金。

Description

本发明涉及一种耐磨堆焊用的合金材料。

在现有的代钴耐磨合金中，镍基合金是数量最多的一类，其中低硼低碳系镍基合金，根据Cr、W、Si等强化元素含量匹配的不同，又可分为高Cr低Si型（Cr≥20%，Si＜4.5%，如美国专利US4515869）、低Cr高Si型（Cr＜20%，Si≥4.5%，如日本专利昭55-31127）和高Cr高Si低W型（Cr＞20%，Si＞45%，W≤5%，如美国专利US4404049，日本专利昭57-164950）等。现有的代钴材料在确定合金的化学成分时，往往偏重于研究单个元素变化时，对性能的影响规律，而较少研究多种元素同时存在，同时变化时的综合影响，因而现有的镍基合金仅在某项或某几项性能上达到钴基合金的水平。上述这些合金的金相组织基本上是模拟原钴基Stellite    №6合金的组织形态：被固溶强化了的Ni固溶体基体加上共晶（碳化物、硼化物或硅化物等与固溶体形成的二元或三元共晶）或加上弥散分布的碳化物。这样的组织形态由于固溶体和共晶强化相在高温下都要软化，而弥散分布的碳化物又起不到阻止基体在高温磨损过程中产生塑性变形的作用。因此现有的代钴合金（包括原钴基Stellite    №6合金）在高温下的耐粘着磨损能力不够理想。另外，由于共晶强化相在固溶体晶界呈网状连续分布，降低了材料的塑性，韧性和抗晶界腐蚀能力。

本发明的目的在于研制一种耐高温粘着磨损性能优异，具有高的抗晶间腐蚀能力，同时在其它性能上（包括硬度，耐磨粒磨损，抗擦伤性，耐腐蚀性，抗高温氧化性，热耐久性，抗裂性及工况使用性等）达到钴基Stellite    №6合金水平的无钴镍基合金， 以便在高温高压及核电阀门或其它易磨损零件的堆焊中代替钴基Stellite    №6合金。

本发明代钴镍基耐磨堆焊合金主要由C、Si、Cr、W、B、Cu元素组成，这些元素的含量为：C：0.3～1.5%;Si：4.5～8%;Cr：20～35%;W：5～15%;B：≤1%;Cu：＜3%（不包括0）;其余为Ni（均为重量百分比）。

本发明代钴镍基耐磨堆焊合金为低C（C≤1.5%），低B（B≤1%），高Cr（Cr≥20%），高Si（Si≥4.5%），高W（W≥5%）型镍基合金。该合金的组织形态为：固溶强化的硬度适中的Ni基γ固溶体加数量足够多的大尺寸的多面体状Cr，Ni，W，Si型金属间化合物加大棒条状的（Cr，W）₇C₃型一次碳化物（见图1）。该组织形态有着在高温下极强的抗塑性变形的能力，因而具有优异的耐高温粘着磨损性能。

本发明是用正交设计法系统地研究了多种强化元素同时存在，同时变化时对全面性能的综合影响后，得出了各强化元素之间的合理匹配关系，从而确定了该合金的成分范围，使合金元素含量在此匹配条件下，能保证获得设计的组织形态及最佳的全面性能。

本发明代钴镍基耐磨堆焊合金中确定各元素含量范围的原则是：C含量若太低（＜0.3%），则会降低合金硬度，形不成所需的大棒条状M₇C₃碳化物，若C含量太高，超过1.5%，则C和Cr，W等元素形成过量的碳化物，得不到所设计的大尺寸多面体形的Cr，Ni，W，Si型金属间化合物。从而硬质相中单纯由大棒条状碳化物组成，使合金的塑性，韧性严重下降，达不到使合金既具有良好的抗高 温粘着磨损性能，又有足够韧性的目的。

本发明合金中一般不加硼，如为了改善制粉工艺性，可少量加入，但不得大于1%。这样可使合金中不形成脆性硼化物相，不会降低合金的韧性，塑性。

高Cr，高W，高Si（Cr≥20%，W≥5%，Si≥4.5%）可以保证Cr，W的一部分形成（Cr.W）₇C₃型碳化物，而且还保证有部分形成Cr，Ni，W，Si型金属间化合物。三种元素中任何一种含量不够，都得不到所需的组织形态。但含量超过所定范围，会使合金变脆或降低合金的堆焊工艺性。

本发明合金中加入Cu可提高合金的耐粘着磨损能力。但含量过高会使合金变脆，因此以Cu＜3.0%为宜。在本发明合金中，如B＝0.5～1.0%时，Cu≤2%。

为保证本发明合金的高温性能，应控制Fe≤2%。

本发明代钴镍基耐磨堆焊合金的金相组织，在高温下虽然Ni固溶体硬度下降，在进行金属间粘着磨损时，有产生塑性变形的趋势，但由于金属间化合物和碳化物在高温下不软化，而它们的尺寸又足够大，足以阻止材料产生塑性变形。所以本发明合金在高温下有比Stellite    №6合金高得多的抗高温粘着磨损性能，因此本发明合金特别适用于高温高压阀门密封面的堆焊;本发明合金的组织中没有像钴基Stellite    №6合金中那种沿晶界呈网状分布的脆性共晶相;固溶体硬度适中，因此本发明合金具有优于Stellite    №6合金的抗晶间腐蚀性能和足够的韧性，塑性，因而本发明合金也特别适合作为需要耐晶间腐蚀的不锈钢阀门密封面 的堆焊材料及用作安全阀密封面的堆焊材料;本发明合金属于无Co，低B，低Fe的镍基合金，可适用于原子能工业的阀门中;本发明镍基代钴合金，在全面性能上达到了Stellite    №6合金的水平（见表1），且资源立足于国内，因此本发明合金可在较广范围内代替钴基Stellite    №6合金。

现在对本说明书所附图表说明如下：

图一为本发明代钴镍基耐磨堆焊合金的金相组织图。

表一为本发明镍基合金与Stellite    №6钴基合金性能对比一览表。

下面介绍本发明合金的制备方法及实施本发明的几个实例。

本发明合金可用工业原料按本发明的成分用高频感应炉冶炼，用水雾化或氮气雾化将冶炼的液体金属雾化成合金粉末，供粉末等离子弧堆焊使用。也可将本发明的成分用高频感应炉冶炼后浇铸成φ5m/m的焊丝，供氧乙炔或钨极氩弧堆焊使用。还可将本发明合金制成焊条，供手工电弧堆焊使用。

本发明代钴镍基耐磨堆焊合金典型成分（重量%）：

C    Si    Cr    W    B    Cu    Ni    Fe

1.5    5.5    25    6.5    0    1.0    余    ＜2

1.0    5.0    22    5    0.5    1.0    余    ＜2

0.6    5.0    20    7    0.8    1.0    余    ＜2

上述典型合金在比压为47kg/cm²，转数为60转/分的金属间粘着磨损试验机上进行600℃高温粘着磨损试验，旋转1800转后磨损量约为0.03～0.01g，约为同等试验条件下Stellite №6合金磨损量的1/5左右，故本发明合金的耐高温粘着磨损性能约为Stellite №6合金的5倍。用D法（硫酸铜法）进行抗晶间腐蚀试验，试验后用金相法观察材料晶间腐蚀倾向，本发明代钴镍基耐磨堆焊合金的试验结果明显优于Stellite №6合金，没有晶间腐 蚀倾向。其余性能如：常温，高温硬度，耐磨粒磨损性能，抗腐蚀性能等均达到Stellite    №6合金水平。

Claims (3)

1、一种代钴镍基耐磨堆焊合金，主要由C、Si、Cr、W、B、Cu元素组成，本发明的特征在于，该合金中主要元素的含量为C∶0.3～1.5%；Si∶4.5～8%；Cr∶20～35%；W∶5～15%；B∶＜1%；Cu∶＜3%(不包括0)；其余为Ni(均为重量百分比)。

2、根据权利要求1所述的代钴镍基耐磨堆焊合金，其特征在于，Fe≤2%（重量百分比）。

3、根据权利要求1所述的代钴镍基耐磨堆焊合金，其特征在于，Cu：≤2%（不包括0），（重量百分比）。

蚀倾向。其余性能如：常温，高温硬度，耐磨粒磨损性能，抗腐蚀性能等均达到Stellite  No.6合金水平。