CN101421429A - 具有增强耐磨性的不锈钢堆焊层 - Google Patents

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Abstract

通过在各种类型不锈钢例如316L和420的基质中引入次生相碳化钛(TiC)和/或碳化铌(NbC)，提供了具有增强耐磨性的不锈钢堆焊层组合物。优选地，在堆焊过程中原位形成TiC和NbC析出物，同时使进入堆焊层基质固溶体中的碳(C)量最小化。

Description

具有增强耐磨性的不锈钢堆焊层
技术领域
[0001]本发明涉及用于电弧焊的合金组合物，且更特别地涉及具有增强耐磨性的不锈钢堆焊层(weld overlay)组合物。
背景技术
[0002]本节中的描述仅仅提供与本发明相关的背景技术信息，并且可能并不构成现有技术。
[0003]工业部件通常经受要求良好抗腐蚀性和耐磨性的操作和环境条件。这样的工业部件及其应用的实例尤其包括管道、加工设备和混合设备。这些工业部件通常包括不锈钢堆焊层以改善抗腐蚀性。
[0004]尽管不锈钢提供足够的抗腐蚀性，但是它们的耐磨性相对不良。实际上，对于304类型的奥氏体不锈钢(硬度HRC 25-35)，通过ASTM G65试验测量的耐磨性低于普通碳素钢。410/420类型的马氏体不锈钢具有略微较好的耐磨性，因为它们典型的具有HRC 40-50的硬度水平。硬化的低合金钢(HRC 50-55)具有显著更好的耐磨性。在图1中示出了这些磨损比较。
发明概述
[0005]通过向各种类型的不锈钢例如316L和420的基质中引入次生相碳化钛(TiC)和/或碳化铌(NbC)，提供了具有增强的耐磨性的不锈钢堆焊层组合物。优选地，在堆焊过程中原位形成TiC和NbC析出物，同时使进入堆焊层基质固溶体中的碳(C)量最小化。本发明的合金由于引入TiC和NbC类型的次生相碳化物因而具有增强的耐磨性。这些相的引入导致显著增强的耐磨性。
[0006]在一种形式中，提供了一种316L型的不锈钢堆焊层组合物，该组合物以质量百分比计包含：约0.5至约1.5％的碳、约0.1％至约2.0％的锰、约0.1％至约0.9％的硅、约14.0％至约18.0％的铬、约6.0％至约10.0％的镍、约1.5％至约3.5％的钼、约0.5％至约8.0％的钛和铌、和少于约0.15％的氮。在另外的形式中，碳占约1.0％、锰占约1.3％、硅占约0.5％、铬占约16.0％、镍占约8.0％、钼占约2.5％、钛和铌占约6.1％、以及氮占约0.1％。
[0007]在另一种形式中，提供了一种420类型的不锈钢堆焊层组合物，该组合物以质量百分比计包含：约0.5％至约1.5％的碳、约0.1％至约2.0％的锰、约0.1％至约0.9％的硅、约12.0％至约18.0％的铬、约0.1％至约1.8％钼、约0.5％至约8.0％的钛和铌、少于约0.15％的氮、和约0.15％至约2.0％的钒。在另外的形式中，碳占约1.1％、锰占约0.75％、硅占约0.5％、铬占约14.5％、钼占约0.5％、钛和铌占约6.1％、氮占约0.1％、以及钒占约0.4％。
[0008]以又一种形式中，提供了一种420类型的不锈钢堆焊层组合物，该组合物以质量百分比计包含：约0.1％至约1.0％的碳、约0.1％至约2.0％的锰、约0.1％至约1.5％的硅、约11.0％至约18.0％的铬、少于约6.0％的镍、约0.1％至约2.5％的钼、约0.5％至约8.0％的钛和铌、少于约0.15％的氮、和约0.05％至约2.0％的钒。在另外的形式中，碳占约0.5％、锰占约0.7％、硅占约0.7％、铬占约13.0％、镍占约3.0％、钼占约1.3％、钛和铌占约2.2％、氮占约0.1％、以及钒占约0.4％。
[0009]根据本文提供的方法，通过在堆焊过程中原位生成选自碳化钛和碳化铌的析出物来形成不锈钢堆焊层。
附图说明
[0010]这里描述的附图仅仅用于说明的目的，并且并不意图以任何方式限制本发明的范围。
[0011]图1是说明与硬化碳钢比较的不锈钢304和410的耐磨性的坐标图。
[0012]图2是说明由根据本发明的组合物得到的试验数据的坐标图，将所述组合物堆焊在碳素钢板上并通过ASTM G65规程A测试；
[0013]图3a是根据本发明教导的316T/NbC的电子探针扫描；
[0014]图3b是根据本发明教导的420Ti/NbC的电子探针扫描；
[0015]图4a是说明根据本发明教导的316Ti/NbC显微组织的显微照片；及
[0016]图4b是说明根据本发明教导的420Ti/NbC显微组织的显微照片。
发明详述
[0017]下述说明在本质上仅仅是示例性的，而不意图用来限制当前的发明、应用或使用。应当理解的是在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征。
[0018]通过向各种类型的不锈钢例如316L和420的基质中引入次生相碳化钛(TiC)和/或碳化铌(NbC)，提供了具有增强耐磨性的不锈钢堆焊层组合物。优选地，在堆焊过程中原位形成TiC和NbC析出物，同时使进入堆焊层基质固溶体中的碳(C)量最小化。
[0019]参考下表1，以“堆焊层A”、“堆焊层B”和“堆焊层C”列出三(3)种根据本发明的不锈钢堆焊层组合物(包括元素的目标百分数和百分数范围，均以重量计)。
表1
 
316LNb/TiC 316LNb/TiC 420NbC/TiC 420NbC/TiC 420NbC/TiC 420NbC/TiC
堆焊层A目标    堆焊层A范围    堆焊层B目标    堆焊层B范围    堆焊层C目标    堆焊层C范围   
碳 1.0 0.5-1.5 1.1 0.5-1.5 0.5 0.1-1.0
锰 1.3 0.1-2.0 0.75 0.1-2.0 0.7 0.1-2.0
硅 0.5 0.1-0.9 0.5 0.1-0.9 0.7 0.1-1.5
铬 16.0 14.0-18.0 14.5 12.0-18.0 13.0 11.0-18.0
镍 8.0 6.0-10.0 ---- ---- 3 0.0-6.0
钼 2.5 1.5-3.5 0.5 0.1-1.8 1.3 0.1-2.5
钛和铌 6.1 0.5-0.8 6.1 0.5-8.0 2.2 0.5-8.0
氮 0.1 0.0-0.15 0.1 0.0-0.15 0.1 0.0-0.15
钒 ---- ---- 0.4 0.05-2.0 0.4 0.05-2.0
[0020]正如所示，堆焊层A的组成是316L型不锈钢，堆焊层B和堆焊层C均是420类型不锈钢。通常，不锈钢类型316L是含有钼的奥氏体铬-镍不锈钢。316L型是316类型中的超低碳变体，其在焊接过程中具有减少的碳化物析出。不锈钢类型420是具有良好的抗腐蚀性、强度和硬度的马氏体不锈钢。因此这两种类型的不锈钢均非常适用于堆焊层用以改善耐磨性。现在更详细地描述每种元素及其对焊接熔敷物性能的作用。
[0021]碳(C)是一种改善硬度和强度的元素。对于堆焊层A和堆焊层B优选的碳量是约0.5-1.5％，对于堆焊层A目标值是约1.0％，对于堆焊层B目标值为1.1％。对于堆焊层C优选的碳量是约0.1-1.0％，目标值是约0.5％。调整碳含量使得在凝固过程中形成碳化物之后留在基质中的碳量相对低。因此，基质中低的碳有助于改善抗腐蚀性。
[0022]锰(Mn)是一种改善强度和硬度的元素并充当脱氧剂，当细氧化物不浮出金属时该脱氧剂也充当晶粒细化剂。对于堆焊层A和堆焊层B优选的锰量是约0.1-2.0％，对于堆焊层A目标值是约1.3％，对于堆焊层B目标值为0.75％。对于堆焊层C优选的锰量是约0.1-2.0％，目标值是约0.7％。
[0023]硅(Si)是一种充当脱氧剂的元素并且当细氧化物不浮出金属时充当晶粒细化剂。对于堆焊层A和堆焊层B优选的硅量是约0.1-0.9％，目标值是约0.5％。对于堆焊层C优选的硅量是约0.1-1.5％，目标值是约0.7％。
[0024]铬(Cr)是一种提供改善的淬硬性、抗腐蚀性和改善的高温蠕变强度的元素。对于堆焊层A优选的铬量是约14.0-18.0％，目标值是约16.0％。对于堆焊层B优选的铬量是约12.0-18.0％，目标值是约14.5％。对于堆焊层C优选的铬量是约11-18.0％，目标值是约13.0％。
[0025]镍(Ni)是一种提供改善的延展性的元素，其改善较低温度下的抗冲击性。当以足够高的百分比与铬结合时，导致奥氏体不锈钢。对于堆焊层A优选的镍量是约6.0-10.0％，目标值是约8.0％。在堆焊层B中没有镍，堆焊层C中优选的镍量少于约6.0％，目标值是约3.0％。
[0026]钼(Mo)是一种向堆焊层提供改善的抗腐蚀性、抗拉强度和硬度的元素。对于堆焊层A优选的钼量是约1.5-3.5％，目标值是约2.5％。对于堆焊层B优选的钼量是约0.1-1.8％，目标值是约0.5％。对于堆焊层C优选的钼量是约0.1-2.5％，目标值是约1.3％。
[0027]钛(Ti)充当晶粒细化剂和脱氧剂，并且还形成改善不锈钢堆焊层耐磨性的碳化钛析出物。铌(Nb))充当碳化物形成剂，并且在堆焊层A、堆焊层B和堆焊层C组合物的每一个中与钛一起存在。铌也形成改善不锈钢堆焊层耐磨性的碳化铌析出物。对于堆焊层A和B优选的钛和铌量是约0.5-8.0％，目标值是约6.1％。对于堆焊层C优选的钛和铌量是约0.5-7.0％，目标值是约2.2％。
[0028]氮(N)是一种稳定奥氏体结构形成的元素，因此加入奥氏体不锈钢中以减少所需的镍量，从而减少总成本。对于堆焊层A、堆焊层B和堆焊层C优选的氮量均小于约0.15％，目标值是约0.1％。
[0029]钒(V)也是一种晶粒细化剂，并因此提高堆焊层的韧性。此外，在堆焊层B和堆焊层C组合物中存在钒。对于堆焊层B和堆焊层C优选的钒量是约0.05-2.0％，目标值是约0.4％。
[0030]现在参照附图2，在碳素钢板上堆焊本发明的组合物，并依照ASTM G65规程A进行磨损试验。数据清楚表明，与基体不锈钢材料相比，碳化物改性的不锈钢堆焊层具有显著改善的耐磨性。
[0031]如图3a和3b所示，基质的碳含量等于或低于约0.1重量％，然而总碳含量是约1％。碳化物平衡被保持(tie up)为NbC和TiC型碳化物，从而提供改善的耐磨性。调节堆焊焊丝的组成使得基质的碳含量保持相对低，这对于维持基体材料的抗腐蚀性是重要的。
[0032]在图4a和4b中说明了根据本发明教导制得的堆焊层的典型显微组织。正如所示，形成TiC/NbC的细析出物，分别增强基体不锈钢316L和420的耐磨性。
[0033]本发明的说明书在本质上仅仅为示例性的，因而不脱离本发明要点的变化被认为落入本发明的范围内。例如，根据本发明教导的焊接熔敷物可以由诸如药芯焊丝、金属芯焊丝或实心焊丝的焊丝产生，然而依然处在本发明的范围内。这样的变化不被认为是脱离了本发明的主旨和范围。

Claims (29)

1.一种不锈钢堆焊层组合物，以质量百分比计包含：
约0.5至约1.5％的碳；
约0.1％至约2.0％的锰；
约0.1％至约0.9％的硅；
约14.0％至约18.0％的铬；
约6.0％至约10.0％的镍；
约1.5％至约3.5％的钼；
约0.5％至约8.0％的钛和铌；和
少于约0.15％的氮。
2.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中碳含量是约1.0％。
3.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中锰含量是约1.3％。
4.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中硅含量是约0.5％。
5.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中铬含量是约16.0％。
6.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中镍含量是约8.0％。
7.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钼含量是约2.5％。
8.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钛和铌的含量是约6.1％。
9.根据权利要求1所述的不锈钢堆焊层组合物，其中氮含量是约0.1％。
10.一种不锈钢堆焊层组合物，以质量百分比计包含：
约0.5％至约1.5％的碳；
约0.1％至约2.0％的锰；
约0.1％至约0.9％的硅；
约12.0％至约18.0％的铬；
约0.1％至约1.8％的钼；
约0.5％至约8.0％的钛和铌；
少于约0.15％的氮；和
约0.05％至约2.0％的钒。
11.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中碳含量是约1.1％。
12.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中锰含量是约0.75％。
13.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中硅含量是约0.5％。
14.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中铬含量是约14.5％。
15.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钼含量是约0.5％。
16.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钛和铌的含量是约6.1％。
17.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中氮含量是约0.1％。
18.根据权利要求10所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钒含量是约0.4％。
19.一种不锈钢堆焊层组合物，以质量百分比计包含：
约0.1％至约1.0％的碳；
约0.1％至约2.0％的锰；
约0.1％至约1.5％的硅；
约11.0％至约18.0％的铬；
少于约6.0％的镍；
约0.1％至约2.5％的钼；
约0.5％至约8.0％的钛和铌；
少于约0.15％的氮；和
约0.05％至约2.0％钒。
20.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中碳含量是约0.5％；
21.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中锰含量是约0.7％。
22.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中硅含量是约0.7％。
23.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中铬含量是约13.0％。
24.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中镍含量是约3.0％。
25.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钼含量是约1.3％。
26.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钛和铌的含量是约2.2％。
27.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中氮含量是约0.1％。
28.根据权利要求19所述的不锈钢堆焊层组合物，其中钒含量是约0.4％。
29.形成不锈钢堆焊层的方法，包括在堆焊过程期间原位产生析出物，所述析出物选自碳化钛和碳化铌。
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