CN1074060C - 抗空泡腐蚀钢 - Google Patents

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Abstract

一种抗空泡腐蚀钢，含有约10-40重量百分比的一种或多种选自铬、钼、钨、钒、钽、铌、锆、铪和钛中的碳化物形成元素，5-15重量百分比的钴，5-15重量百分比的锰，3.5-7.0重量百分比的硅，1.8-4.8重量百分比的镍，0.15-3.5重量百分比的碳和硼，不超过0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。

Description

抗空泡腐蚀钢
本发明涉及一种含有铬、锰、钴、碳、硅和镍的铁基合金，其中镍的添加范围有助于添加能促进抗空泡腐蚀性(cavitation erosion)且没有不令人满意的脆性的硅量。
水力发电机中的涡轮机叶片经受空泡腐蚀。空泡腐蚀是由靠近叶片表面的水中的压力差造成的。当局部压力降到水蒸汽压以下时，液体中产生空泡或蒸汽泡。当压力又升到水蒸汽压以上时，蒸汽泡突然破灭，向金属表面发出一个冲击波。最终，叶片内的金属疲劳，形成裂纹并且型材剥落。随着空泡腐蚀的进行，转子开始失衡，并且整个水力发电机可能开始振动。为了解决该问题，必须把转子从发电机内拔出并用以焊丝形式供给的合金通过焊接重新整修损坏叶片的表面，该焊丝的延展性足以使其与损坏叶片相符。
有许多可焊接铁-钴-铬合金具有优异的抗空泡腐蚀性但却没有本发明所述合金的独特综合特性，包括抗空泡腐蚀性、延展性、硬度和成本的均衡。例如STELLITE21是一种用作参考标准的抗空泡腐蚀合金，其它合金对照它进行测试。STELLIFE 21典型含有，以重量百分比表示，铬27，钼5.5，镍2，硅1.5和碳0.25，其余为钴。由于钴含量高，它的价格昂贵。STELLITE是Stoody Deloro Stellite公司的注册商标。StoodyDeloro stellite公司销售的另一种合金是TRISTELLETMTS-2。这种Crook等人发明的美国专利No 4487630所述的合金含有，以重量百分比表示，铬35，钴12，镍10，硅4.9和碳2，其余为铁。根据美国专利No4487930，镍量需在5％重量百分比以上以促进奥氏体组织。TRISTELLETS-2比STELLITE21更抗空泡腐蚀，并因含较少的钴而成本较低。然而TRISTELLE TS-2脆，造成焊接时它对裂纹敏感。它也很硬，造成当用它来重新修整涡轮机叶片表面时，难以把它磨成平滑轮廓。其它可焊接抗空泡腐蚀合金包括HQ 913，一种已转让给加拿大Montreal的Hydro Quebec公司的美国专利No4588440和4751046中所述的合金，HQ913是Stoody Deloro stellite公司的另一注册商标。HQ913典型含有，以重量百分比表示，铬17.0，锰10.0，钴9.5，硅2.8，镍0.25，氮0.20和碳0.17，其余为铁。HQ913中的硅量受镍量的限制，镍量反过来又受相要求的限制。
上述铁-钴-铬合金中每种都在某些微小方式上与其它种不同，从而提供了适于各种特定用途的不同种类合金。例如这种差异包括一种新范围的有效元素或特定元素的临界比，它们在合金发展中已表明有重要进展，取得了小的出人意料但有效的增加。
鉴于上述，本发明的一个目的是提供一种具有优异抗空泡腐蚀性的铬-钴-镍合金，另一目的是提供一种具有优异抗空泡腐蚀性并有令人满意的延展性，硬度和成本的合金。将从下文一部分很明显看出，一部分指出本发明的其它目的和特性。
根据本发明，一种抗空泡腐蚀合金基本由以下成分组成：约10到40重量百分比的碳化物形成元素，5到15重量百分比的钴，5到15重量百分比的锰，3.5到7重量百分比的硅，1.8到4.8重量百分比的镍，0.15到3.5重量百分比的碳和硼，最高0.3重量百分比的氮，其余为铁和通常杂质。在该合金的优选实施例中，硅镍比以重量为基在约1∶1到4∶1的范围内，并且该合金的铁素体数为至少0.2。
上面总结的发明包括下文所述的结构，所附的权利要求指出了本发明的范围。
附图以图解形式描述了本发明钢的抗空泡腐蚀性及其与其它钢包括现有技术钢的对比，其中：
图1是对实施例2中所述一系列合金试验所得的ASTM G-32抗空泡腐蚀性结果。试样23B2-11是根据本发明的合金。试样23B2-13是硅/镍比小于1的合金，试样TS-2是TRISTELLE TS-2合金，试样St21是STELLITE 21合金，HQ913是HYDROLOY913合金。它们是和试样23B2-11进行对比的现有技术钢(HYDROLOY是Stoody DeloroStellite公司的注册商标)。
图2是用Kallings试剂腐蚀的试样23B2-11的表面花纹在100倍下的显微照片。
图3是用Kallings试剂腐蚀的试样23B2-11的表面花纹在500倍下的显微照片
本发明的合金含有大约10-40重量百分比的一种或多种选自铬、钼、钨、钒、钽、铌、锆、铪和钛中的碳化物形成元素，5-15重量百分比的钴，5-15重量百分比的锰，3.5-7.0重量百分比的硅，1.8-4.8重量百分比的镍，0.15-3.5重量百分比的碳和硼，最高0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。除铬外，其它碳化物形成元素包括钼、钨、钒、钽、铌、锆、铪和钛中的任何一种或其组合。然而，碳化物形成元素可以完全为铬。
在上述范围内，硅提高了硬度和抗空泡腐蚀性且如果镍添加量也在上述范围时，不会造成合金太脆。为得到最好的结果，硅镍比以重量百分比为基在约1∶1-4∶1的范围内，它所对应的硅镍原子比为约2∶1-8∶1。虽然硅、镍优选地在上述比例内，但这并不意谓着合金内硅和镍之间有必然的紧密化学关系。硅和镍的含量及硅镍比确实对合金的物理性能有显著影响，包括影响到抗空泡腐蚀性、延展性和硬度。由于钴量不需增加到所述范围之上以改善抗空泡腐蚀性，故成本也受到影响。合金的铁素体数也优选地至少为0.2以避免生成能在焊接过程中导致热裂纹的完全奥氏体组织。
要得到更好的结果，本发明的合金进一步优选地含有约14-24重量百分比的铬，6-10重量百分比的钴，6-12重量百分比的锰，4.0-5.0重量百分比的硅，1.8-2.8重量百分比的镍，0.15-3.0重量百分比的碳和硼，最高0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。现今鉴定在上述范围内的最好合金所具有的组成为：约17重量百分比的铬、10重量百分比的钴，10重量百分比的锰，4.6重量百分比的硅，2.0重量百分比的镍，0.22重量百分比的碳和硼。最高0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。
虽然现有技术和实施例的简要说明针对提供一种可焊接合金，应当懂得通过熔融和浇铸或者形变热处理该合金可用本发明的合金制成部件。可以预制该合金或者用必要成分的非合金混合物形成该合金。预制合金可制成粉末或由粉末制成的部件的形式。
下面的实施例中说明了描述本发明的合金，其它合金是为了对比而制备的。
实施例1
利用等离子转移电弧焊(PTA)工艺把一系列合金以焊接熔敷(welddeposit)金属的形式制备在低碳钢板上。目标组成如表1中所示的粉末充分混合并加到PTA机的粉末给料机内。该混合物焊接到50.8mm×50.8mm×12.7mm的低碳钢板上。进行了两道以制得厚约3.175mm的焊接熔敷层。
直接在焊接熔敷金属上进行空泡腐蚀试验。试验工艺包括把一个能发出68.9MPa的喷水流的喷咀朝向没于水中的试件表面。喷咀前后横穿试件并遵循同一路径10小时。停止试验以检查试件的空泡腐蚀损坏，然后恢复试验进行另外10小时，因为大多数试件没有表明有任何显著损坏。用表面光度仪测量以深度和宽度表示的试件的损坏。表Ⅰ中报告了其结果。
试样7是根据本发明，所有其它试样均是为了进行比较。总的看来，数据表明高镍含量(例如6％重量百分比)对抗空泡腐蚀性有害，硅能补偿镍的不利效果。钴和铬也有利但效果不如硅。在镍存在下钼有利于补偿，更低的锰量也有利。
对最有前途的试样7和试样2进行元素分析。利用Leco技术分析碳和硫，其准确度为约5％。用X-射线荧光分析其它元素例如铬、镍和硅，其准确度为约10％。试样7的元素组成为，以重量百分比表示：钴10.3，铬17.5，硅3.3，镍2.3，锰10.1，碳0.25，磷0.011，硫0.018，其余为铁。试样2的元素组成为：钴9.7，铬16.9，硅3.3，镍6.5，锰9.5，碳0.27，磷0.014，硫0.028，其余为铁。分析组成与起始材料组成在分析准度范围内相一致。
                               表Ⅰ
                              测试合金
                                重量百分比         损坏(在MILS*中)
   试样    Co    Cr    N     Si   Ni    Mn   Mo    宽     深    W×D
 HQ913    9.5    17   0.18     3.5    0    10    45     0.4     17
    7    9.5    17   0.18     3.5    2    10    74     0.7     52
    2    9.5    17   0.18     7    6    10    73     0.8     56
    3    15    17   0.18     3.5    6    10   113     3.0    333
    6    9.5    25   0.18     3.5    6    10   117     3.0    354
    5    9.5    17   0.18     3.5    6    10    3   120     3.1    368
    8    9.5    17   0.18     3.5    6    5   109     3.7    399
    4    9.5    17   0.18     3.5    6    10    1   128     5.8    746
    1    9.5    17   0.18     3.5    6    10   131     8.1   1057
    9    9.5    17   0     3.0    6    8   151     8.4   1271
HQ913有0.17％的C，其它有0.25％的C。
HQ913是通过搓捻两根1.143mm焊丝用保护气体钨极电弧焊(GTAW)焊接的；
其它试样是用混合粉末通过PTA焊接的
*20小时后
实施例2
把一系列合金制备成直径1.143mm的管状焊丝。每种焊丝的制备方法为：把AISI(美国钢铁研究所)430带钢加工成U形管。严格按合金粉末和焊丝的重量比把合金粉末的干混物加到管中。小心平衡金属管的组成与合金粉末以便作为焊接熔敷金属的合金的元素组成如表Ⅱ中所示。AISI430钢含有，以重量百分比表示：碳不超过0.07，铬15.5-17.0，镍不超过0.05，硅0.20-0.70(典型为0.50)，其余为铁和正常杂质。
每一管状焊丝在充填后封闭并通过一系列6或7个模槽降低的拉丝模拉拔到预定尺寸。在拉模盒内使用拉拔润滑剂以避免过热。对最终直径的焊丝进行烘烤以除去大部分可能干扰焊丝焊接性的拉拔润滑剂。
然后通过利用保护气体金属极电弧焊(GMAW)把该合金熔敷在尺寸为25.4mm×152.4mm厚25.4mm的ASTM A36基板上从而用该1.143mm直径焊丝制备焊盘(weld pad)。在熔敷在基板上之前，填料与带钢及GMAW工艺中制备的合金是离散的。焊接参数为27伏下180-200安培，DC电极为正极，保护气体为98％体积百分比的氩气和2％体积百分比的氧气。熔敷六层焊接金属以焊接熔敷至少1英寸的最小厚度。这保证了试件的试验表面是一种纯的焊接金属组成。焊盘层间的最高温度为316℃。
为了测定每种合金的抗空泡腐蚀性，在焊接完成后从每一焊盘切下两个标准试件在试验频率20KHz下进行ASTM G-32的标准试验。试样23B2-11和23B2-13的两个试件的平均结果以腐蚀深度-时间关系画在图1中。也画出了STELLITE 21,TRISTELLE TS-2和HQ913的对比腐蚀数据作为参考。
也制备了试件以测试抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度。结果报告在表Ⅱ中。
试样23B2-11是根据本发明，所有其它试样均是为了对比。试样23B2-10和23B2-12含有，以重量百分比表示：硅分别为3.3和3.4，镍2.0。试样23B2-13含有硅1.7和镍6.8。试样23B2-18含有硅7.1和镍8.0。试样23B2-28脆，在焊接过程中开裂。
对这些焊丝的所有焊接金属试件均进行了抗拉试验。结果表明相对高的硅镍比造成较低的延伸率或延展性。最小的硅镍比(23B2-13)造成最高的延伸率或延展性。
在所试验的最高硅含量(23B2-18)时，试条在焊接过程中开裂，表明合金延展性很低。这被硬度试验结果证实，硬度试验结果表明在试验的合金中该合金具有最高的硬度。
                                  表Ⅱ
                                测试合金*
       试样    23B2-10   23B2-11    23B2-12   23B2-13   23B2-18
       C     0.21     0.22      0.19     0.17     0.28
       Mn     9.6     10.0      4.9     8.8     10.3
       Si     3.3     4.6      3.4     1.7     7.1
       Cr     16.8     16.5      16.4     16.2     15.1
       Ni     2.0     2.0      2.0     6.8     8.0
       Mo      -      -       -     0.4      -
       Co     9.7     10.1      9.7     7.6     9.9
       N     0.24     0.23      0.29      -     0.23
       Fe     其余     其余      其余     其余     其余
    抗拉强度(MPa)***     1010.1     930.8      828.2     703.5      **
    屈服强度(MPa)***     633.9     651.1      592.5     456.8      **
    延伸率(25.4mm内的％)     23.1     11.1      11.7     40.5      **
    硬度(洛氏)     26     28      28     18      36
★元素组成以重量百分比表示
★★该合金无任何力学数据。受拉钢筋在焊接过程中开裂。
★★★每平方米兆牛顿
实施例3
把一系列合金制备成具有表Ⅲ中所示元素组成、直径1.143mm英寸的管状焊丝形式。通过使用GMAW工艺把合金焊接熔敷在尺寸为50.8mm×152.4mm、厚度9.5mm的AISI 1020板上从而用该1.143mm英寸焊丝制备焊盘。焊接参数为110-115安培，DC电极为负极，脉冲频率为120Hz。保护气体为75％体积百分比的氩气和25％体积百分比的二氧化碳。焊接熔敷两道焊接金属。焊接熔敷的最高层间温度为177℃。夹紧该焊接件以避免变形。
在焊接熔敷第二层后，对称地把试件缩减到宽度为25.4mm以除去末端效应。焊接熔敷表面被研磨到新的焊接熔敷厚度6.35-7.62mm。然后在三点弯曲中在焊接熔敷层为受拉状态下用38.1mm芯棒压弯焊接熔敷层。测量试件破坏时的弯角，其结果报告在表Ⅲ中。
用表面光度仪测量弯曲前后的铁素体数，焊接后测量洛氏硬度。表面光度仪是在磁感应原理下工作的。铁素体数是从磁导率得到的。由于铁素体是磁性的，而奥氏体相是非磁性的，故把磁导率的相对量度标定为铁素体数(FN)。铁素体数在0-20FN范围内近似等于铁素体和马氏体的百分比。表Ⅲ中报告了FN和洛氏硬度值。
试样23B2-19是根据本发明。所有其它试样均是为了进行对比。为了使抗空泡腐蚀性比HQ913高，增加了硅量但这降低了延展性。添加1％重量的镍提高了弯曲延展性。镍量进一步提高到2％可造成弯曲延展性显著提高。降低硅量(23B2-10)保持延展性不变。镍量增加到5％对弯曲延展性有异常的效果，该试样在该组内最差。试件的观察表明表面上有热裂纹证据。
数据表明添加镍可减小铁素体数。对于最高镍含量(23B2-23)焊接熔敷上未显示铁素体读数，表明焊接熔敷的完全奥氏体本质可能对表面上观察的热裂纹负责。HQ913和试样23B2-19的铁素体数表明弯曲后多少有些显著的增加，这可能是从奥氏体向马氏体转弯的量度。增加硅含量可提高硬度而增加镍含量降低了硬度。这与弯曲延展性和受拉延伸率结果一致。
                                    表Ⅲ
                                  测试合金＊
    试样  HQ913   23B2-20   23B2-22   23B2-19   23B2-10   23B2-23
     C    0.17     0.20     0.19     0.22     0.21     0.20
     Mn    10.0     9.7     10.2     10.0     9.6     10.0
     Si    2.8     4.0     4.4     4.6     3.3     4.2
     Cr    17.0     17.3     17.5     16.5     16.8     17.0
     Ni    0.25     0.25     1.2     2.0     2.0     5.0
     Co    9.5     9.7     10.3     10.1     9.7     9.9
     N    0.20     0.20     0.19     0.23     0.24     0.20
     Fe    其余     其余     其余     其余     其余     其余
     FN-AW    1.2     6.9     2.8     0.23     0.3     NR
     FN-AB    3.3     7.1     2.8     0.7     0.8     NR
     HRC-AW    21.5     28.5     25     24.5     19     19.5
     弯角(度)    ＞40     11     30     ＞40     ＞40     5.5*
FN-AW=刚焊接状态下的铁素体数
FN-AB=弯曲后的铁素体数
HRC-AW=刚焊接状态下的洛氏硬度
NR=未有记录
B=表面上热裂纹
★元素组成以重量百分比表示。
上述实施例表明改善抗空泡腐蚀性需要增加硅量。然而，硅量的增加必须与伴随的镍量增加相匹配以保持延展性。优选地硅量增加到大约5％，因为象23B2-18内的高硅含量(硅7％和镍8％)导致很差的延展性。硅量在5％时，优选地镍量为约2％，因为它造成优异的抗空泡腐蚀性(比HQ913好)和令人满意的延展性。这个硅量下的镍量上限为约5％，因为焊接熔敷内更高的镍量导致热裂纹。在更低的硅量(1.7％)下镍量增加到6.8％能显著提高延展性，然而其代价是抗空泡腐蚀性(23B2-13)差。
鉴于上述情况，显而易见达到了本发明的几个目的并得到其它有利的结果。由于在上述结构中可进行各种改变而不脱离本发明的范围，因而在上述描述中含有的或在附图中表明的所有事情应解释为描述性的，并没有限制的含义。

Claims (7)

1．一种抗空泡腐蚀钢，含有10-40重量百分比的一种或多种选自铬、钼、钨、钒、钽、铌、锆、铪和钛中的碳化物形成元素，5-15重量百分比的钴，5-15重量百分比的锰，3.5-7.0重量百分比的硅，1.8-4.8重量百分比的镍，0.15-3.5重量百分比的碳和硼，不超过0.3重量百分比的氮；其余为铁和杂质。
2．根据权利要求1的钢，其中硅镍比以重量百分比为基在1∶1到4∶1的范围内。
3．根据权利要求2的钢，其中钢中的铁素体数为至少0.2。
4．根据权利要求3的合金，其中碳化物形成元素全部为铬。
5．根据权利要求1的抗空泡腐蚀钢，含有14-24重量百分比的铬，6-10重量百分比的钴，6-12重量百分比的锰，4.0-5.0重量百分比的硅；1.8-2.8重量百分比的镍，0.15-3.0重量百分比的碳和硼，不超过0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。
6．根据权利要求5的钢，其中钢中的铁素体数为至少0.2。
7．根据权利要求1的抗空泡腐蚀钢，含有17重量百分比的铬，10重量百分比的钴，10重量百分比的锰，4.6重量百分比的硅，2.0重量百分比的镍，0.22重量百分比的碳和硼，不超过0.3重量百分比的氮，其余为铁和杂质。
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