CN112941403A - 一种焊接用无硫低碳钢金属合金及其组合物 - Google Patents

一种焊接用无硫低碳钢金属合金及其组合物 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种焊接用无硫低碳钢金属组合物，按照重量比例，其组合物包括：C：0.006‑0.013％；Si：0.2‑0.6％；Mn：0.2‑0.6％；Cr：10‑16％；Ni：10‑15％；Mo：0.4‑1％；Co：0.01‑0.02％；Nb：0.5‑1.5％；Ti：0.01‑0.02％；V：0.01‑0.015％；W：0.01‑0.015％；B：≤0.005％，但不为0；其余为Fe以及不可避免的杂质。本发明所提供的焊接用无硫低碳钢金属组合物，具有良好的硬度，同时具有良好的切削、打磨加工性能，可用于铁基材的焊接，尤其是用作3D打印金属耗材。

Description

一种焊接用无硫低碳钢金属合金及其组合物
技术领域
本发明涉及一种焊接金属材料，尤其涉及一种焊接用的低碳钢金属合金、及其组合物。
背景技术
过去的半个世纪，激光技术、计算机技术、新材料技术的融合成就了增材制造(3D打印)技术的崭新时代。增材制造是无模具的直接近净成形技术，以计算机辅助设计/制造为基础，将材料逐层固化、熔覆，或逐层累叠、块体组焊连接成为整体结构，可实现个性化、订制化、小型化的生产模式。
就加工制造的物理概念而言，焊接是增材制造的典范，无论是焊条修复堆焊，还是数控自动化焊接技术，以及基于高能束流热源的增材制造，都属于广义的增材制造领域。金属构件的增材制造技术得以迅猛发展的技术基础是高能束流(电子束、激光束)作为特种焊接热源的技术进步，高能束流极具柔性，能量可精确控制，与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，在真空室内或惰性气体保护环境中，向聚焦加热区填送金属丝材或铺送金属粉料，使材料逐层熔化、凝固成型。
增材制造本质上属于材料加工领域，常用的增材制造材料(耗材)包括工程塑料、橡胶材料、光敏树脂、金属、陶瓷等，其中金属材料的3D打印技术发展尤为迅速，3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等。
对于金属耗材而言，S元素能够改善其切削加工性能，从而便于3D打印产品后续打磨、切削等加工工序，但是S的存在也会导致焊接性能变差、脆性增强，因此，解决焊接性能的同时，提高切削和打磨等加工性能，至关重要。
而且，目前中国增材制造在设备、软件等领域，已经拥有一些有影响力的企业和品牌，但是材料主要依赖于进口，研发具有自主知识产权的增材制造材料具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种焊接用的金属材料、以及所述焊接用的金属材料的组合物。
本发明第一个方面是提供一种焊接用无硫低碳钢金属组合物，尤其是增材制造(3D打印)金属耗材或合金耗材的组合物。
本发明一种优选实施例中，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，包括：
C：0.006-0.013％；
Si：0.2-0.6％；
Mn：0.2-0.6％；
Cr：10-16％；
Ni：10-15％；
Mo：0.4-1％；
Co：0.01-0.02％；
Nb：0.5-1.5％；
Ti：0.01-0.02％；
V：0.01-0.015％；
W：0.01-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述焊接用无硫低碳钢金属组合物中，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，更优选地包括：
C：0.008-0.011％；
Si：0.25-0.5％；
Mn：0.25-0.5％；
Cr：12-15％；
Ni：11-14％；
Mo：0.6-0.9％；
Co：0.012-0.018％；
Nb：0.8-1.3％；
Ti：0.012-0.018％；
V：0.01-0.014％；
W：0.011-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述焊接用无硫低碳钢金属组合物中，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，更优选地包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.25-0.45％；
Mn：0.25-0.45％；
Cr：12.5-14％；
Ni：11.5-13.5％；
Mo：0.65-0.85％；
Co：0.014-0.018％；
Nb：0.9-1.2％；
Ti：0.013-0.016％；
V：0.01-0.013％；
W：0.012-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
发明所述焊接用无硫低碳钢金属组合物中，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，更优选地包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.3-0.38％；
Mn：0.28-0.35％；
Cr：12.5-13.5％；
Ni：11.5-12.5％；
Mo：0.7-0.85％；
Co：0.015-0.017％；
Nb：1-1.1％；
Ti：0.014-0.016％；
V：0.011-0.013％；
W：0.012-0.014％；
B：≤0.003％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明第二个方面是提供一种焊接用无硫低碳钢合金，优选为由上述焊接用无硫低碳钢金属组合物制备。
本发明所述度焊接用无硫低碳钢合金中，以所述无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，组分包括：
C：0.006-0.013％；
Si：0.2-0.6％；
Mn：0.2-0.6％；
Cr：10-16％；
Ni：10-15％；
Mo：0.4-1％；
Co：0.01-0.02％；
Nb：0.5-1.5％；
Ti：0.01-0.02％；
V：0.01-0.015％；
W：0.01-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述度焊接用无硫低碳钢合金中，以所述无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，更优选地，组分包括：
C：0.008-0.011％；
Si：0.25-0.5％；
Mn：0.25-0.5％；
Cr：12-15％；
Ni：11-14％；
Mo：0.6-0.9％；
Co：0.012-0.018％；
Nb：0.8-1.3％；
Ti：0.012-0.018％；
V：0.01-0.014％；
W：0.011-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述焊接用无硫低碳钢合金中，以所述焊接用无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，更优选地，组分包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.3-0.38％；
Mn：0.28-0.35％；
Cr：12.5-13.5％；
Ni：11.5-12.5％；
Mo：0.7-0.85％；
Co：0.015-0.017％；
Nb：1-1.1％；
Ti：0.014-0.016％；
V：0.011-0.013％；
W：0.012-0.014％；
B：≤0.003％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述焊接用无硫低碳钢合金中，以所述焊接用无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，更优选地，组分包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.3-0.38％；
Mn：0.28-0.35％；
Cr：12.5-13.5％；
Ni：11.5-12.5％；
Mo：0.7-0.85％；
Co：0.015-0.017％；
Nb：1-1.1％；
Ti：0.014-0.016％；
V：0.011-0.013％；
W：0.012-0.014％；
B：≤0.003％，但不为0；优选为≥0.00001％；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
本发明所述焊接用无硫低碳钢金属组合物或合金，优选地，包括粉末。优选地，所述粉末全部为单质粉末，或者至少包括单质粉末。
在一种优选实施例中，所述单质粉末的粒径优选为50-250目，更优选为60-200目。
更优选地，本申请所述单质粉末可以存在部分粉末的粒径超出上述目数范围，但是超出该范围的粉末重量比例不能超过10％。
在一种优选实施例中，任意两种单质粉末的粒径可以是相同或者不同。
本发明第三个方面是提供一种3D打印产品的制造方法，包括，在基材表面逐层平铺本发明第一个方面所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，并在每一层焊接用无硫低碳钢金属组合物的平铺过程中或平铺后，对所述焊接用无硫低碳钢金属组合物进行烧结。
其中，所述烧结可以是优选为激光烧结。
本发明所提供的一种焊接用无硫低碳钢金属组合物、以及所述焊接用无硫低碳钢金属组合物制备的无硫低碳钢合金，具有良好的切削、加工性能，同时具有良好的焊接性能，可用于锻造铁基材、轧制钢材、铸造铁基材的焊接，尤其是可以用作3D打印(增材制造)金属耗材。
附图说明
图1为焊接用金属组合物增材制造装置的结构示意图。
图例说明：
1、激光光束；2、焊接用金属组合物；3、熔池；4、工件。
具体实施方式
下面参照具体实施例，对本发明所提供的焊接材料用的钢合金、以及所述钢合金的组合物，通过举例进行介绍。
实施例1
本实施例中，如图1所示，焊接用金属组合物2为粉末状。将粉末状焊接用金属组合物2均匀汇聚送入聚焦的激光光束1，且粉末流与激光光束1同轴耦合输出。激光光束1将工件4加热成熔池3，粉末状的焊接用金属组合物2喷射到熔池3里，焊接用金属组合物2熔覆堆积形成成型件。
其中，焊接用金属组合物2包括Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Nb、Ti、V、W、B，应当理解的是，焊接用金属组合物2中也可以包含不可避免的杂质。具体而言，焊接用金属组合物2的各组分占焊接用金属组合物2总重量的比例如下：
C：0.01％；
Si：0.4％；
Mn：0.35％；
Cr：11％；
Ni：11％；
Mo：0.8％；
Co：0.02％；
Nb：1％；
Ti：0.015％；
V：0.01％；
W：0.015％；
B：0.001％；
其余为Fe。
实施例2
本实施例中，如图1所示，焊接用金属组合物2为粉末状。将粉末状焊接用金属组合物2均匀汇聚送入聚焦的激光光束1，且粉末流与激光光束1同轴耦合输出。激光光束1将工件4加热成熔池3，粉末状的焊接用金属组合物2喷射到熔池3里，焊接用金属组合物2熔覆堆积形成成型件。
其中，焊接用金属组合物2包括Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Nb、Ti、V、W、B，应当理解的是，焊接用金属组合物2中也可以包含不可避免的杂质。具体而言，焊接用金属组合物2的各组分占焊接用金属组合物2总重量的比例如下：
C：0.009％；
Si：0.35％；
Mn：0.3％；
Cr：13％；
Ni：12％；
Mo：0.6％；
Co：0.015％；
Nb：1.2％；
Ti：0.017％；
V：0.012％；
W：0.013％；
B：0.001％；
其余为Fe。
实施例3
本实施例中，如图1所示，焊接用金属组合物2为粉末状。将粉末状焊接用金属组合物2均匀汇聚送入聚焦的激光光束1，且粉末流与激光光束1同轴耦合输出。激光光束1将工件4加热成熔池3，粉末状的焊接用金属组合物2喷射到熔池3里，焊接用金属组合物2熔覆堆积形成成型件。
其中，焊接用金属组合物2包括Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Nb、Ti、V、W、B，应当理解的是，焊接用金属组合物2中也可以包含不可避免的杂质。具体而言，焊接用金属组合物2的各组分占焊接用金属组合物2总重量的比例如下：
C：0.0095％；
Si：0.3％；
Mn：0.28％；
Cr：15％；
Ni：14％；
Mo：1％；
Co：0.014％；
Nb：1.1％；
Ti：0.015％；
V：0.012％；
W：0.013％；
B：0.001％；
其余为Fe。
本发明上述实施例中所述的焊接材料用的钢合金，可用于焊接锻造铁基材、轧制钢材、铸造铁基材。焊接方法采用3D打印(增材制造)方法，每层厚度0.5mm。在无回火和预热条件下，焊接后硬度(HRC，洛氏硬度)在25-28之间，具有良好的切削和打磨性能。
实施例1 实施例2 实施例3
HRC硬度(单层) 23-25 23-25 23-25
HRC硬度(两层) 25-28 25-28 25-28
表面光滑度 基本光滑 基本光滑 基本光滑
与基材分离强度 不可分离 不可分离 不可分离
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，包括：
C：0.006-0.013％；
Si：0.2-0.6％；
Mn：0.2-0.6％；
Cr：10-16％；
Ni：10-15％；
Mo：0.4-1％；
Co：0.01-0.02％；
Nb：0.5-1.5％；
Ti：0.01-0.02％；
V：0.01-0.015％；
W：0.01-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，包括：
C：0.008-0.011％；
Si：0.25-0.5％；
Mn：0.25-0.5％；
Cr：12-15％；
Ni：11-14％；
Mo：0.6-0.9％；
Co：0.012-0.018％；
Nb：0.8-1.3％；
Ti：0.012-0.018％；
V：0.01-0.014％；
W：0.011-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢金属组合物的总重量为基准，按照重量比例，包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.3-0.38％；
Mn：0.28-0.35％；
Cr：12.5-13.5％；
Ni：11.5-12.5％；
Mo：0.7-0.85％；
Co：0.015-0.017％；
Nb：1-1.1％；
Ti：0.014-0.016％；
V：0.011-0.013％；
W：0.012-0.014％；
B：≤0.003％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1中任意一项所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，所述焊接用无硫低碳钢金属组合物包括粉末，所述粉末全部为单质粉末，或者至少包括单质粉末。
5.根据权利要求4所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，任意两种单质粉末的粒径相同或者不同。
6.根据权利要求5所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，其特征在于，所述单质粉末的粒径为50-250目。
7.一种焊接用无硫低碳钢合金，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，组分包括：
C：0.006-0.013％；
Si：0.2-0.6％；
Mn：0.2-0.6％；
Cr：10-16％；
Ni：10-15％；
Mo：0.4-1％；
Co：0.01-0.02％；
Nb：0.5-1.5％；
Ti：0.01-0.02％；
V：0.01-0.015％；
W：0.01-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
8.根据权利要求7所述的焊接用无硫低碳钢合金，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，组分包括：
C：0.008-0.011％；
Si：0.25-0.5％；
Mn：0.25-0.5％；
Cr：12-15％；
Ni：11-14％；
Mo：0.6-0.9％；
Co：0.012-0.018％；
Nb：0.8-1.3％；
Ti：0.012-0.018％；
V：0.01-0.014％；
W：0.011-0.015％；
B：≤0.005％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
9.根据权利要求7所述的焊接用无硫低碳钢合金，其特征在于，以所述焊接用无硫低碳钢合金的总重量为基准，按照重量比例，组分包括：
C：0.009-0.01％；
Si：0.3-0.38％；
Mn：0.28-0.35％；
Cr：12.5-13.5％；
Ni：11.5-12.5％；
Mo：0.7-0.85％；
Co：0.015-0.017％；
Nb：1-1.1％；
Ti：0.014-0.016％；
V：0.011-0.013％；
W：0.012-0.014％；
B：≤0.003％，但不为0；
其余为Fe以及不可避免的杂质。
10.一种3D打印产品的制造方法，其特征在于，包括：
在基材表面逐层平铺权利要求1所述的焊接用无硫低碳钢金属组合物，并在每一层焊接用无硫低碳钢金属组合物的平铺过程中或平铺后，对该层焊接用无硫低碳钢金属组合物进行烧结。
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