CN1946876A - 表面耐磨堆焊铁合金材料 - Google Patents

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Abstract

公开了生产含碳化物的铁合金焊接耗材的方法和用该耗材在合适的基底上生产表面耐磨堆焊层的方法。生产该耗材的方法包括以下步骤：形成具有用于该耗材的所需浓度的关键元素如碳、铬和锰的均匀熔融材料，然后由该熔融材料形成耗材。

Description

表面耐磨堆焊铁合金材料
技术领域
本发明涉及表面耐磨堆焊(hardfacing)铁合金材料，该表面耐磨堆焊铁合金材料主要包含碳化铬以及由其他强碳化物形成元素诸如钼、钛、钨、钒、铌和硼形成的碳化物。
背景技术
在需要抵抗严重的腐蚀和磨损的应用中，包含碳化物的铁合金材料多年来已被广泛用作基底上表面耐磨堆焊熔敷层的耗材。
一个这样的应用就是在矿石加工厂中用于碎石机卸料斜槽上的碳化铬铁合金材料表面耐磨堆焊熔敷层。
当碳化铬铁合金材料的表面耐磨堆焊层通过焊接到基底上而形成时，形成堆焊的堆焊熔敷层所期望的微观结构为过共晶体，该过共晶体在铁基体中包含约30-60％体积百分比的M7C3碳化物(M＝Cr，Fe和Mn)，M7C3碳化物的标称硬度1200-1500HV，铁基体的标称硬度600-700HV。
一般来说，微观结构中较高的碳化物含量产生较强的耐磨性。在微观结构中M7C3碳化物含量和用于形成表面耐磨堆焊层的焊接金属中的化合碳含量之间有直接的关联。
用于碳化铬铁合金材料表面耐磨堆焊层的焊接耗材通常包括铁合金粉末和铁的混合物。
该铁合金粉末可被封装在铁箔中以形成在熔融熔池中熔化的棒状焊条或连续的填充焊丝。或者，可在由固体铁丝自耗电极形成的熔融熔池中添加铁合金粉末。
铁合金粉末混合物的典型现有技术
表1示出在生产碳化铬铁合金材料表面耐磨堆焊层中用作焊接耗材的高碳铁铬合金(HCFeCr)和高碳锰铁(HCFeMn)粉末的典型混合物。
              表1  现有技术铁合金粉末混合物
  重量％   ％Cr(铬)  ％C(碳)   ％Mn(锰)   ％Fe(铁)
  HCFeCr   94   67   8.5   24.5
  HCFeMn   6   7.0   75   18.0
  粉末混合物   100   63.0   8.4   4.5   24.1
以上表1示出的具有Fe-63Cr-8.4C-4.5Mn的化学成分的最终铁合金粉末混合物是由重量百分比为94％的HCFeCr(标称成分＝Fe-67Cr-8.5C)与重量百分比为6％的HCFeMn(标称成分＝Fe-75Mn-7.0C)混合而构成。
从以上可以明显得出，最终铁合金粉末混合物的铬/碳比例＝63.0/8.4，即，
  对于铁合金粉末混合物Cr/C＝7.5
。
HCFeCr和HCFeMn都可包含约1％的硅以及少量其他微量元素。在这些计算中忽略这些成分。
HCFeCr和HCFeMn都是脆而易碎的材料，为了形成合适的焊接耗材，利用矿石加工工业中使用的标准粉碎设备分别将它们粉碎至颗粒直径尺寸小于1mm的粉末。然后将这些粉末机械混合，以产生铁合金粉末的均匀混合物。
可以在该混合物中添加其他铁合金粉末，例如钼铁、铁钒、铌铁、硼铁以及钛铁，用以为熔池和所形成的表面耐磨堆焊层赋予不同的材料特性。
表面耐磨堆焊熔敷层的典型现有技术
通过表2中的例子说明从包含上述混合铁合金粉末的熔池熔敷到低碳钢基底的表面耐磨堆焊层的化学成分。在该表格以及下文中，表面耐磨堆焊被称为“表面耐磨堆焊熔敷”。
          表2  表面耐磨堆焊熔敷层的现有技术
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  粉末混合物   55   63.0   8.4   4.5   24.1
  焊丝   35   1.0   99.0
  稀释   10   0.2   1.0   98.8
  堆焊熔敷层   100   34.7   4.6   2.9   57.8
在表2的例子中，低碳钢基底上的表面耐磨堆焊熔敷层是将重量百分比为55％的铁合金粉末混合物加上重量百分比为35％的铁焊丝再加上重量百分比为10％的稀释到基底中而构成的。
此处表面耐磨堆焊熔敷层的稀释可被理解为渗透入低碳钢基底的深度除以表面耐磨堆焊熔敷层的最终高度。例如，典型厚度为5mm的表面耐磨堆焊熔敷层在焊接过程中可渗透入低碳钢基底约0.5mm的深度，导致10％(0.5/5.0)的稀释。
此例中表面耐磨堆焊熔敷层的化学成分是Fe-34.7Cr-4.6C-2.9Mn。该微观结构包括铁基体中约50％体积百分比的M7C3碳化物。
从以上可以明显得出，表面耐磨堆焊层的铬/碳比例＝34.7/4.6，即，
  对于表面耐磨堆焊熔敷层Cr/C＝7.54
。
现有技术的局限
申请人已知的上述现有技术和其他现有技术制造和使用用以产生表面耐磨堆焊熔敷层的铁合金粉末的局限在于：
1.相比于特定的合适耐磨白口铁例如ASTM A532和AS2027中铬的含量，最终的表面耐磨堆焊层中铬含量非产高(在上面的例子中为34.7％)。较高的铬含量是通过在混合的焊接耗材中尽可能多地添加铁铬合金粉末而在表面耐磨堆焊熔敷层中最大化混合碳(4.6％C)的量的直接结果。也就是说，承受过量的较高价格的铬以最大化最终堆焊熔敷层中的碳含量。因为在相对较短的电弧熔化时间(通常为2到5秒)内，游离碳不易在熔融熔池内溶解以形成基底上的表面耐磨堆焊熔敷层，因而在铁合金混合物中添加游离碳粉末用以增加最终堆焊熔敷层中的碳含量是无效的。
2.由于市面上可以买到的等级的FeTi、FeV、FeB、FeNb以及FeMo包含相对低的化合碳含量，因此尝试在以上铁合金粉末混合物中添加其他铁合金，例如钛铁、铁钒、铌铁、硼铁以及钼铁，会导致最终混合物和后续的表面耐磨堆焊熔敷层中碳含量的不期望的降低。
3.上述现有技术的铁合金粉末的混合物是通过将HCFeCr和HCFeMn粉末机械混合在一起而得到的。机械混合方式得到均匀粉末混合物速度慢、效率低。当在混合物中包含其他铁合金粉末时，例如FeTi和FeV，达到粉末混合物均匀混合的困难程度会增加。此外，由于不同铁合金之间密度的不同，在混合之后的处理运输中倾向于发生混合粉末的分离。
4.表面耐磨堆焊熔敷层中的主要铁合金粉末通过压碎HCFeCr块和HCFeMn块而得到，所述HCFeCr块和HCFeMn块源自用于白铁铸造生产的熔炉填料的供应商。经验表明，这些材料包含不同量的挥发性气体，这些挥发性气体在焊接过程中剧烈放出，导致电弧的不稳定以及一些铁合金粉末从熔池里喷出。所形成的表面耐磨堆焊熔敷层包含气孔，不同量的铁合金成分和不同量稀释到钢铁基底中。最终的表面耐磨堆焊熔敷层的化学成分和微观结构通常都不均匀，并可导致使用中局部过早磨损。
发明内容
本发明是一种相对于现有技术以节省成本的方式生产改进的表面耐磨堆焊熔敷层的方法。
开发本方法以克服或至少最小化以前使用的上述碳化铬铁合金材料表面耐磨堆焊耗材的四项技术弊端中的一项或多项。
可以利用完全不同的方法生产形成表面耐磨堆焊熔敷层所需的铁合金焊接耗材，以生产改进的表面耐磨堆焊熔敷层，本发明正是基于这一构想的实现。
根据本发明，提供一种生产包含碳化铬的铁合金焊接耗材的方法，用于后续在一合适的基底上生产表面耐磨堆焊熔敷层之用，该方法包括：
(a)形成具有所需浓度的诸如碳和铬的关键元素的均匀熔融材料，用于包含碳化铬的铁合金焊接耗材；以及
(b)由上述熔融材料形成固体的包含碳化铬的铁合金焊接耗材。
优选地，步骤(a)包括由固体给料形成均匀熔融材料。
优选地，步骤(a)包括由含铬的铁合金材料形成均匀熔融材料。
优选地，步骤(a)包括由一种或更多另外的铁合金材料，例如锰铁、钼铁、铁钒、硼铁和钛铁形成均匀熔融材料。
优选地，步骤(a)包括由游离碳源例如石墨形成均匀熔融材料。
优选地，步骤(a)包括由含铁材料(除了含铬铁合金)，例如废钢或高铬白口铁废料形成均匀熔融材料，以稀释熔融材料中的铬浓度。
优选地，步骤(a)包括在相对较长的保温时间(标称为30到60分钟)保持熔融材料的温度，以将碳溶解在熔融材料中，从而由该熔融材料在固体铁合金焊接耗材中生产所期望水平的化合碳。
优选地，该方法包括在所需时间期间内在一定温度混合熔融材料并形成均匀熔融材料，使得固体铁合金焊接耗材具有均匀的组成。
优选地，该方法包括对步骤(a)中形成的熔融材料进行脱气，使得步骤(b)中形成的固体铁合金熔融耗材在后续的表面耐磨堆焊操作中促进稳定的焊弧，因而使所形成的表面耐磨堆焊熔敷层中的孔隙度最小化，消除铁合金粉末从熔池中喷出。
优选地，该方法包括对步骤(a)中形成的熔融材料进行除渣，使得步骤(b)中形成的固体铁合金焊接耗材将后续表面耐磨堆焊操作中形成的表面耐磨堆焊熔敷层中的非金属杂质的存在减至最小。
典型地，步骤(b)中形成的固体铁合金焊接耗材是粉末形式的。
优选地，该方法包括生产具有铬/碳比例＜7.0的铁合金焊接耗材。
优选地，该方法包括生产具有铬含量在重量百分比为30-65％范围内的铁合金焊接耗材。
优选地，该方法包括生产具有化合碳含量大于重量百分比为7.5％的铁合金焊接耗材。
优选地，该方法包括生产具有锰含量最高达重量百分比为10％的铁合金焊接耗材。
优选地，该方法包括生产一种铁合金焊接耗材，该铁合金焊接耗材具有以下另外的合金元素中的一种或多种：钨、钛、铌、钒、钼以及硼。
典型地，该方法的步骤(a)包括在合适的熔炉中混合并熔化铁合金给料，所述铁合金给料可以是块状。
步骤(a)可以包括添加廉价金属废料至熔融材料中，以降低熔融材料中铬含量的量，以获得Cr/C＜7.0。
步骤(a)可以包括添加石墨至熔融材料中，以用碳使得熔融材料过饱和，以获得Cr/C＜7.0。
优选地，由熔融材料形成固体铁合金焊接耗材的步骤(b)包括将熔融材料浇铸到合适的模具或其他铸造装置中，之后将铸件打碎至合适的形式，例如粉末状。
在一种替代形式中，尽管这不是唯一的其他方式，由熔融材料形成固体铁合金焊接耗材的实施方案步骤(b)包括利用合适的气体，例如氩气，将熔融材料雾化，以由熔融材料形成固体粉末。
除了能够生产具有合适的化学性质的铁合金焊接耗材以形成表面耐磨堆焊熔敷层之外，根据本发明的生产铁合金焊接耗材的方法具有多个其他的实用优势。
例如，合金材料在熔融状态被高效混合，以产生比现有技术中描述的由机械混合铁合金粉末所获得的更为均匀的铁合金混合物。在后续的处理和运输中不会发生预混合的铁合金粉末的分离。
在熔化过程中块状铁合金材料中存在的所有挥发物完全脱气，这就消除了最终焊接金属中气孔的主要来源，并在焊接熔敷过程中改善焊弧的稳定性。
利用合适的熔剂对熔炉中的熔融金属进行除渣，很容易除去最初铁合金给料中的非金属杂质。
根据本发明，还提供了由上述方法生产的含碳化铬的铁合金焊接耗材。
根据本发明，还提供了一种在合适的基底上生产表面耐磨堆焊熔敷层的方法，该方法包括在基底上形成上述含碳化铬铁合金焊接耗材的熔池和焊丝材料，之后将来自熔池中的表面耐磨堆焊熔敷层的材料熔敷到基底上。
根据本发明，提供了在合适基底上通过上述方法生产的表面耐磨堆焊熔敷层。
优选地，该表面耐磨堆焊熔敷层包括小于7.0的铬/碳比例。
优选地，该表面耐磨堆焊熔敷层包括小于重量百分比为35％的铬含量。
优选地，该表面耐磨堆焊熔敷层包括大于重量百分比为4.0％的混合碳含量。
优选地。该表面耐磨堆焊熔敷层包括大于重量百分比为2.0％的锰含量。
优选地，该表面耐磨堆焊熔敷层包括最大混合重量百分比为15％的另外的强碳化物形成元素-钼、钨、钛、钒、铌和硼。
具体实施方式
参照以下实施例对本发明进行进一步的描述。
实施例1
根据本发明，通过由HCFeCr和HCFeMn粉末和石墨形式的游离碳形成均匀熔融材料生产出铁合金焊接耗材，下文中称为“混合铁合金材料”，之后将熔融材料浇铸到模具中。此后浇铸材料被碾碎成细小粉末。
所形成的混合铁合金材料的化学组成在表3中列出。
        表3  根据本发明的铁合金粉末混合物的化学组成
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  HCFeCr   91   63.0   5.5   31.5
  HCFeMn   6   7.0   75.0   18.0
  碳   3   100.0
  最终混合物   100   57.3   8.4   4.5   29.8
从该实施例中显见：
·溶解在液态金属中的重量百分比为3％的碳将铁合金粉末最终混合物的化合碳含量从5.6％C增加到8.4％C。
·使用含有相对较低碳含量(如5.5％C)的HCFeCr给料可胜于表1中已知铁合金粉末混合物中使用的含有更高碳含量(如8.5％C)的更昂贵的HCFeCr给料。
·使用含有相对较低铬含量(如重量百分比63％Cr)的HCFeCr给料可胜于表1中已知铁合金粉末混合物中使用的含有更高铬含量(如67％Cr)的更昂贵的HCFeCr给料。
·最终铁合金混合物的化学成分为Fe-57.3Cr-8.4C-4.5Mn。这种材料被认为是脆而易碎的，易于通过用常规方式碾碎成细小粉末。
表3的混合铁合金材料的铬/碳比例＝57.3/8.4，也就是，
  对此铁合金粉末混合物Cr/C＝6.82
作为实施例在表4中提供了使用图3的混合铁合金材料形成的最终表面耐磨堆焊熔敷层的化学组成。
     表4  根据本发明的表面耐磨堆焊熔敷层的化学组成
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  粉末   55   57.3   8.4   4.5   29.8
  焊丝   35   1.0   99.0
  稀释   10   0.2   1.0   98.8
  堆焊熔敷层   100   31.5   4.6   2.9   61.0
从表4和申请人完成的其他工作显见：
·在不降低碳含量的情况下，表面耐磨堆焊熔敷层的铬含量从现有技术(表2)中的34.7％Cr降低到本发明中的31.5％Cr。
·最终堆焊熔敷层的微观结构包括约50％体积百分比的M7C3碳化物。
-焊接耗材和稀释量的比例与表2相同，也就是不需要改变现有技术中采用的表面耐磨堆焊程序。
表4的表面耐磨堆焊熔敷层的铬/碳比例＝31.5/4.6，也就是，
  对表面耐磨堆焊熔敷层Cr/C＝6.65
实施例2
根据本发明，采用上述用于实施例1的同样的方法生产出混合铁合金材料。
两个实施例之间唯一的区别在于本实施例使用废钢以进一步降低最终混合物的Cr/C比例。将废钢添加到熔融铁合金混合物中，从而降低铬含量和原料成本。
表5提供混合铁合金材料的化学组成。
    表5  根据本发明添加废钢的铁合金粉末混合物的化学组成
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  HCFeCr   70   63.0   5.5   31.5
  HCFeMn   6   7.0   75.0   18
  废钢   20   0.2   1.0   98.8
  碳   4   100.0
  最终混合物   100   44.1   8.3   4.7   42.9
从该实施例中显见：
·废钢(20％重量百分比)降低了最终混合物的铬含量。
·铁合金混合物的铬含量从现有技术铁合金粉末混合物(表1)中的63.0％降低到本发明混合物(表5)中的44.1％。
·最终铁合金混合物的化学成分为Fe-44.1Cr-8.3C-4.7Mn。这种材料被认为是脆而易碎的，易于通过用常规方式碾碎成细小粉末。
表5的混合铁合金材料的铬/碳比例＝44.1/8.3，也就是，
  对铁合金粉末混合物Cr/C＝5.31
表6提供采用表5的混合铁合金材料，也就是引入废钢，形成的最终表面耐磨堆焊熔敷层的化学组成。
表6  用混有废钢的铁合金粉末混合物生产的表面耐磨堆焊熔敷层
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  粉末   55   44.1   8.3   4.7   42.9
  焊丝   35   1.0   99.0
  稀释   10   0.2   1.0   98.8
  堆焊熔敷层   100   24.3   4.6   3.0   68.1
表6的表面耐磨堆焊熔敷层的24.3％重量百分比的铬含量与ASTMA532中耐磨白口铁的铬含量相似。同时，化合碳含量为4.6％重量百分比，由此产生表现出约45％体积百分比M7C3碳化物的微观结构。
实施例3
根据本发明，采用上述用于实施例1的同样的方法，生产出混合铁合金材料。
两个实施例之间唯一的区别在于此实施例使用白口铁以进一步降低最终混合物的Cr/C比例。将白口铁废料添加到熔融铁合金混合物中，从而降低铬含量和原料成本。特别是，白口铁废料进一步降低粉末混合物中HCFeCr的量，并相应降低原料成本。
表7提供混合铁合金材料的化学组成。
  表7  根据本发明具有白口铁废料的铁合金粉末混合物的化学组成
  重量％   ％Cr   ％C   ％Mn   ％Fe
  HCFeCr   55   63.0   5.5   31.5
  HCFeMn   6   7.0   75.0   18
  白口铁废料   35   27.0   3.0   1.5   68.5
  碳   4   100.0
  最终混合物   100   44.1   8.5   5.0   42.4
尽管只有55％重量百分比的HCFeCr用于炉内装料，但是表7的混合铁合金材料的化学组成与表5示出的混合物几乎相同。
表7的混合铁合金材料的铬/碳比例＝44.1/8.5，也就是，
  对铁合金粉末混合物Cr/C＝5.19
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述本发明的实施方案作出多种改动。

Claims (24)

1.一种生产含碳化物的铁合金焊接耗材以便后续用于在合适的基底上生产表面耐磨堆焊层的方法，包括以下步骤：
(a)形成具有诸如碳、铬和锰的所需浓度的关键元素的均匀熔融材料，用于含碳化铬的铁合金焊接耗材；以及
(b)由熔融材料形成固体的含碳铁合金焊接耗材。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括由固体给料形成均匀熔融材料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括由含铬铁合金材料形成均匀熔融材料。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括由游离碳源形成均匀熔融材料。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括在熔融材料中添加石墨，以用碳使得熔融材料过饱和。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括由含铁材料(除了含铬的铁合金)，如废钢或高铬白口铁废料，形成均匀熔融材料，以稀释熔融材料中铬的浓度。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括在相对较长的时间内(标称为30到60分钟)保持熔融材料的温度，以将碳溶解在熔融材料中，用以在步骤(b)中由熔融材料产生的固体铁合金焊接耗材中产生所需浓度的化合碳。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括对步骤(a)中形成的熔融材料进行脱气，使得步骤(b)中形成的固体铁合金焊接耗材在后续的表面耐磨堆焊操作中有助于稳定的焊弧，从而使产生的表面耐磨堆焊层中的孔隙度最小化，并消除铁合金粉末从熔池中喷出。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括对步骤(a)中形成的熔融材料进行除渣，使得步骤(b)中形成的固体铁合金焊接耗材将后续表面耐磨堆焊操作中形成的合成表面耐磨堆焊熔敷层中非金属杂质的存在减至最小。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括生产具有小于7.0的铬/碳比例的铁合金焊接耗材。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括生产铬含量在30-65％重量百分比范围内的铁合金焊接耗材。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括生产化合碳含量大于7.5％重量百分比的铁合金焊接耗材。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括将熔融材料浇铸到合适的模具或其他浇铸装置中，之后将铸件打碎至合适的形式，例如粉末形式。
14.如权利要求1到12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括用合适的气体，例如氩气，将熔融材料雾化，以由熔融材料形成固体粉末。
15.由前述权利要求中任一项所述的方法生产出的含碳化铬的铁合金焊接耗材。
16.如权利要求15所述的材料，其特征在于，铬/碳比例小于7.0。
17.如权力要求15或16所述的材料，其特征在于，铬含量在30-65％重量百分比的范围内。
18.如权力要求15到17中任一项所述的材料，其特征在于，化合碳含量大于7.5％重量百分比。
19.一种在合适的基底上生产表面耐磨堆焊熔敷层的方法，包括在基底上形成如权利要求15到18中任一项所述的含碳化铬的铁合金焊接耗材的熔池和焊丝材料，之后将来自熔池的表面耐磨堆焊熔敷层的材料熔敷在基底上。
20.由权利要求19中所述的方法在合适基底上生产的表面耐磨堆焊熔敷层。
21.如权利要求20所述的堆焊熔敷层，其特征在于，包括小于7.0的铬/碳比例。
22.如权利要是20或21所述的堆焊熔敷层，其特征在于，包括小于35％重量百分比的铬含量。
23.如权利要求20到22中任一项所述的堆焊熔敷层，其特征在于，包括大于4.0％重量百分比的混合碳含量。
24.如权利要求23所述的堆焊熔敷层，其特征在于，包括最高达15％重量百分比的钨和/或钒和/或钛和/或钼和/或铌和/或硼。
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