DE3874995T2

DE3874995T2 - Auftragslegierung auf eisenbasis mit hoher korrosions- und verschleissbestaendigkeit.

Info

Publication number: DE3874995T2
Application number: DE8888111299T
Authority: DE
Inventors: Saburo Wakita; Ritsue Yabuki
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-07-16
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-07-15
Also published as: KR910003575B1; JPS6422497A; US4888153A; EP0300362A1; EP0300362B1; CA1302124C; KR890002433A; DE3874995D1; JPH089113B2

Description

Hintergrund der Erfindung:

[Technischer Bereich der Erfindung]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auftragslegierung auf Fe-Basis mit hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, die bei Anwendung von Oberflächenhärtungs-Auftrags-Schweißverfahren mit Wolfram-Inertgas-Technik WIG (TIG) oder Wolfram-Plasma-Schweißen WP (PTA) auf ein Reibungsteil wie ein Ventil oder einen Ventilsitz, das in einer chemischen Anlage, speziell einem Kernkraftwerk, verwendet wird, zur Bildung von Schweißraupen mit sehr großer Härte und exzellenter Korrosions- und Verschleißbeständigkeit in Hochtemperatur- und Hochdruck-Wasser führt.

[Stand der Technik]

Eine Legierung auf Co-Basis (Co-28-Cr-4W) wird für Oberflächenhärtungs-Auftrags-Schweißen von in chemischen Anlagen und Kernkraftwerken verwendeten Ventilen und Ventilsitzen wegen Ihrer hervorragenden Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verwendet.
Da jedoch die Akkumulation von radioaktiven Korrosionsprodukten in verschiedenen chemischen Anlagen, speziell in Kernkraftwerken, zu einer erhöhten Strahlungsmenge führt, wird die Notwendigkeit der Reduktion von Co&sup6;&sup0; erkannt, um dies zu verhindern, und es besteht ein steigender Bedarf an der Verwendung von Co-freien Legierungen auf Ni- oder Fe-Basis unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Sicherheit. Obwohl verschiedene Legierungen vorgeschlagen wurden, ist zur Zeit keine Legierung erhältlich, die alle notwendigen Eigenschaften wie Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aufweist. Es ist daher immer noch unvermeidbar, die Legierung auf Co-Basis mit den damit verbundenen Sicherheitsproblemen zu verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung:

Unter dem obigen Gesichtspunkt haben die Erfinder Studien im Hinblick auf die Entwicklung eines für den Oberflächenhärtungs-Aufbau eines Reibungsteils wie eines Ventils oder eines Ventilsitzes, das in einem Kernkraftwerk oder ähnlichem verwendet wird, ausgeführt, und als Ergebnis gefunden, daß eine Legierung auf Fe-Basis, die in Gewichtsprozent enthält:
C : von 0.005 bis 1.6 %,
Mn : von 4 bis 28 %,
Cr : von 12 bis 36 %,
Mo : von 0.01 bis 9 %,
Hf : von 0.005 bis 15 %,
N : von 0.01 bis 0.9 %,
und fakultativ
Si : von 0 bis 5 %,
Ni : von 0 bis 30 %,
und eines oder zwei aus
Nb : von 0 bis 6 %, und
W : von 0 bis 6 %, und
die Bilanz bestehend aus Fe und zufälligen Verunreinigungen, eine Vickers- Härte von mehr als 420 bei Raumtemperatur und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und intermetallische Verschleißbeständigkeit in heißem Wasser bei 300º C hat, für Auftragsschweißen und Gießen verwendbar ist, und daher alle ihre guten Qualitäten während sehr langer Zeit entfalten würde bei Verwendung in Ventilen oder Ventilsitzen, die in einer stark belastenden Umgebung eingesetzt werden, unter Einschluß von Korrosion und Verschleiß in einem Kernkraftwerk oder einer chemischen Anlage.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung basiert auf den obigen Befunden. Die Gründe für die Beschränkung der chemischen Zusammensetzung wie oben werden im folgenden beschrieben.

(a) C

Die C-Komponente hat die Effekte, die Festigkeit durch Auflösung in die Matrix zu verbessern, die Härte (Abnutzungsbeständigkeit) durch Bildung von M&sub7;C&sub3;-, MC-und M&sub2;&sub3;C&sub6;-Typ Carbiden durch Kombination mit solchen Legierungselementen wie Cr, W, Nb, Hf und Mo zu verbessern, und weiterhin die Schweißbarkeit und Gußfähigkeit zu verbessern. Mit einem Kohlenstoff-Gehalt von weniger als 0.005 % können die oben beschriebenen erwünschten Effekte jedoch nicht erreicht werden. Ein Kohlenstoff-Gehalt von mehr als 1.6 % verursacht andererseits nicht nur Präzipitation von mehr Carbiden, sondern führt darüberhinaus zu größeren Partikel-Größen von Carbiden, woraus eine geringere Härte resultiert. Der C-Gehalt sollte daher im Bereicht von 0.005 bis 1.6 % liegen.

(b) Mn

Die Mn-Komponente hat einen Austenit-stabilisierenden Effekt durch Auflösung in die Matrix und desoxidierende und entschwefelnde Effekte, und speziell den Effekt, die Abnutzungsbeständigkeit (Härte) und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Mit einem Mn-Gehalt von weniger als 4 % können jedoch die erwünschten Effekte nicht erhalten werden. Ein Mn-Gehalt von mehr als 28 % ergibt andererseits jedoch nicht nur keine weiteren Verbesserungen der obigen Effekte, sondern erschwert darüber hinaus das Schmelzen und Gießen der Legierung. Der Mn-Gehalt sollte daher im Bereich von 4 bis 28 % liegen.

(c) Cr

Die Cr-Komponente hat die Effekte, speziell die Härte durch Auflösung eines Teils davon in die Matrix und Carbidbildung des verbleibenden Teils zu verbessern, wodurch die Abnutzungsbeständigkeit verbessert wird, und zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit in heißem Wasser zu verbessern. Wenn der Cr-Gehalt weniger als 12 % beträgt, können jedoch die oben beschriebenen erwünschten Effekte nicht erzielt werden. Bei einem Cr-Gehalt von mehr als 36 % tendiert andererseits die Härte zur Abnahme. Der Cr-Gehalt sollte daher im Bereich von 12 bis 36 % liegen.

(d) Mo

Die Mo-Komponente hat den Effekt, die Härte (Abnutzungsbeständigkeit) und Festigkeit durch Auflösung in die Matrix zu verbessern. Ein Mo-Gehalt von weniger als 0.01 % kann jedoch den oben beschriebenen erwünschten Effekt nicht ergeben, während ein Mo-Gehalt von mehr als 9 % eine Abnahme der Härte wie im Fall der W-Komponente verursacht, woraus eine geringere Schlagfestigkeit resultiert. Der Mo-Gehalt sollte daher im Bereich von 0.01 bis 9 % liegen.

(e) Hf

Die Hf-Komponente hat die Effekte, die Korrosionsbeständigkeit durch Auflösung in die aus hauptsächlich Fe-, Ni- und Cr-Komponenten gebildete Austenit-Matrix zu verbessern und die Härte durch Bildung von MC-Typ-Carbiden durch Kombination mit C zu verbessern. Ein Hf-Gehalt von weniger als 0.005 % kann jedoch die oben beschriebenen erwünschten Effekte nicht ergeben, und ein Hf-Gehalt von mehr als 15 % ergibt keine weiteren verbessernden Effekte und ist ökonomisch unvorteilhaft. Der Hf-Gehalt sollte daher im Bereich von 0.005 bis 15 % liegen.

(f) N

Die N-Komponente hat die Effekte, die Festigkeit durch partielle Auflösung in die Austenit-Matrix und deren Stabilisierung zu verbessern, und parallel dazu Metall-Nitride zu bilden. In Anwesenheit von Hf hat die N-Komponente den Effekt, die Abnahme der Härte zu verhindern und so die Schlagfestigkeit durch Inhibition der Präzipitationsbildung zu verbessern. Ein N-Gehalt von weniger als 0.01 % kann jedoch die erwünschten Effekte nicht ergeben. Bei einem N- Gehalt von mehr als 0.9 % steigt andererseits die Menge der präzipitierten Nitride mit grober Körnung an, was zu einer brüchigeren Struktur und einer geringeren Zähigkeit führt. Der N-Gehalt sollte daher im Bereich von 0.01 bis 0.9 % liegen.

(g) Si

Si kann fakultativ in der erfindungsgemäßen Legierung in einem Gehalt von bis zu 5 % enthalten sein. Ein Si-Gehalt von mindestens 0.01 % ist bevorzugt, um den erwünschten desoxidierenden Effekt, die Gußfähigkeit, die Auftrags-Schweißbarkeit und die Fluidität des geschmolzenen Metalls sicherzustellen. Ein Si-Gehalt von mehr als 5.0 % kann jedoch auf der anderen Seite keine weiteren positiven Effekte ergeben. Der Si-Gehalt, falls vorhanden, sollte bevorzugt im Bereich von 0.01 bis 5.0 % liegen.
Die Legierung kann Si in einer Menge im Bereich von weniger als 0.01 % als eine der zufälligen Verunreinigungen enthalten, wenn Si als Desoxidans zur Ausnutzung der desoxidierenden oben beschriebenen Effekte verwendet wird. In diesem Fall kann der Gehalt an Si insgesamt mehr als 0.01 % betragen, wobei der Gehalt als eine der zufälligen Verunreinigungen eingeschlossen ist.

(h) Ni

Ni kann fakultativ in der Legierung der vorliegenden Erfindung in einem Anteil von bis zu 30 % enthalten sein. Die Ni-Komponente, falls anwesend, hat die Effekte, die Zähigkeit durch Stabilisierung der Austenit-Matrix zu verbessern und in Anwesenheit von Cr die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Ein Ni- Gehalt von weniger als 5 % kann jedoch die oben beschriebenen Effekte nicht ergeben, und ein Ni-Gehalt von mehr als 30 % kann keine weiteren verbessernden Effekte ergeben. Unter Berücksichtigung ökonomischer Vorteile sollte der Ni- Gehalt, falls anwesend, bevorzugt im Bereich von 5 bis 30 % liegen.

(i) Nb

Nb kann fakultativ in der Legierung der vorliegenden Erfindung in einer Menge von bis zu 6 % enthalten sein. Die Nb-Komponente, falls anwesend, hat die Effekte, weitgehend das Kornwachstum der Matrix zu verhindern, die Kristallkörner zu verfeinern, und MC-Typ-Carbide und -Nitride zu bilden, wodurch die Härte weiter verbessert wird. Ein Nb-Gehalt von weniger als 0.01 % kann jedoch die oben beschriebenen erwünschten Effekte nicht ergeben, und ein Nb-Gehalt von mehr als 6 % beschleunigt die Bildung von Carbiden und führt zu einer geringeren Zähigkeit. Der Nb-Gehalt, falls anwesend, sollte daher bevorzugt in einem Bereich von 0.01 bis 6 % liegen.

(j) W

W kann fakultativ in der Legierung der vorliegenden Erfindung in einem Gehalt von bis zu 6 % enthalten sein. Die W-Komponente, falls anwesend, hat die Effekte, durch Auflösung in die Matrix diese zu verstärken und weiter die Härte durch Bildung von Carbiden zu verbessern. Ein W-Gehalt von weniger als 0.01 % kann jedoch die gewünschten oben beschriebenen Effekte nicht ergeben, und ein W-Gehalt von mehr als 6 % resultiert in einer verminderten Zähigkeit. Der W-Gehalt, falls anwesend, sollte daher bevorzugt im Bereich von 0.01 bis 6 % liegen
Zr kann fakultativ als eine der zufälligen Verunreinigungen enthalten sein. Da jedoch ein Zr-Gehalt von 0.6 % die Zähigkeit, Gußfähigkeit und Schweißbarkeit beeinträchtigt, sollte der Zr-Gehalt, falls anwesend, nicht größer sein als 0.6 %.

Beispiel:

Im folgenden wird die Oberflächen-härtende Auftragslegierung auf Fe-Basis der vorliegenden Erfindung detaillierter unter Bezug auf ein Beispiel beschrieben. Tabelle 1 Art der Legierung Chemische Zusammensetzung der Legierung (Gew.-%) *) Auftragslegierung auf Fe-Basis der vorliegenden Erfindung Rest *) Konventionelle Auftragslegierung auf Ni-Basis Tabelle 2 Art der Legierung Chemische Zusammensetzung der Legierung (Gew.-%) Vergleichslegierung auf Eisenbasis Rest
Erfindungsgemäße Auftragslegierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 13 und Vergleichsauftragslegierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 6 mit der jeweiligen in Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung und eine konventionelle Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung, die der der konventionellen Legierung auf Ni-Basis entspricht, wurden durch die konventionelle Schmelzmethode hergestellt, und Schweißelektroden mit einem Durchmesser von 4.8 mm wurden durch Vakuum-Saug-Gießen unter konventionellen Bedingungen gebildet.
In allen Vergleichs-Legierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 6 war der Gehalt an beliebigen Komponenten-Elementen (in Tabelle 2 mit * markiert) außerhalb des angegebenen Bereichs der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden wurden unter Verwendung der Schweißelektroden der resultierenden erfindungsgemäßen Auftragslegierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 13, der Vergleichs-Legierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 6 und der konventionellen Auftragslegierung blattförmige Schweißraupen mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 20 mm und einer Dicke von 5 mm in drei Schichten mit einem automatischen WIG-Schweißapparat auf der Oberfläche von Trägermetallen aus rostfreiem Stahl mit einer Länge von 120 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 20 mm gebildet.
Auf den so geformten Schweißraupen wurde die Vickers-Härte bei Raumtemperatur unter einer Belastung von 20 kg mit einem Vickers-Härte-Meßgerät gemessen.
Die Abnutzung von auf gleiche Art gebildeten Raupen wurde nach speziellen Abnutzungsgrößen bewertet, die sich aus Metall-Abnutzungs-Tests mit einer Ohkoshi-Typ-Metall-Verschleißprüfeinrichtung ergaben unter Bedingungen, die ein Gegenstück aus SUS (mit einer Rockwell-Härte (HRC) von mindestens 57), einer Testtemperatur, die Raumtemperatur betrug (im Trockenen), einer Belastung von 18.2 kg, und einer Abnutzungsrate von 0.083 (m/s) einschlossen.
Korrosions-Teststücke mit einer Länge von 25 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 3 mm wurden aus auf gleiche Weise hergestellten Raupen hergestellt, und die Korrosionsbeständigkeit wurde aus Korrosions-Inkrementen in Hochtemperaturkorrosionstests bewertet, die in einem Autoklaven unter Testbedingungen, einschließend reines Wasser und 300º C x 200 h, erhalten wurden.
Zusätzlich wurde die Schweißbarkeit überprüft, indem eine Fuge mit einer Breite von 5 mm, einer Tiefe von 1 mm und einer Länge von 100 mm mit einem Kurvenradius von 5R auf einem SS41-Metallträger mit einer Dicke von 10 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 100 mm geschnitten wurde. Auftragsschweißen in dieser Fuge durchgefiihrt wurde und der Schweißzustand beobachtet wurde: (1) Bildung defekter Auftragungen; (2) Form der Schuppen; und (3) Bildung von Abfall. Die Ergebnisse wurden als excellent (markiert ), zufriedenstellend (markiert O) und schlecht (markiert x) klassifiziert. Tabelle 3 Art der Legierung Härte-Test Vickers-Härte bei Raumtemperatur (HV) Metall-Abnutzungstest spez. Abnutzungsbetrag x 10&sup7; (mm²/kg) Hochtemperatur-Korrosionstest (Inkremente d. korrodiarende Oxidation (mg/cm²) Schweißbarkeitstest Fugenschweißen (bewertet) konventionelle Auftragslegierung auf Ni-Basis Auftragslegierung auf Fe-Basis der vorliegenden Erfindung Vergleichslegierung auf Eisenbasis
Wie sich klar aus den Ergebnissen in Tabelle 3 ergibt, zeigen die erfindungsgemäßen Auftragslegierungen auf Fe-Basis Nr. 1 bis 13 in allen Fällen weit höhere Raumtemperatur-Härte, intermetallische Abnutzungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit in heißem Wasser und Schweißbarkeit als die konventionelle Auftragslegierung Nr. 1. Darüber hinaus erfüllen diese charakteristischen Werte, indem sie ausreichende Spannen lassen, perfekt die Eigenschafterfordernisse für Ventile und Ventilsitze, die in Kernkraftwerken und chemischen Anlagen verwendet werden.
Im Gegensatz dazu sind im Fall der Vergleichs-Auftragslegierungen Nr. 1 bis 6, in denen der Gehalt von beliebigen Komponenten-Elementen außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegt, die gebildeten Schweißraupen in einer oder mehr solcher Eigenschaften wie Raumtemperatur-Härte, spezifischer Betrag der Metallabnutzung bei Raumtemperatur, Korrosions-Beständigkeit in heißem Wasser und Schweißbarkeits-Bewertung in Fugenschweißtests fehlerhaft.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auftragslegierung auf Fe-Basis ist es, wie oben beschrieben, möglich, nicht nur Pulver-WP-Schweißen auszuführen, sondern außerdem Schweißraupen mit einer exzellenten Schweißbarkeit, einer hohen Raumtemperatur-Härte und einer hervorragenden Abnutzungsbeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit in heißem Wasser zu bilden. Wenn diese Legierung in solchen Reibungsteilen wie Ventilen und Ventilsitzen, die in Kernkraftwerken oder chemischen Anlagen verwendet werden, angewendet wird, zeigt sie den vollen Nutzen der hervorragenden Eigenschaften und ergibt so gewerblich anwendbare nützliche Effekte.
Die erfindungsgemäße Auftragslegierung auf Fe-Basis kann ebenfalls für Auftragsschweißen eines Teils verwendet werden, das hohe Abnutzungsbeständigkeit aufweisen muß wie ein Motorventil, eine Wellendichtmanschette, ein Lager, eine Extrusionsschraube, eine Stützrolle, ein Pumpenteil oder ein Hochdruckkolben, und es erübrigt sich zu erwähnen, daß in einem solchen Fall das resultierende Auftrags-geschweißte Teil eine hervorragende Leistungsfähigkeit zeigen kann.

Claims

1. Auftragslegierung auf Eisenbasis mit hoher Korrosions-/Verschleißbeständigkeit, die in Gewichtsprozent umfasst:

C: von 0.005 bis 1.6 %,

Mn: von 4 bis 28 %,

Cr: von 12 bis 36 %,

Mo: von 0.01 bis 9 %,

Hf: von 0.005 bis 15 %,

N: von 0.01 bis 0.9 %,

und fakultativ,

Si: von 0 bis 5 %,

Ni: von 0 bis 30 %, und

Nb und/oder W: von 0 bis 6 %,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen.

2. Die Auftragslegierung auf Eisenbasis entsprechend Anspruch 1, die in Gewichtsprozent umfasst:

C: von 0.011 bis 1.51 %,

Mn: von 4.86 bis 26.07 %,

Cr: von 13.48 bis 35.01 %,

Mo: von 0.07 bis 7.97 %,

Hf: von 0.009 bis 14.03 %,

N: von 0.06 bis 0.48 %,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen.

3. Die sehr widerstandsfähige Auftragslegierung auf Eisenbasis entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2, die in Gewichtsprozent umfasst:

C: von 0.86 bis 0.93 %,

Mn: von 5.53 bis 18.10 %,

Cr: von 21.97 bis 26.01 %,

Mo: von 0.38 bis 5.09 %,

Hf: von 1.07 bis 10.16 %,

N: von 0.10 bis 0.79 %,

und fakultativ,

Si: von 0.08 bis 4.67 %,

Ni: von 8.10 bis 28.08 %,

und eines oder beide von:

Nb: von 0.09 bis 5.02 %, und

W: von 0.16 bis 5.42,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen.