專利名稱：合金、堆焊層及其方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種合金、一種堆焊層(overlay)及其方法。更具體地，本發明涉及一種鐵-鉻-碳-鎳基耐磨堆焊(hardfacing)合金,用于作為焊接堆焊層(weldoverlay)使用以保護鋼制零件免于磨損，焊接的堆焊層和其方法。
3.
背景技術：
·
鍋爐管和壓力容器，往往由鋼材制成，通常是暴露在惡劣的環境中，包括但不限于高溫腐蝕或侵蝕腐蝕(erosion-corrosive)條件。為了保護鍋爐管和壓力容器，焊接堆焊層可應用于鍋爐水墻和壓力容器的至少一部分。

發明內容
根據以下所述的各種示例性的實施例，為具有約0. 5重量％至約2重量％的碳，約15重量％至約30重量％的鉻，約4重量％至約12重量％的鎳，最高達到約3重量％的錳，最聞達到約2. 5重量％的娃,最聞達到約I重量％的錯，最聞達到約3重量％的鑰,最聞達到約3重量％的鎢，最高達到約0. 5重量％的硼，最高達到約0. 5重量％的雜質，以及鐵的
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I=I -Wl O根據另一個示例性的實施例，以下公開了一種具有約0. 38重量％至約I. 9重量％的碳,約11. 25重量％至約28. 5重量％的鉻，約3重量％至約11. 4重量％的鎳，最高達到約2. 85%的錳，最高達到約2. 375%的硅，最高達到約0. 95%的鋯，最高達到約2. 85%的鑰，最聞達到約2. 85 %的鶴,最聞達到約0. 498 %的砸，最聞達到約I 的雜質，以及余量為鐵的堆焊層。根據另一個示例性的實施例，以下公開了一種將合金施加于基體上從而形成堆焊層的焊接方法。該合金可以具有約0. 5重量％至約2重量％的碳，約15重量％至約30重量％的鉻，約4重量％至約12重量％的鎳,最高達到約3重量％的猛,最高達到約2. 5重量％的硅，最高達到約I重量％的鋯，最高達到約3重量％的鑰，最高達到約3重量％的鎢，最聞達到約0. 5重量％的砸,最聞達到約0. 5重量％的雜質，以及鐵。基體是由選自碳鋼、低合金鋼、Cr-Mo鋼和不銹鋼組成的組的材料形成。盡管將結合各種優選的示例性實施例描述本發明，但需要理解的是，并不是要把本發明限定為這些實施例。相反，希望符合所有替換、變化和等同，因為可以包括在本發明由所附權利要求所限定的精神和范圍內。
具體實施例方式在一個示例性的實施例中，一種合金包括約O. 5至約2%的碳，約15至約30%的鉻，約4至約12 %的鎳，約O至約3 %的錳，約O至約2. 5 %的硅，約O至約I %的鋯，約O至約3%的鑰，約O至約3%的鎢，約O至約O. 5%的硼，O至總共約O. 5%的雜質，以及余量為鐵。所有這里公開的百分比為重量百分比，除非另有注明。另外，在公開范圍時，除非另有注明，將旨在描述和公開了所有中間的范圍。因此，作為一個非限制的示例，公開了約O. 5至約2%的碳，則包括約O. 5重量％至約I. 9重量％的碳、約O. 5重量％至約I. 8重量％的碳、約0.6重量％至約2重量％的碳等。盡管如此，為了理解清楚，在本文中還是公開了各種替代和優選的范圍。在一個可選的實施例中，該合金包括約O. 7至約I. 5%的碳，約18至約25%的鉻，約5至約10 %的鎳，約O至約2 %的錳，約O至約2 %的硅，約O至約O. 5 %鋯，約O至約2 %的鑰,約O至約2%的鎢，約O至約O. 5%的硼，約O至總共約O. 5%的雜質，以及余量為鐵。 在更進一步的實施例中，該合金包括約O. 8至約I. 3%的碳，約18至約25%的鉻，約5至約10%的鎳，約O至約2%的錳，約O至約2%的硅，約O至約O. 5%鋯，約O至約2%的鑰，約O至總共約O. 5%的雜質，以及余量為鐵。在更進一步的實施例中，此處所描述的任何合金都可以包括約O至約2. 5%的硅，可選地約O至約2. 4%的硅，可選地約O至約2. 3%的硅，可選地約O至約2. 2%的硅，可選地約O至約2. I %的硅，可選地約O至約I. 9%的硅，可選地約O至約I. 8%的硅，可選地約O至約I. 7%的硅，可選地約O至約I. 6%的硅，可選地約O至約I. 5%的硅，可選地約O至約
I.4%的硅，可選地約O至約I. 4%的硅，可選地約O至約I. 3%的硅，可選地約O至約I. 2%的硅,可選地約O至約I. I %的硅，可選地約O至約I %的娃，可選地約O至約O. 9%的硅，以及等等。在一個可選的實施例中，此處所描述的任何合金可以包括，沒有錳，可選地錳作為雜質存在于此處所描述的任何合金中，此處所描述的任何合金可選地具有約O. 5至約2%的猛，可選地約I至約I. 5%的猛，可選地約I. 5%的錳，可選地約2%的錳。在一個實施例中，焊接此處所描述的合金的堆焊層包括，鉻與鎳的比例為約2.0至約4. 5，可選地約2. 5至約4. 5，可選地約3至4. 5，可選地約3至約4，可選地約2至約3。不希望被理論束縛，申請人相信包含關鍵數量鎳的鐵鉻-碳合金具有令人驚訝的良好的延展性和韌性，以便在作為焊接的堆焊層被施加在鍋爐或加工容器上是，該焊接的堆焊層不易于產生應力裂縫。因此，在一個實施例中，完全應用該焊接的堆焊層后，該焊接的堆焊層基本上沒有應力裂縫。進一步，不希望被理論束縛，申請人相信合金中足量的碳可以形成足夠的低共熔碳化鉻硬質相，這可以提供侵蝕保護，合金中足量的鉻可以形成保護性氧化鉻皮，這可以抵抗高溫腐蝕或糜爛腐蝕。該合金可以被施加于任何適合的基體上，包括但不限于由碳鋼、低合金鋼、Cr-Mo鋼，或不銹鋼形成的基體，以形成堆焊層。在一個實施例中，該合金被施加于可以為在鍋爐或其他壓力容器中壓力邊界的基體的至少一部分，例如一般由一系列連接管組成的爐墻(也被稱為水墻)，以形成堆焊層。在基體上施加合金以形成堆焊層的方法可以為任何適當的金屬連接方法，包括但不限于釬焊、激光熔覆、和優選地任何適合焊接的方法，該焊接方法包括但不限于氣體金屬弧焊、氣體鎢極電弧焊、埋弧焊、電渣焊、等離子轉移弧焊、和激光焊。
不希望被理論束縛，申請人相信合金被施加于基體后，所得到堆焊層具有足夠的延展性和硬度，以至該堆焊層不容易應力開裂甚至當一定量的焊接堆焊層被施加于從幾平方英尺(平方米)至數千平方英尺(平方米)不同的面積時，可選地約50平方英尺(約
4.6平方米)至約5000平方英尺(約460平方米)或更大，可選地約100平方英尺(約9. 3平方米)至約1000平方英尺(約93平方米)，可選地約200平方英尺(約18. 6平方米)至約900平方英尺(約83. 6平方米)，可選地約200平方英尺(約18. 6平方米)至約600平方英尺(約55.7平方米)。優選地，該堆焊層具有約4%至約20%的伸長率，可選地約6%至約15%的伸長率。為了本發明的目的，包括以下示例，伸長率被理解為通過是室溫拉伸試驗而被測量，符合ASTM E8/E8M-08。優選地，該堆焊層在熱處理前具有大約Rockwell “C”數值RC 25或者更高的硬度，可選地具有大約Rockwell “C”數值RC 30或者更高的硬度，可選地具有大約RC 30至大約RC45的硬度。在另一個實施例中，該堆焊層可以在焊接熱處理后具有大約RC 30至大約RC 50或更高的硬度。為了本發明的目的，包括以下示例，硬度被理解為按照ASTM E384-08a進行測量，使用Vickers硬度測試儀500克負載下在焊接堆 焊層的截面上測量。該Vickers硬度數值再被轉變為按照ASTM E140-07的Rockwell C數值。當合金通過焊接被施加于基體上，通常地合金和基體都熔化，凝固后，所得到的焊接堆焊層具有的組成等于由被熔化基體至的少一部分所稀釋的合金組成。在一個實施例中，在元素基礎上，以重量百分比，該焊接堆焊層的組成可以等于，在元素基礎上，稀釋約5%至25%后的合金組成，可選地稀釋大約10%，這依賴于各種因素包括基體元素組合、焊接工藝和焊接參數。相應地，上述焊接堆焊層的組成，在元素基礎上，除去鐵和雜質外，在將合金施加于基體上之后，可各自獨立地與預焊接合金相比，減少大約5 %至大約25 %，可選地減少大約10%，。該焊接堆焊層與合金相比可以具有更高重量百分比的鐵和雜質。在一個實施例中，焊接堆焊層具有最高達到I. 5重量％的雜質，可選地最高達到I重量％的雜質，可選地最高達到O. 5重量％的雜質。作為非限制性的例子，將合金施加于基體后，在焊接堆焊層中鉻的百分比可以被合金中鉻的百分比低大約10%，并且焊接堆焊層中鎳的百分比可以比合金中鎳的百分比低等于、高于或低于10%。在一個實施例中，堆焊層可以在約1200 0F (約648. 8°C )以上的爐溫下在爐中被熱處理，可選地在約1400 T (約760°C)以上或更高，持續最高達到大約I個小時或更長時間，這取決于成分的量。不希望被理論束縛，申請人相信堆焊層的熱處理可以增加堆焊層的硬度。如下示例所描述的，制備表I所示的焊接堆焊層。在浙西示例中，伸長率和硬度根據上述方法測量，焊接堆焊層碳含量化學分析根據ASTM E1019-03執行，焊接堆焊層中所有其他元素的化學分析根據ASTM E572-02a(2006)執行。表I焊接堆焊層室溫拉伸性能焊接堆焊層樣品 YSksi(Mpa)* |^pa^S1*%伸長率
金屬 “A” 填料 101.9(703) 129.7(894)3.0
91.7(632)113.4(782)3.0
金屬 “B” 填料 86.2(594)130.0(897)17.0
79.7(550)128.1(883)18.0
金屬 “C，’ 填料 96.2(663)128.5(886)5.0
92.8(640)137.1(946)10.0*YS ksi是指測量的每平方英寸千磅力的屈變力(該數值也以兆帕，MP給出)。**UTS ksi是指測量的每平方英寸千磅力的極限抗拉強度(該數值也以兆帕，MP給出)。示例 I金屬“A”填料包括I. I重量％的碳,21重量％的鉻,2. 8重量％的鎳,0. 6重量％的鑰，I. O重量％的錳，I. O重量％的硅和余量為鐵以及雜質，在四分之三英寸厚的碳鋼板上，將金屬“A”填料堆焊在大約3英寸寬乘15英寸長的面積上。在橫向進展模式下用以下焊接參數，將氣體金屬弧焊用于制備焊接堆焊層樣品26伏，190 200安培，23英寸每分鐘(ipm)的運行速度，送線速度235ipm，使用98%的氬氣和2%氧氣作為屏蔽氣。焊接堆焊層的化學分析結果為18. 4重量％的鉻，I. 02重量％的碳，2.5重量％的鎳以及其他微量元素。該焊接堆焊層顯示了 Rockwell “C”數值范圍從RC 34至RC 38的硬度。通過加工基體鋼和不均勻堆焊層表面，制備焊接堆焊層的兩個平面拉伸式樣。兩個式樣均進行拉伸測試并且測試結果均為3%的伸長率。示例2金屬“B”填料包括O. 93重量％的碳，19. 8重量％的鉻，6. 7重量％的鎳，O. 7重
量％的鑰，I. 9重量％的錳，I. 4重量％的硅和余量為鐵以及雜質，被堆焊在在與示例I中相同尺寸的碳鋼板上。在橫向進展模式下用以下焊接參數，氣體金屬弧焊被用于制備焊接堆焊層樣品25伏，195 205安培，28ipm的運行速度，送線速度310ipm，屏蔽氣由98%的氬氣和2%氧氣組成。焊接堆焊層的化學分析結果為O. 84重量％的碳，17. 5重量％的鉻，6. 6重量％的鎳，I. 3重量％猛,0. 6重量％鑰，I. 2重量％娃和余量為鐵以及雜質。該焊接堆焊層顯示了 Rockwell “C”數值范圍從RC 29至RC 34的硬度。通過加工基體鋼和不均勻堆焊層表面，制備焊接堆焊層的兩個平面拉伸式樣。第一個拉伸測試結果為17%的伸長率，第二個拉伸測試結果為18%的伸長率。示例3金屬“C”填料包括I. 08重量％的碳，24. 77重量％的鉻，6. 74重量％的鎳，O. 56重量％的鑰，I. 99重量％的錳，I. 5重量％的硅和余量為鐵以及雜質，被堆焊在在與示例I中相同尺寸的碳鋼板上。在橫向進展模式下用以下焊接參數，氣體金屬弧焊被用于制備焊接堆焊層樣品25伏，195 205安培，28ipm的運行速度，送線速度310ipm，屏蔽氣由98%的氬氣和2%氧氣組成。焊接堆焊層的化學分析結果為I. 06重量％的碳，22. 9重量％的鉻，·6.I重量％的鎳,0. 52重量％鑰,2. 15重量％猛，I. 39重量％娃以及雜質。該焊接堆焊層顯示了 Rockw ell “C”數值范圍從RC 30至RC 32的硬度。通過加工基體鋼和不均勻堆焊層表面，制備焊接堆焊層的2個平面拉伸式樣。第一個拉伸測試結果為5%的伸長率，第二個拉伸測試結果為10%的伸長率。
權利要求
1.一種合金，其包含 約O. 5重量％至約2重量％的碳， 約15重量％至約30重量％的鉻， 約4重量％至約12重量％的鎳， 最聞達到約3重量％的猛， 最高達到約2.5重量％的硅， 最高達到約I重量％的鋯， 最高達到約3重量％的鑰， 最高達到約3重量％的鎢， 最聞達到約O. 5重量的砸， 最高達到約O. 5重量％的雜質， 以及鐵。
2.根據權利要求1所述的合金，其特征在于，鉻與鎳的比例為大約2.O-大約4. 5。
3.—種堆焊層，其包括 約O. 38重量％至約I. 9重量％的碳， 約11. 25重量％至約28. 5重量％的鉻， 約3重量％至約11. 4重量％的鎳， 最高達到約2. 85%的錳， 最高達到約2. 375%的硅， 最高達到約O. 95%的鋯， 最高達到約2. 85%的鑰， 最高達到約2. 85%的鎢， 最聞達到約O. 498%的砸， 最聞達到約1 %的雜質， 以及鐵。
4.權利要求3所述的堆焊層，其是通過將權利要求I所述的合金焊接至基體上形成的， 其中，所述堆焊層中碳、鉻、鎳、錳、硅、鋯、鑰、鎢和硼的重量百分比組合等于稀釋約5%至25%后的所述合金中碳、鉻、鎳、錳、硅、鋯、鑰、鎢和硼的重量百分比組合。
5.根據權利要求3所述的堆焊層，其具有大于約3%的拉伸伸長率；可選地，具有大于約5%的拉伸伸長率；可選地，大于約10%的拉伸伸長率；可選地，具有大于約15%的拉伸伸長率。
6.根據權利要求5所述的堆焊層，其具有大約Rockwell“C”數值RC 25或者更高的硬度；可選地，具有大約Rockwell “C”數值RC 30至大約RC45或者更高的硬度。
7.一種對基體進行堆焊的方法，其包括 將權利要求1所述的合金施加于基體上從而形成堆焊層， 所述基體是由選自碳鋼、低合金鋼、Cr-Mo鋼和不銹鋼組成的組的材料形成。
8.根據權利要求7所述的方法，其進一步包括在約1200T (約648.8°C)以上的溫度下，在爐中對所述堆焊層進行熱處理。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，所述基體為是水墻的至少一部分。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，一定量的焊接堆焊層被施加于約50平方英尺(約4. 6平方米)至約5000平方英尺(約460平方米)或更高的面積，并且所述堆焊層基本上沒有應力裂縫。
11.根據權利要求7所述的方法，其中，所述基體為加工容器或加工設備的至少一部分。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，一定量的焊接堆焊層被施加于約50平方英尺(約4. 6平方米)至約5000平方英尺(約460平方米)的面積，并且所述堆焊層基本上沒有應力裂縫。
13.根據權利要求7所述的方法，其中，通過選自由下列組成的組的焊接方法將所述合金施加于所述基體上氣體金屬弧焊、氣體鎢電弧焊、埋弧焊、電渣焊、等離子轉移弧焊、和激光焊。
全文摘要
一種合金，其包含約0.5重量％至約2重量％的碳，約15重量％至約30重量％的鉻，約4重量％至約12重量％的鎳，最高達到約3重量％的錳，最高達到約2.5重量％的硅，最高達到約1重量％的鋯，最高達到約3重量％的鉬，最高達到約3重量％的鎢，最高達到約0.5重量％的硼，最高達到約0.5重量％的雜質，以及鐵。
文檔編號C22C38/44GK102892546SQ201080062415
公開日2013年1月23日 申請日期2010年11月23日 優先權日2009年11月25日
發明者喬治·Y·賴, 李炳濤 申請人:阿奎萊克斯Wsi有限責任公司