專利名稱：一種用于通過埋弧焊形成表面覆層的金屬粉末的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于埋弧焊的金屬粉末。具體而言，本發(fā)明涉及通過埋弧焊法在一種金屬基體上形成表面覆層的高合金金屬粉末的應(yīng)用。
埋弧焊(SAW)方法是一種著名的方法，其原理例如在第4版(1958)的焊接手冊的第二部分的第28章“焊接工藝”中作了描述，在此引入作為參考。
目前，SAW法被認為是一種非常合理的焊接和表面涂覆方法。盡管這一方法非常合理，但仍有必要提高其生產(chǎn)率。提高生產(chǎn)率的一種方法是使用配合有高電流強度的多絲設(shè)備。另一種方法是在整個焊接過程中，向焊接接頭處仔細添加精確量的金屬粉末。所述金屬粉末可以或著采用“前向布料”方式添加，所述“前向布料”指的是將粉末添加于焊劑和焊絲的前面，或著采用“直接布料”的方式填加，所述“直接布料”指的是粉末借助磁力附著于焊絲上。目前所用的金屬粉末基本上是不合合金的金屬粉末，而最終的焊接接頭所要求的元素及其組成則由含有大量合金元素的焊絲或焊條芯決定。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用一種預(yù)合金化的霧化的含有大量合金元素的金屬粉末，再結(jié)合使用至少一種由不含合金的或低合金的熔化焊絲或焊芯，可使SAW法得以改進。所述粉末必須經(jīng)過預(yù)合金化，否則，就不可能獲得一均質(zhì)覆層。另一個重要特點是所述粉末被添加在SAW法所用焊絲的外面或著獨立于焊絲添加。
當根據(jù)本發(fā)明的方法用于金屬基體如低合金鋼基體的表面涂覆，而對所述基體必須進行涂覆以提高其硬度、強度、抗氧化性和耐磨性時，這種方法具有尤其重要的優(yōu)勢。目前應(yīng)用的涂覆方法所存在的問題包括低的生產(chǎn)率和在金屬基體表面相對高的稀釋。高稀釋的后果之一是為了獲得一具有所要求的組成和性能的表面覆層，就需要幾層覆層和大量的合金材料?？傊?，這就意味著采用目前應(yīng)用的方法來獲得被涂覆的基體非常昂貴且生產(chǎn)率低下。
美國專利2810063公開了一種方法，其中將一種金屬粉末用于埋弧焊。該專利中特別使用的粉末包括與一種軟鐵粉末和硅酸鈉結(jié)合使用的鉻鐵、錳鐵和鉬鐵。這一專利的一個顯著特點是存在有為使合金元素通過磁力附著于焊條或焊絲上所必須的鐵粉末。然而，這會遇到由這些粉末所得到的表面覆層的均勻性問題，因為所述粉末混合物的不同組分很容易發(fā)生偏析。
這一缺點實際上使得該美國專利的方法在要求高度均勻性的工業(yè)應(yīng)用場合成為不可接受的，但通過應(yīng)用一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)合金化的金屬粉末可以避免這一缺點。
一種與美國專利2810063相似的方法在美國專利2191471中作了公開。
通過應(yīng)用一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)合金化的金屬粉末，已發(fā)現(xiàn)，不僅能夠獲得非常的均勻的組織，而且顯微組織變得更細小。結(jié)果，減小了覆層中存在微裂紋的危險，而且強度更高。通過單獨提供預(yù)合金化的粉末即采用前向布料法添加粉末，或著在焊條的外表提供預(yù)合金化的粉末，即采用通過磁力附著于焊條外部添加粉末的方式，熔化的基體表面得以有效地冷卻，使熔池得以減小。由于合金元素被稀釋的程度不如當大部分合金元素包含在熔融焊絲或焊芯中時被稀釋的程度大，這樣，就可以減少貴重合金元素的量。另外一個優(yōu)點是堆焊或涂覆速度能夠得以增加。結(jié)果，已發(fā)現(xiàn)，對于一給定的待涂覆面積而言，其生產(chǎn)率是應(yīng)用明弧焊時的三倍。與焊條材料含相當高的合金而金屬粉末基本不含合金的傳統(tǒng)的SAW法的覆層相比，本發(fā)明的改進程度約50％。
對金屬粉末的類型和數(shù)量加以選擇，以使所述粉末與焊絲結(jié)合，來提供基體覆層所要求的組成。所述粉末可以是磁性粉末或著非磁性粉末，它可以從各種能夠得到的粉末中加以選擇。如果粉末是磁性的，它可以與(磁性)焊絲一起并固定于其上，被添加或運送至基體上。磁性粉末尤其優(yōu)選用于涂覆軋輥。如果是非磁性，則將所述金屬粉末直接布料于基體上的熔池或其前面。
一個基本的特征是所述粉末是預(yù)合金化的并含有大量的合金元素，這在本文中意味著粉末中的合金元素的量比焊絲高。為達到效果，合金元素的量應(yīng)至少為粉末重量的2％。金屬粉末中合金元素的量以及金屬粉末的布料方式和焊絲均需根據(jù)基體最終覆層要求的組成加以選擇。粉末的添加量通常為總的填料金屬，即金屬粉末和焊絲的30-80％。通過使用氣霧化的或水霧化的預(yù)合金粉末，能夠獲得高度精確的覆層組成。
鐵基粉末中適當?shù)暮辖鹪貙嵗荂r,Ni,Mo,Mn,V,Nb,Si,N,C,Co,Ti和W。
一種非常適于根據(jù)本發(fā)明的表面覆層的高合金鐵基粉末的一個實例是一種基本上具有如下組成的粉末，鐵和0-55wt.％Cr,0-50wt.％Ni,0-35wt.％Mo,0-15wt.％Mn,0-17wt.％V,0-15wt.％Nb,0-5wt.％Si,0-0.8wt.％N,0-8wt.％C,0-55wt.％Co,0-15wt.％Ti和0-65wt.％W。
所述合金元素的量優(yōu)選為12-35wt.％Cr，小于25wt.％Ni，小于15wt.％Mo,0.05-15wt.％Mn,0-8wt.％V,0-8wt.％Nb,0-10.0wt.％Si，小于0.Swt.％N和0.005-5wt.％C。
更具體而言，該粉末可包含20-34wt.％Cr,0-18wt.％Ni,0.5-8wt.％Mo,0.1-5wt.％Mn,0.1-2.0wt.％V,0.1-2.0wt.％Nb,0.05-3.0wt.％Si,0.005-0.4wt.％N和0.005-0.8wt.％C。
根據(jù)本發(fā)明，另一有意義的可用粉末組成為一種鐵基粉末，包含0-40wt.％Co,7-17wt.％W,5-15wt.％Mo,0.05-2.5wt.％Mn,1-6wt.％V,0.05-2.5wt.％Si，少于0.40wt.％的N和1-4.0wt.％C。
根據(jù)本發(fā)明，熔化焊絲的主要目的是為熔化金屬粉末和基體表面提供充分的熱量。一個特別的優(yōu)點是，如果與具有不同合金元素的不同類型的金屬粉末一起使用，則同一種焊絲能夠用于獲得不同類型的覆層。
當焊絲為鐵基時，其可以是不含合金的或低合金的焊絲，例如根據(jù)DIN8557的S1或S2。然而，所有不含合金的或低合金的焊絲，包括金屬焊芯和粉芯焊絲，即管狀焊絲，都可用于本發(fā)明。
通過上述聯(lián)合使用焊絲和金屬粉末，在同樣的時間內(nèi)，有可能比應(yīng)用傳統(tǒng)的涂覆方法在金屬基體上施加更多的覆層材料。另一優(yōu)點是有可能當覆層較薄時就獲得正確的表面覆層組成，這意味著貴重的覆層材料能夠得到相當多的節(jié)約。
根據(jù)本發(fā)明，焊絲與粉末之比值可優(yōu)選在2.33和0.25間變化。最優(yōu)選該比值小于1.5。
金屬基體基本上可以有任何形式，而且根據(jù)本發(fā)明的涂覆方法只是受到實際條件的限制。典型的基體可以是低合金鋼或工具鋼，即基體的化學組成可以在很寬范圍內(nèi)變化。
本發(fā)明的方法中所用焊劑優(yōu)選是一種不含合金的堿性焊劑。
借助下面的實施例對本發(fā)明作進一步說明實施例1基體軋輥(直徑227mm，長305mm)，其周向旋轉(zhuǎn)速度為21cm/min。
電源650A,32.2V雙弧焊OK1220S2，直徑2.5mm，由瑞典的ESAB AB購得。
金屬粉末x:345-4焊劑不含合金的堿性焊劑。
將一種磁性的霧化的具有表中所示組成的預(yù)合金化的鐵粉末，以15.0kg/h的速度添加和將焊絲以9.5kg/h的速度添加，這意味著以24.5kg/h的速度形成所要求涂層，從而獲得一具有所要求組成的最終厚3mm的覆層。所述粉末借助磁力附著于焊絲的外部。覆層的寬度在這種情況下是55mm。這一速度應(yīng)該與類似應(yīng)用帶狀、絲狀等形式的高合金涂覆材料而沒有外部金屬粉末添加的SAW法的傳統(tǒng)覆層方法的速度相當。由于大量的基體材料被熔化，根據(jù)已知的SAW法，只有約10kg/h的覆層材料添加至基體表面，因此，由于稀釋程度高，必須涂覆幾層才能獲得所要求的表面覆層組成。
下表1示出了所要求的覆層組成，焊絲組成，金屬粉末的組成以及由所述軋輥切下的試樣的最終組成。
表1
實施例2用一種N合金化粉末重復實施了實施例1的方法。在本實施例中，要求以13.8kg粉末/h和9.5kg焊絲/h的速度分別添加粉末和焊絲，以獲得所要求的覆層，結(jié)果列于下面的表2中。
表2
<p>實施例3用具有表3所示組成的磁性的合金化粉末重復實施根據(jù)實施例1的方法。在本實施例中，使用的是一直徑4.0mm的單弧S2。
以8kg粉末/h的速度將粉末直接添加，即借助磁力附著于焊條的外部。在基體板上，并以8.4kg/h的速度將所述粉末前向布料于基體板上。
對于直接布料和前向布料，焊絲的進給速度均為8kg/h。
結(jié)果列于下面的表3中。
表3
1)粉末施加于焊條的外部2)采用前向布料
權(quán)利要求
1．一種霧化的預(yù)合金化的含有大量合金元素的金屬粉末的應(yīng)用，該金屬粉末在埋弧焊(SAW)方法中，被單獨添加至一金屬基體上或被添加在熔化的、可消耗的焊絲或焊條芯的外部。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的粉末的應(yīng)用，其中所述粉末為一種鐵基粉末。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的粉末的應(yīng)用，其中所述粉末是經(jīng)氣霧化或水霧化處理的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的應(yīng)用，其中所述的熔化焊絲或焊條芯基本上由一種不含合金的或低合金的金屬構(gòu)成。
5．根據(jù)權(quán)利要求4使用，其中所述的焊條金屬是不合合金的或含合金量低的鐵。
6．根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的粉末的應(yīng)用，其中可消耗焊條與粉末之比在2.33和0.25之間，優(yōu)選小于1.5。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的應(yīng)用，其中所述的粉末中合金元素的量至少為2wt.％。
8．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的粉末的應(yīng)用，其中所述的合金元素選自Cr,Ni,Mo,Mn,V,Nb,Si,N,C,Co,Ti和W.
9．根據(jù)權(quán)利要求8的應(yīng)用，其中所述的量，以wt.％計，為Cr0-55,Ni0-50,Mo0-35,Mn0-15,V0-17,Nb0-15,Si0-5,N0-0.8,C0-8,Co0-55,Ti0-15和W0-65。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的粉末的應(yīng)用，其中所述粉末基本上由鐵和0-40wt.％Co,7-17wt.％W,5-15wt.％Mo,0.05-2.5wt.％Mn,1-6wt.％V,0.05-2.5wt.％Si，小于0.40wt.％N和1-4.0wt.％C組成。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的粉末的應(yīng)用，其中所述粉末由一種鐵基粉末組成，該粉末包含12-35wt.％Cr，小于25wt.％Ni，小于15wt.％Mo,0.05-15wt.％Mn,0-8wt.％V,0-8wt.％Nb,0-10.0wt.％Si，小于0.Swt.％N和0.005-5wt.％C。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的粉末的應(yīng)用，其中所述粉末由一種鐵基粉末組成，該粉末包含20-34wt.％Cr,0-18wt.％Ni,0.5-8wt.％Mo,0.1-5wt.％Mn,0.1-2.0wt.％V,0.1-2.0wt.％Nb,0.05-3.0wt.％Si,0.005-0.4wt.％N和0.005-0.8wt.％C。
13．根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的應(yīng)用，其中所述粉末是磁性的。
14．根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項的、一種用于在金屬基體上形成表面覆層的粉末的應(yīng)用。
15．按照基于上述權(quán)利要求的應(yīng)用的SAW法對金屬基體進行覆層的一種方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在SAW法中,與至少一種熔化焊絲相結(jié)合的預(yù)合金化的霧化粉末的應(yīng)用。該焊絲是一種不含合金的或低合金的金屬焊絲,所述金屬粉末是一種比焊絲含有更多合金元素的金屬粉末。
文檔編號B23K9/18GK1233203SQ9719879
公開日1999年10月27日 申請日期1997年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月23日
發(fā)明者H·哈倫, K－E·約翰森 申請人:赫加奈斯公司