专利名称：用于粉体等离子体堆焊熔接的粉末材料及粉体等离体堆焊熔接金属的制作方法
技术领域：
本发明是关于以造纸厂等工业用的抢修锅炉炉管、炉壁板等耐腐蚀、耐磨损等为目的，而进行的粉体等离子体堆焊熔接时所使用的粉末材料及粉体等离子体堆焊熔接金属。
背景技术：
对于工业用的抢修锅炉，在高温熔化产生的腐蚀的环境下，从耐腐蚀、耐磨损性考虑，在对由多个碳钢管组成的炉管板进行堆焊熔接时，在该部件表面上使用18％Cr的堆焊熔接材料。作为这种堆焊材料，过去使用被复18％Cr的电弧焊焊条和18％Cr的气体密封电弧焊接线(以下称MAG焊接线)。
图1是表示以前公知粉体等离子体堆焊熔接装置的基本结构。即，在钨电极1和喷嘴2之间连接导引电弧电源10，在钨电极1和被焊接材料基本金属11之间连接直流电源12。在喷嘴1的外侧配置中间喷嘴3，而在中间喷嘴3的外侧配置外喷嘴4。在钨电极1和喷嘴2之间供入等离子体气体(例如Ar气)，在供气(例如，Ar气)的同时，在喷嘴2和中间喷嘴3之间供入堆焊熔接用的粉末材料和气体(例如Ar气)，在中间喷嘴3和外喷嘴4之间供入密封气体(例如Ar气)，在这状态下，在喷嘴和基本金属之间产生等离子体电弧，而将供入的粉末材料熔化，以焊接金属13焊接在基本金属11上。
图2是表示对碳钢管进行粉体等离子体熔接状况的图示。即，在碳钢管5(例如JIS STB 410)和与此相对配置的等离子体熔接焊枪6之间产生等离子体电弧，接着将供入的粉末材料熔化，形成熔融池7。在暂短移动等离子体熔接焊枪6下，熔融池7形成所说的凝固的熔接金属。
粉体等离子体堆焊焊接的特征如下，即，被复电弧焊接和MAG焊接法的熔焊量最大为3Kg/1hr，但利用粉体等离子堆焊熔接法，最大熔焊量可达到4～6Kg/1hr。通过使用这样的粉体等离子体堆焊熔接法可实现高效率的焊接。
又，粉体等离子体堆焊熔接法与当前的MAG焊接法相比，由于作为基本金属的稀释率很小，所以在堆焊熔接金属时能够抑制Cr量的降低。得到气泡、熔合不好等焊接缺陷很小的高质熔接金属。
近年来，在抢修锅炉中，由于高浓度和高温度化，造成环境腐蚀越来越严重。当前在一部分18％Cr的焊接部分，因熔化引起的腐蚀、磨损，使炉管壁急剧减小，所以必须研制开发耐腐蚀性更加优良的堆焊熔接材料。
当使用含17～30％Cr量的粉末焊接材料进行等离子体堆焊熔接时，据推测可以延缓因熔化引起炉管壁减小的速度，从而可达到寿命延长。
在对多个碳钢管组合的板进焊接时，由于在炉壁内侧进行堆焊熔接，所以因进入焊接的热量而产生变形。因此，对焊接后的板要进行去除应力的退火处理。然而，考虑到在工厂内的搬送和部分加工引起的弯曲应力，所以必须开发研制一种焊接材料，除了退火处理去除应力后的弯曲特性优良外，在熔接状态的弯曲特性也应非常优良。
发明公开本发明提供的粉体等离子体堆焊熔接用的粉末材料，它是在抢修锅炉的炉管、炉壁板等耐腐蚀、耐磨损等为目的，而进行的堆焊熔接时，使用高效率焊接法的粉体等离子体堆焊熔接法，其耐腐蚀性和弯曲特性都非常优良。
本发明者们经过深入地研究，结果发现，由含有C0.06～0.15％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～1.0％、Cr17～30％、Nb0.6～1.5％、Ni0.5％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所形成的等离子体堆焊熔接用的粉末材料，使用这种粉末材料的焊接金属具有优良的耐腐蚀性和弯曲特性。
本发明基本上含有17～30％的Cr，由于抢修锅炉的壁厚腐蚀减少量，在热负荷和运行条件下，因在锅炉内的位置发生变化，要重视因腐蚀壁厚急剧减小之处的耐腐蚀性，要使用含Cr量多的材料(以下有时称作25Cr系材料)，在腐蚀壁厚减小不严重的地方，使用Cr含量少的材料(以下有时称作18Cr系材料)，这样可降低成本费用。
即，25Cr系材料，其特征是由含C0.06～0.15％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～1.0％、Cr23～30％、Nb0.6～1.5％、Ni0.5％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所组成。而18Cr系材料，其特征是由含C0.06～0.15％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～1.0％、Cr17～23％、Nb0.6～1.5％、Ni0.5％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所组成。
另外，本发明的粉末材料，并不限于含有上述成份的合金粉末，可以是各构成元素的金属粉末的混合物、多种元素合金粉末的混合物等、最终形成上述组成的金属粉末、合金粉末的组合，对此没有特殊限定。本发明的粉末材料，通常提供将粒径调整到63～500μm的粉体等离子体堆焊熔接，但这种粒径并不对本发明构成限定。
图1是粉体等离子体堆焊熔接装置的基本结构示意图。
图2是粉体等离子体堆焊熔接状况的示意图。
图3是本发明实施例中表面弯曲试验片形状的示意图。
图4是本发明实施例中表面弯曲试验实施要领的示意图。
图5是本发明实施例中腐蚀试验条件的示意图。
图6是本发明实施例中试验材料和基本金属的稀释率的求解方法示意图。
实施发明的最佳形式以下对本发明粉末材料的化学组成和它的限定理由进行说明。
C是形成NbC、TiC等碳化物焊接金属的结晶粒细微化不可避免的元素。C量不足0.06％时，焊接金属的强度不够，因此需含0.06％以上，然而，过多时，焊接金属的组织显著硬化，所以要在0.15％以下。C的最佳范围为0.06～0.12％。
Si是为脱酸而含有的元素，低于0.2％时，得不到良好的脱酸效果。然而，过多时，焊接金属的韧性变坏，所以必须控制在1.0％以下。最佳的Si量为0.3～0.8％。
Mn是脱酸、确保强度、改善韧性效果的元素。然而，低于0.2％时，不能获得有效的脱酸效果，过多时，组织硬化，韧性降低，所以必须控制在1.0％以下，最佳的Mn量为0.3～0.8％。
Cr是确保耐腐蚀性和高温强度的基本成分。如上所述，本发明中，虽然允许含17～30％的Cr，但考虑到腐蚀急剧减少壁厚之处的耐腐蚀性，推荐使用含23～30％Cr的25Cr系材料，考虑到腐蚀壁厚减小比较少的地方，考虑费用和基本金属稀释率时，推荐使用含17～23％Cr的18Cr系材料。
再有，在25Cr系材料中，Cr含量超过27％时，耐腐蚀性大致相当，没有任何提高，所以Cr含量最好为23～17％。在18Cr系材料中，更着重费用时，Cr的上限最好为20％。
Ni和C、Mn一样，是生成奥氏体的元素，在Cr为17～30％范围内时，当Ni加入过量时，会产生马氏体组织，组织硬化，得不到弯曲特性。因此，定在0.5％以下。
Nb与C结合形成细微稳定的析出物(碳化物)，焊接金属的结晶颗粒细微到100μm以下。由于结晶粒的细微化，从而可获得良好的弯曲特性和韧性。Nb和C之比在8-10之间(Nb/C=8-10)，对应于C0.06～0.15％，则Nb量为0.48～1.5％，Nb低于0.6％时，焊接金属的结晶粒不能细微化，也不能获得良好的弯曲特性和韧性，当添加1.5％以上的Nb时，由于大量的C以碳化物形式析出，所以焊接金属中的C量减少，焊接金属的强度也就减小。而没有与C结合的剩余Nb，则存在于焊接金属中，从而这些剩余Nb阻碍了弯曲特性。又，Nb与焊接操作性(熔融池的液体流动、电弧的稳定性等)有关，在添加超过1.5％时，焊接操作性显著降低。
根据以上理由，Nb的含量为0.6～1.5％，最佳的Nb含量为0.7～1.3％。
在以上本发明材料中可含有Al0.03～0.15％，Ti0.08～0.18％中的一种或二种。
Al作为脱酸剂，和Nb一起有助于结晶粒子细微化。但是Al低于0.03％时，焊接金属的结晶粒子粗大化不能获得良好的弯曲特性。另一方面，若超过0.15％，熔融池中的熔渣增多，熔液流动变坏，使焊接操作性恶化，因此定为0.03～0.15％。
Ti和Al一样，起脱酸剂作用，与Nb一起有助于结晶粒微细化。然而，Ti低于0.08％，焊接金属的结晶粒粗大化，不能获得良好的弯曲特性。而Ti超过0.18％时，熔融池中的熔渣增多，使熔液的流动变坏，使焊接操作性恶化。因此，定为0.08～0.18％。
如下述实施例所示，通过复合添加Al和Ti，其效果明显，添加时最好复合添加。
使用上述本发明粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料的焊接金属是由含C0.06～0.15％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～1.0％、Cr17～30％、Nb0.6～1.5％、Ni0.5％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所组成，结晶粒径非常细，在100μm以下，耐腐蚀性优良，弯曲特性也优越。
实施例以下根据实施例说明本发明，以下实施例是对表1所示化学成份的碳钢管(材料STB410、外径φ63.5mm、管厚6.3mm)上，以表2中所示条件，对具有各种化学组成的合金粉末材料进行粉体等离子体焊接，对堆焊熔接后的焊接操作性和表面弯曲试验(弯曲特性)进行评价。利用气体喷雾法获得合金粉末材料。
表1
(重量％)表2
焊接操作性的评价是对电弧的稳定性、焊道形状、熔渣的剥离性，产生喷溅的状况等各项目进行评价，具有总的良好焊接操作性时，以O表示，除此之外不好时，以X表示。
表面弯曲试验，是切割成如图3所示形状的试验片，如图4所示，根据JIS Z2248“金属材料弯曲试验方法”使焊接金属在像形成拉伸一侧那样进行表面弯曲试验。在图3和图4中，符号21表示基本金属、符号23表示堆焊熔接金属、符号25表示支点、符号27表示按压金属。试验是在D=2R+4t的条件下进行(D支点间距离、R按压金属端部的半径、t壁厚)。另外，考虑到焊接后的热应力、炉管板搬运时的弯曲应力、炉底部处板的弯曲加工等，在焊接下弯曲角度在60°以上为合格。
实施例1使用表3所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)，按以上所述实施粉体等离子体堆焊。各种评价、试验的结果示于表3。
表3 ·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
表3中No.1-1～No.1-5的试验用材料是满足本发明规定的必要条件的实施例，在焊接操作性和弯曲特性方面获得良好的结果。与此相反，No.1-6～No.1-13是缺少本发明某一规定的必要条件的比较例。No.1-14是下述腐蚀试验中使用的SUS 304比较基本金属材料，No.1-15是以前的18Cr堆焊材料(MAG焊接线的完全熔接金属成分)。
No.1-6，C含量为0.17％超过本发明上限，所以焊接金属组织明显硬化，缺乏弯曲特性。
No.1-7，Si含量为1.40％，超过本发明的上限，所以韧性降低，缺乏弯曲特性。
No.1-8，Mn含量为1.51％超过本发明的上限，由于焊接金属组织硬化，韧性降低，结果弯曲特性缺乏。
No.1-9，虽然焊接操作性、弯曲特性达到了满意的结果，但，由于Cr含量低，在下述腐蚀试验中，却没能达到耐腐蚀性的目标。
No.1-10和No.1-11，Ni含量都超过本发明的上限，组织明显硬化，没有良好的弯曲特性。
No.1-12，Nb含量为0.42％在本发明的下限值以下，结晶颗粒粗大化，得不到良好的弯曲特性。No.1-13，刚好相反，Nb含量为1.70％超过本发明的上限，焊接中产生大量的烟雾(ヒユ-ム)，同时焊接操作性明显降低。
对以上试验材料No.1-1，1-3，1-14和1-15进行腐蚀试验和稀释率的评价，腐蚀试验，如图5所示，将试验材料35在坩埚31内的粉碎熔化液33中浸渍，在400℃下通入100小时的试验气体(1％SO2-2％O2-15％CO2-N2平衡量)，随后测定腐蚀壁厚减少量。在腐蚀试验时，作为附着在试验材料35上的附着灰，使用由实验机采取的熔化液。稀释率，如图6所示，在试验材料的断面中，向基本材料41中扩散的焊接金属43的面积b与基本金属41上的焊接金属43的面积a和面积b之和的比率，利用下式求得。 表4中示出了腐蚀试验结果和稀释率，通过与基本金属的稀释，一层堆焊熔接金属中的Cr量降低了，No.1-1和No.1-3，各自的Cr量分别为14.6％，16.0％。使用以前的18Cr堆焊材料的No.1-15，由于是MAG焊接法，所以稀释率比粉体等离子体堆焊熔接法更大，一层堆焊熔接金属中的Cr量达到14.0％。
表4
()内为板材中的Cr％使用本发明材料的No.1-1和No.1-3的腐蚀壁厚减少量，具有的耐腐蚀性和以前的18Cr焊接材料大致相等。
壁厚腐蚀减少量取决于Cr量，可以认为，即使增加或减少其它元素，壁厚腐蚀减少量都不会变化，因此，以后的实施例中，虽然添加了Al，Ti，但可以断定添加这些元素都没有使耐腐蚀性发生变化。
如上所述，本发明提供了一种以前没有的优良粉体等离子体堆焊熔接材料，作为其结果，在抢修锅炉的炉蒸发管的堆焊熔接施工中都能达到很高的效率，同时，与以前的MAG焊接法相比，能进行稀释率小的高质量堆焊熔接施工，所以延缓了熔化引起炉管壁厚减少的速度，可使寿命延长。
实施例2使用表5所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表5中。
表5中的No.2-1到No.2-5的供试验用材料是满足本发明规定必要条件的实施例。在焊接操作性和弯曲特性方面都获得了良好的结果。与此相反，No.2-6，Al含量低于本发明的下限，所以结晶颗粒显著粗大化，得不到良好的弯曲特性。而No.2-7，Al含量超过上限，熔融池中的熔液流动性恶化，因此，焊接操作性恶化。
表5 ·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
实施例3使用表6中所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表6。
表6中No.3-1～No.3-5的供试验用材料是满足本发明规定必要条件的实施例，焊接操作性和弯曲特性都获得良好的结果。与此相反，No.3-6，Ti超过上限，熔渣量增多，熔融池中的熔液流动恶化，因此，焊接操作性恶化。
表6 ·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
实施例4
使用表7中所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)，进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表7。
表7中No.4-1～No.4-5的供试验用材料是满足本发明规定必要条件的实施例，所有的表面弯曲角度都是180°，显示出良好的弯曲特性。
表7 ·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
将本实施例4与实施例2(添加Al)和实施例3(添加Ti)进行比较，复合添加Al和Ti时，与分别单独添加时相比，在表面弯曲试验中，获得了更良好的弯曲角度。
No.4-6，Al超过了上限，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。No.4-8，Ti超过了上限，熔渣量很多，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。
实施例5使用表8所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表8。对于任何一个试验材料，都进行和实施例1同样的腐蚀试验和稀释率的评价。
表8中的No.5-1～No.5-5供试验用材料是满足本发明规定的必要条件的实施例，焊接操作性和弯曲特性都获得良好的结果。与此相反，No.5-6～No.5-13，是缺少本发明某一个规定的必要条件的比较例，No.5-14是在腐蚀试验中使用了SUS 310比较基本金属。No.5-15是使用了SUS 304比较基本金属，No.5-16是使用了以前的18Cr堆焊材料(MAG焊接线的完全熔接金属成分)。
表8 ·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
表9中示出了腐蚀试验结果。通过和基本金属的稀释，一层堆焊熔接金属中的Cr量降低了，No.5-1和No.5-3的一层堆焊熔接金属中的Cr量分别为21.2％、22.0％。
根据表9，本发明材料No.5-1和No.5-3的一层堆焊熔接金属的耐腐蚀性与SUS 310(25Cr-20Ni)比较基本金属大致相等，与No.5-16的以前18Cr熔接材料的焊接金属相比，具有优良的耐腐蚀性。
表9
()内为板材中的Cr％壁厚腐蚀减少量取决于Cr量，可以认为，即使增加或减少其它的元素，壁厚腐蚀减少量都不会变化，因此，在以后的实施例中，虽然添加了Al、Ti，但可以断定，这些元素的添加都没有引起耐腐性的变化。
如上所述，本发明提供了一种以前没有的优良粉体等离子体堆焊熔接材料。作为结果，在抢修锅炉的炉蒸发管的堆焊熔接施工中都能获得很高的效率，同时，与以前的MAG焊接法相比，可进行稀释率小的高质量堆焊熔接施工。由于耐腐蚀性比当前的18Cr堆焊材料更加优良，所以延缓了熔化引起炉管壁厚减少的速度，使寿命延长。
实施例6使用表10中所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)，进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表10。
表10中的No.6-1～No.6-5所供试验用材料是满足本发明规定的必要条件的实施例，焊接操作性和弯曲特性都获得良好的结果。与此相反，No.6-6，Al含量低于本发明的下限，所以结晶颗粒显著粗大，得不到良好的弯曲特性。No.6-7，Al超过上限，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。
表10
·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
实施例7使用表11中所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表11。
表11中的No.7-1～No.7-5所供试验用材料是满足本发明规定的必要条件的实施例，焊接操作性和弯曲特性都获得良好的结果。与此相反，No.7-6，Ti超过上限，熔渣量增多，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。
表11
·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
实施例8
使用表12中所示化学组成的合金粉末材料(粒径63～500μm)，进行粉体等离子体堆焊。各评价和试验结果都示于表12。
表12中的No.8-1～No.8-5的所供试验用材料是满足本发明规定的必要条件的实施例，所有的表面弯曲角度都是180度，表明优良的弯曲特性。
表12
·化学成分Fe平衡量·焊接性良好的为○，不好的为×。表面弯曲在60°以上为合格。
将本实施例8与实施例6(添加Al)和实施例7(添加Ti)进行比较，复合添加Al和Ti比分别单独添加时的表面弯曲试验获得更良好的弯曲角度。
No.8-6，Al超过上限，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。
No.8-8，Ti超过上限，熔渣量增多，熔融池中的熔液流动变坏，因此，焊接操作性恶化。
工业中的应用性如以上说明，根据本发明，可获得耐腐蚀性和弯曲特性都很优良的粉体等离子体堆焊熔接金属。
权利要求
1．一种粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，由含C0.06～0.15重量％、Si0.2～1.0重量％、Mn0.2～1.0重量％、Cr17～30重量％、Nb0.6～1.5重量％、Ni0.5重量％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所组成。
2.根据权利要求1记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Cr含量17～23重量％。
3．根据权利要求2记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Al含量为0.03～0.15重量％。
4．根据权利要求2记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Ti含量为0.08～0.18重量％。
5．根据权利要求2记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Al含量为0.03～0.15重量％，Ti0.08～0.18重量％。
6．根据权利要求1记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Cr含量23～30重量％。
7．根据权利要求6记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Al含量0.03～0.15重量％。
8．根据权利要求6记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Ti含量是0.08～0.18重量％。
9．根据权利要求6记载的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料，其特征是，Al含量为0.03～0.15重量％，Ti含量为0.08～0.18重量％。
10．一种粉体等离子体堆焊熔接金属，其特征是，由含C0.06～0.15重量％、Si0.2～1.0重量％、Mn0.2～1.0重量％、Cr17～30重量％、Nb0.6～1.5重量％、Ni0.5重量％以下，其余为Fe和不可避免的杂质所组成，结晶粒径在100μm以下。
全文摘要
一种耐腐蚀性和弯曲特性都优良的粉体等离子体堆焊熔接用粉末材料是由含C:0.06—0.15(重%,以下同)、Si:0.2—1.0%、Mn:0.2—1.0%、Cr:17—30%、Nb:0.6—1.5%、Ni:0.5%以下,其余为Fe和不可避免的杂质所组成。
文档编号C23C4/08GK1287518SQ99801813
公开日2001年3月14日 申请日期1999年10月12日 优先权日1998年10月13日
发明者松井正数, 纳富启, 西尾敏昭, 前田隆之, 石原岩见, 山口哲治, 鬼束义美, 小岛雄一, 三木良治, 稻见孝 申请人:三菱重工业株式会社