专利名称：一种用于通过埋弧焊形成表面覆层的金属粉末的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于埋弧焊的金属粉末。具体而言，本发明涉及通过埋弧焊法在一种金属基体上形成表面覆层的高合金金属粉末的应用。
埋弧焊(SAW)方法是一种著名的方法，其原理例如在第4版(1958)的焊接手册的第二部分的第28章“焊接工艺”中作了描述，在此引入作为参考。
目前，SAW法被认为是一种非常合理的焊接和表面涂覆方法。尽管这一方法非常合理，但仍有必要提高其生产率。提高生产率的一种方法是使用配合有高电流强度的多丝设备。另一种方法是在整个焊接过程中，向焊接接头处仔细添加精确量的金属粉末。所述金属粉末可以或着采用“前向布料”方式添加，所述“前向布料”指的是将粉末添加于焊剂和焊丝的前面，或着采用“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着于焊丝上。目前所用的金属粉末基本上是不合合金的金属粉末，而最终的焊接接头所要求的元素及其组成则由含有大量合金元素的焊丝或焊条芯决定。
根据本发明，现已发现，应用一种预合金化的雾化的含有大量合金元素的金属粉末，再结合使用至少一种由不含合金的或低合金的熔化焊丝或焊芯，可使SAW法得以改进。所述粉末必须经过预合金化，否则，就不可能获得一均质覆层。另一个重要特点是所述粉末被添加在SAW法所用焊丝的外面或着独立于焊丝添加。
当根据本发明的方法用于金属基体如低合金钢基体的表面涂覆，而对所述基体必须进行涂覆以提高其硬度、强度、抗氧化性和耐磨性时，这种方法具有尤其重要的优势。目前应用的涂覆方法所存在的问题包括低的生产率和在金属基体表面相对高的稀释。高稀释的后果之一是为了获得一具有所要求的组成和性能的表面覆层，就需要几层覆层和大量的合金材料。总之，这就意味着采用目前应用的方法来获得被涂覆的基体非常昂贵且生产率低下。
美国专利2810063公开了一种方法，其中将一种金属粉末用于埋弧焊。该专利中特别使用的粉末包括与一种软铁粉末和硅酸钠结合使用的铬铁、锰铁和钼铁。这一专利的一个显著特点是存在有为使合金元素通过磁力附着于焊条或焊丝上所必须的铁粉末。然而，这会遇到由这些粉末所得到的表面覆层的均匀性问题，因为所述粉末混合物的不同组分很容易发生偏析。
这一缺点实际上使得该美国专利的方法在要求高度均匀性的工业应用场合成为不可接受的，但通过应用一种根据本发明的预合金化的金属粉末可以避免这一缺点。
一种与美国专利2810063相似的方法在美国专利2191471中作了公开。
通过应用一种根据本发明的预合金化的金属粉末，已发现，不仅能够获得非常的均匀的组织，而且显微组织变得更细小。结果，减小了覆层中存在微裂纹的危险，而且强度更高。通过单独提供预合金化的粉末即采用前向布料法添加粉末，或着在焊条的外表提供预合金化的粉末，即采用通过磁力附着于焊条外部添加粉末的方式，熔化的基体表面得以有效地冷却，使熔池得以减小。由于合金元素被稀释的程度不如当大部分合金元素包含在熔融焊丝或焊芯中时被稀释的程度大，这样，就可以减少贵重合金元素的量。另外一个优点是堆焊或涂覆速度能够得以增加。结果，已发现，对于一给定的待涂覆面积而言，其生产率是应用明弧焊时的三倍。与焊条材料含相当高的合金而金属粉末基本不含合金的传统的SAW法的覆层相比，本发明的改进程度约50％。
对金属粉末的类型和数量加以选择，以使所述粉末与焊丝结合，来提供基体覆层所要求的组成。所述粉末可以是磁性粉末或着非磁性粉末，它可以从各种能够得到的粉末中加以选择。如果粉末是磁性的，它可以与(磁性)焊丝一起并固定于其上，被添加或运送至基体上。磁性粉末尤其优选用于涂覆轧辊。如果是非磁性，则将所述金属粉末直接布料于基体上的熔池或其前面。
一个基本的特征是所述粉末是预合金化的并含有大量的合金元素，这在本文中意味着粉末中的合金元素的量比焊丝高。为达到效果，合金元素的量应至少为粉末重量的2％。金属粉末中合金元素的量以及金属粉末的布料方式和焊丝均需根据基体最终覆层要求的组成加以选择。粉末的添加量通常为总的填料金属，即金属粉末和焊丝的30-80％。通过使用气雾化的或水雾化的预合金粉末，能够获得高度精确的覆层组成。
铁基粉末中适当的合金元素实例是Cr,Ni,Mo,Mn,V,Nb,Si,N,C,Co,Ti和W。
一种非常适于根据本发明的表面覆层的高合金铁基粉末的一个实例是一种基本上具有如下组成的粉末，铁和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。
所述合金元素的量优选为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。
更具体而言，该粉末可包含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。
根据本发明，另一有意义的可用粉末组成为一种铁基粉末，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。
根据本发明，熔化焊丝的主要目的是为熔化金属粉末和基体表面提供充分的热量。一个特别的优点是，如果与具有不同合金元素的不同类型的金属粉末一起使用，则同一种焊丝能够用于获得不同类型的覆层。
当焊丝为铁基时，其可以是不含合金的或低合金的焊丝，例如根据DIN8557的S1或S2。然而，所有不含合金的或低合金的焊丝，包括金属焊芯和粉芯焊丝，即管状焊丝，都可用于本发明。
通过上述联合使用焊丝和金属粉末，在同样的时间内，有可能比应用传统的涂覆方法在金属基体上施加更多的覆层材料。另一优点是有可能当覆层较薄时就获得正确的表面覆层组成，这意味着贵重的覆层材料能够得到相当多的节约。
根据本发明，焊丝与粉末之比值可优选在2.33和0.25间变化。最优选该比值小于1.5。
金属基体基本上可以有任何形式，而且根据本发明的涂覆方法只是受到实际条件的限制。典型的基体可以是低合金钢或工具钢，即基体的化学组成可以在很宽范围内变化。
本发明的方法中所用焊剂优选是一种不含合金的碱性焊剂。
借助下面的实施例对本发明作进一步说明实施例1基体轧辊(直径227mm，长305mm)，其周向旋转速度为21cm/min。
电源650A,32.2V双弧焊OK1220S2，直径2.5mm，由瑞典的ESAB AB购得。
金属粉末x:345-4焊剂不含合金的碱性焊剂。
将一种磁性的雾化的具有表中所示组成的预合金化的铁粉末，以15.0kg/h的速度添加和将焊丝以9.5kg/h的速度添加，这意味着以24.5kg/h的速度形成所要求涂层，从而获得一具有所要求组成的最终厚3mm的覆层。所述粉末借助磁力附着于焊丝的外部。覆层的宽度在这种情况下是55mm。这一速度应该与类似应用带状、丝状等形式的高合金涂覆材料而没有外部金属粉末添加的SAW法的传统覆层方法的速度相当。由于大量的基体材料被熔化，根据已知的SAW法，只有约10kg/h的覆层材料添加至基体表面，因此，由于稀释程度高，必须涂覆几层才能获得所要求的表面覆层组成。
下表1示出了所要求的覆层组成，焊丝组成，金属粉末的组成以及由所述轧辊切下的试样的最终组成。
表1
实施例2用一种N合金化粉末重复实施了实施例1的方法。在本实施例中，要求以13.8kg粉末/h和9.5kg焊丝/h的速度分别添加粉末和焊丝，以获得所要求的覆层，结果列于下面的表2中。
表2
<p>实施例3用具有表3所示组成的磁性的合金化粉末重复实施根据实施例1的方法。在本实施例中，使用的是一直径4.0mm的单弧S2。
以8kg粉末/h的速度将粉末直接添加，即借助磁力附着于焊条的外部。在基体板上，并以8.4kg/h的速度将所述粉末前向布料于基体板上。
对于直接布料和前向布料，焊丝的进给速度均为8kg/h。
结果列于下面的表3中。
表3
1)粉末施加于焊条的外部2)采用前向布料
权利要求
1．一种雾化的预合金化的含有大量合金元素的金属粉末的应用，该金属粉末在埋弧焊(SAW)方法中，被单独添加至一金属基体上或被添加在熔化的、可消耗的焊丝或焊条芯的外部。
2．根据权利要求1的粉末的应用，其中所述粉末为一种铁基粉末。
3．根据权利要求1或2的粉末的应用，其中所述粉末是经气雾化或水雾化处理的。
4．根据权利要求1-3中任一项的应用，其中所述的熔化焊丝或焊条芯基本上由一种不含合金的或低合金的金属构成。
5．根据权利要求4使用，其中所述的焊条金属是不合合金的或含合金量低的铁。
6．根据权利要求1-5中任一项的粉末的应用，其中可消耗焊条与粉末之比在2.33和0.25之间，优选小于1.5。
7．根据权利要求6的应用，其中所述的粉末中合金元素的量至少为2wt.％。
8．根据权利要求1-7中任一项的粉末的应用，其中所述的合金元素选自Cr,Ni,Mo,Mn,V,Nb,Si,N,C,Co,Ti和W.
9．根据权利要求8的应用，其中所述的量，以wt.％计，为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．根据权利要求8的粉末的应用，其中所述粉末基本上由铁和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组成。
11．根据权利要求9的粉末的应用，其中所述粉末由一种铁基粉末组成，该粉末包含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．根据权利要求11的粉末的应用，其中所述粉末由一种铁基粉末组成，该粉末包含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．根据前述权利要求中任一项的应用，其中所述粉末是磁性的。
14．根据权利要求1-13中任一项的、一种用于在金属基体上形成表面覆层的粉末的应用。
15．按照基于上述权利要求的应用的SAW法对金属基体进行覆层的一种方法。
全文摘要
本发明涉及一种在SAW法中,与至少一种熔化焊丝相结合的预合金化的雾化粉末的应用。该焊丝是一种不含合金的或低合金的金属焊丝,所述金属粉末是一种比焊丝含有更多合金元素的金属粉末。
文档编号B23K9/18GK1233203SQ9719879
公开日1999年10月27日 申请日期1997年9月23日 优先权日1996年9月23日
发明者H·哈伦, K－E·约翰森 申请人:赫加奈斯公司