专利名称：制造具有耐磨涂层表面区域的复合产品的方法，所述产品，和钢材料用于获得所述涂层的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造复合产品的方法，所述复合产品包括赋予该产品所需强度/耐受性的第一金属材料的基底和施加在该基底的表面区域上的耐磨的钢材料涂层。本发明还涉及复合产品，所述复合产品包括赋予该产品所需强度/耐受性的第一金属材料的基底和施加在该基底的表面区域上的耐磨的钢材料涂层。此外，本发明涉及具有一定组成的粉末冶金制造的钢材料的用途。
现有技术在现有技术中经常存在无法通过单一材料实现的需求。例如，可能同时要求不相容的延展性/韧性和耐磨性。为了实现这样的要求可使用所谓的复合产品，其中相同或不同材料的两种或若干主体通过热等静压加工结合。基底赋予该产品所需的强度/耐受性同时该基底的表面区域具有赋予所需耐磨性的涂层。这样的复合产品已经在例如还要求耐蚀性的海上工业、食品工业、加工工业和制浆工业中，如阀、泵和连接设备(attachment device)中普遍使用。例如，通常在核电厂中用于控制蒸汽流和水流的阀包括通过与合金焊合在AISI 316L(即用于压力容器的不锈钢)基底结构上构成的阀组件。使用中，阀的密封表面由于高的表面压力和组件之间的相对运动经历轻微的磨料磨损并且也经历冷焊，称作金属磨损 (galling)，这使得必须定期进行研磨、补焊或更换阀形式的维护。构成阀中密封表面的合金钢通过如下限定-易生产性(producability)-阀构造中的相容性-摩擦值_金属磨损行为-耐磨性_延展性/韧性-温度稳定性-耐蚀性-耐刻痕性(即硬度)-机加工性、可磨性和抛光性-辐射活性例如，在核电工业的阀中，合金Stellite 6 (Deloro Stellite公司的商标)通常为耐磨材料的标准材料。Stellite 6为Co-Cr合金，其具有1. 3% C、l. Si、0. Mn,30% Cr,2. 3% Ni、0. 1% Mo,4. 7% ff,2. 3% Fe且余量为Co。通过人工金属电弧焊将 Stellite 6施加在基底上，其中用高体积的铬碳化物形成树枝状奥氏体Co-基体，所述铬碳化物不均勻地分布在所述基体中。通过焊接形成的Stellite 6的涂层由于焊接过程期间或操作期间出现的应力而可能从开始就已经导致或在操作期间导致密封表面中的宏观开裂(cracking)。这样，将出现由于金属磨损引起的稳定性降低和泄漏，这导致在具有严格的安全性要求的环境中的维护需求增加。通过焊接形成的更佳的涂布是借助Stellite 6 的粉末使用激光焊接或等离子体焊接，其中使裂纹和缺陷最小化。已证实Stellite合金的摩擦系数取决于操作期间的温度和压力而变化。在低的操作温度( 20°C )和低压(< 60MPa)下，摩擦系数是相当高的( 0. 55至0. 60)，而在高于100到200MPa的高压和高于50°C到80°C的操作温度下，摩擦系数明显较低( 0. 25)。 这以如下方式进行解释在重负荷的第一步中，发生Stellite 6的变形淬硬，其中发生从提供高摩擦的面心立方(FFC)晶体结构到六方密堆积(HCP)晶体结构的相转变。在第二步中，在表面上发生层的改变，使得一些HCP基层变为与表面平行，并且以这种方式产生其中容易出现剪切的结构。在较低的压力下，第二步不发生。Stellite 6在许多方面都是优异的材料，但是其在沸水反应器中促进提高初级回路(primary circuit)中本底辐射的水平。这取决于以下事实磨损和腐蚀释放同位素59Co 的离子，该离子在其流过初级回路时通过中子俘获激发为放射性同位素6°Co，而当6tlCo分解为59Co时发射危险的γ辐射。由于这种缺点，近些年来已进行研究以开发具有良好的耐磨性和耐蚀性并因此适合用于放射性环境的不含Co的合金。例如在US4，803，045中描述了这样的不含Co的合金，其可通过焊接施加并具有以下组成，以重量％计
权利要求
1.制造复合产品的方法，所述复合产品包括赋予所述产品所需的强度/耐受性的第一金属材料的基底和施加在该基底的表面区域上的耐磨的钢材料涂层，特征在于以下步骤 -以粉末冶金方式制造耐磨的钢材料，该耐磨的钢材料具有以重量％计的以下组成CSiMnCrNiMo+l/2WCoSN0.01-20. 01-3. 00. 01-10. 016-33最大50. 01-5. 0最大9最大0.50. 6-10而且，(V+Nb/2)为0. 5-14，其中一方面N的含量与另一方面(V+Nb/2)的含量彼此平衡，使得所述元素的含量在其中N的含量为横坐标且V+Nb/2的含量为纵坐标的垂直平面坐标系中的范围A’、B’、G、H、A’内，并且其中所述点的坐标如下A，B，GHN0. 61. 69. 82. 6V+Nb/20. 50. 514. 014. 0并且Ti、&和Al中任一个最大为7 ；余量基本上只有铁和不能避免的杂质；-将所述耐磨的钢材料施加到所述基底的所述表面区域上；和-将具有所述涂层的所述基底热等静压加工为完全致密体或至少接近完全致密体。
2.权利要求1的方法，特征在于其还包括-将具有所述涂层的所述基底包在包套中；-排出所述包套中的气体，并且在热等静压加工之后；-除去覆盖所述耐磨的钢材料的包套或所述包套的至少一部分。
3.权利要求2的方法，特征在于将所述第一金属材料的插入物置于所述包套中，并且将所述耐磨的钢材料的粉末施加到该插入物的所述表面区域上，并此后将该包套密封。
4.权利要求1的方法，特征在于将所述耐磨的钢材料的粉末施加到所述第一金属材料的插入物的表面区域上，以及将罩状包套布置成包住所述粉末并朝着所述插入物侧焊接， 所述插入物已经至少在一定程度上完全机加工。
5.权利要求2的方法，特征在于通过使所述耐磨的钢材料的粉末中的粉末颗粒结合来制造所述耐磨的钢材料的中间产物，并且将该中间产物施加到所述第一金属材料的插入物上，随后将所得单元包在包套中。
6.权利要求5的方法，特征在于所述中间产物具有条带、环或圆盘的形状。
7.权利要求5或6的方法，特征在于所述粉末颗粒通过热等静压加工结合。
8.权利要求2 7中任一项的方法，特征在于所述两种钢材料通过包套壁保持分开以避免容易移动的合金元素，例如C或N在所述耐磨的钢材料与所述第一金属材料之间的有害扩散。
9.权利要求8的方法，特征在于所述包套壁主要由镍或蒙乃尔合金组成。
10.权利要求2的方法，特征还在于所述第一金属材料由置于所述包套中的粉末组成。
11.权利要求2的方法，特征在于所述包套为第一包套，第二包套填充有所述第一金属材料、即所述基底的粉末，以及将该第二包套密封和置于所述第一包套中，将所述耐磨的钢材料的粉末填充到所述第二包套中使得其布置成朝向与所述基底的至少所述表面区域连接的所述包套壁，随后将所述第一包套密封。
12.权利要求1 11中任一项的方法，特征在于所述耐磨的钢材料的粉末通过解碎具有该耐磨的钢材料的除氮以外的所示组成的熔体而制造，所述解碎通过使惰性气体、优选氮气吹过所述熔体的射流来进行，该熔体的射流分裂为容许固化的液滴，随后使所得粉末经历固相氮化至所示的氮含量。
13.权利要求1 12中任一项的方法，特征在于所述热等静压加工在1000 1350°C， 优选1100 1150°C的温度和IOOMpa的压力下进行3小时。
14.权利要求1 13中任一项的方法，特征在于所述步骤之后进行软退火、机加工为所需的尺寸和热处理。
15.权利要求1 14中任一项的方法，特征在于所述涂层具有0.5 1000mm，优选 0. 5 50mm，甚至更优选0. 5 30mm的厚度。
16.权利要求1 14中任一项的方法，特征在于所述涂层具有0.5 10mm，更优选3 5mm的厚度。
17.权利要求14的方法，特征在于所述热处理通过以下进行从950°C 1150°C的奥氏体化温度淬硬和在200°C 450°C低温回火2X2小时，或者在450°C 700°C高温回火 2X2小时。
18.权利要求1 17中任一项的方法，特征在于在所述耐磨的钢材料中包括含量以重量％计的以下元素元素CSiMnCrMoVN最小0. 100. 010. 0118. 00. 012. 01. 3指导值0. 200. 300. 3021. 01. 32. 852. 1最大0. 501. 51. 521. 52. 54. 03. 0
19.权利要求1 17中任一项的方法，特征在于V的含量为2.5 3. 0重量％且N的含量为1.3 2.0重量％。
20.权利要求1 17中任一项的方法，特征在于在所述耐磨的钢材料中包括含量以重量％计的以下元素元素CSiMnCrMoVN最小0. 100. 010. 0118. 00. 017. 52. 5指导值0. 200. 300. 3021. 01. 39. 04. 3最大1. 51. 51. 521. 52. 5116. 5
21.权利要求1 17中任一项的方法，特征在于在所述耐磨的钢材料中，碳以0. 1 2重量％的含量存在，氮以最高达约10重量％的含量存在，并且钒以最高达约14重量％的含量存在。
22.复合产品，其包括赋予所述产品所需的强度/耐受性的第一金属材料的基底和施加在该基底的表面区域上的耐磨的钢材料的涂层，特征在于-其包括用于耐磨表面的基底，其中所述基底具有第一组成；-所述耐磨表面包括具有第二组成的耐磨的钢材料，所述耐磨的钢材料包含，以重量％计
23.权利要求22的复合产品，特征在于-所述耐磨的钢材料通过热等静压加工施加到所述基底上，其中获得紧密的产品；-将所述紧密的产品机加工为所需尺寸；并且-将其通过以下进行热处理从950°C 1150°C的奥氏体化温度淬硬和在200°C 450°C低温回火2X2小时，或者在450°C 700°C高温回火2X2小时。
24.权利要求22或23的复合产品，特征在于在所述耐磨的钢材料中包括含量以重量％ 计的以下元素
25.权利要求M的复合产品，特征在于V的含量为2.5 3. 0重量％且N的含量为 1. 3 2. 0重量％。
26.权利要求22或23的复合产品，特征在于在所述耐磨的钢材料中包括含量以重量％ 计的以下元素
27.权利要求22或23的复合产品，特征在于在所述耐磨的钢材料中，碳以0.1 2重量％的含量存在，氮以最高达约10重量％的含量存在，并且钒以最高达约14重量％的含量存在。
28.权利要求22 M中任一项的复合产品，特征在于所述基底的金属材料耐受 1100 1150°C的热等静压加工并且对于热加工而言与所述耐磨的钢材料相容。
29.权利要求观的复合产品，特征在于其由阀中经历磨损的组件组成，并且所述基底的材料由用于压力容器的钢组成。
30.权利要求四的复合产品，特征在于所述耐磨的钢不含故意添加的钴并形成核电厂的阀中组件的耐磨表面，所述组件经历磨损，其中所述基底的材料具有对应于AISI 316L 的组成。
31.权利要求观的复合产品，特征在于其为磨损组件、泵部件、发动机组件、辊或具有耐磨材料的耐磨表面的其它组件，并且在这样的应用中，整个组件并不是都由所述耐磨的钢材料组成。
32.权利要求22的复合产品，特征在于所述涂层具有0.5 1000mm，优选0. 5 50mm， 甚至更优选0. 5 30mm的厚度。
33.权利要求23的复合产品，特征在于所述涂层具有0.5 10mm，更优选3 5mm的厚度。
34.钢材料用于获得金属材料的基底上的耐磨表面区域的用途，所述钢材料以粉末冶金方式制造，并具有以重量％计的以下组成
35.权利要求34的用途，特征在于所述阀为核电厂中的阀，优选核电厂的初级回路中的阀。
全文摘要
耐磨的钢材料，其以粉末冶金方式制造，其具有以重量％计的以下组成和此外0.5～14的(V+Nb/2)，其中一方面N的含量和另一方面(V+Nb/2)的含量彼此平衡使得所述元素的含量在其中N的含量为横坐标且V+Nb/2的含量为纵坐标的垂直平面坐标系中的范围A、B、G、H、A内，并且其中所述点的坐标如下而且Ti、Zr和Al中任一个最大为7；余量基本上只有铁和不能避免的杂质。这种钢对于在金属材料的基底上通过该基底钢材料的热等静压加工得到耐磨的表面区域而言是优异的。特别是当耐磨的钢不含Co时，所得复合体特别适合用于例如核电厂的阀。
文档编号B22F3/15GK102271843SQ200980153898
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月3日 优先权日2008年11月6日
发明者奥德.桑德伯格 申请人:尤迪霍尔姆斯有限责任公司