專利名稱：耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，尤指一種可確實(shí)解決于高溫金屬與金屬磨耗的環(huán)境中，二對(duì)磨物體所產(chǎn)生的燒附現(xiàn)象及降低由加焊硬面熔接法所產(chǎn)生的焊痕于研磨過程中所造成的影響，而不僅使研磨的效果佳，且避免被研磨物表面受傷而形成次級(jí)品。
目前所使用的加焊硬面熔接法有多種，如瓦斯熔接、包覆電弧熔接、潛弧熔接、鈍氣電弧熔接等，各種熔接法各有其特色，因此可視欲施行之處及條件而作選擇，然除了依所需而選用不同的熔接法外，更須考量磨耗的種類、加焊硬面熔接的母材及加焊硬面用的焊材等等因素。
以上述制鋼工廠的熱軋制程來論，其磨耗的種類即屬金屬間滑動(dòng)的高應(yīng)力磨耗，此磨耗是因金屬間相接觸而引起的現(xiàn)象，使金屬表面的微小突起面凝著，而較軟的金屬即被拉裂而發(fā)生磨耗，而于滑動(dòng)磨耗產(chǎn)生時(shí)，磨耗面間的接觸壓力為可承受磨耗的金屬硬度三分之一以下時(shí)，磨耗通常較小，因此硬度越高的金屬，其耐磨耗性越優(yōu)良，但若磨耗面間的接觸壓力為硬度的三分之一以上時(shí)，塑性域擴(kuò)大到磨耗面使磨耗量急增，而在此狀態(tài)時(shí)，接觸壓力大于磨耗金屬的降伏壓力，故會(huì)造成磨耗面的塑性變形，增加磨耗面間的實(shí)質(zhì)接觸面積。
因此于熱軋制程中，欲進(jìn)行輥輪的加焊硬面熔接法，即須顧及輥輪與鋼帶間因金屬間滑動(dòng)的高應(yīng)力磨耗，因此焊接合金材料進(jìn)行焊接程序后所形成熔金組織，可具備一定的硬度，乃是必要的要求，而除了此要求外，于滑動(dòng)磨耗中易產(chǎn)生的燒附(heat adhesion)現(xiàn)象，也是須待改善的，尤其在磨耗的二金屬面是屬同一類材料時(shí)，此燒附的情形更是明顯，再者，于進(jìn)行加焊硬面熔接法時(shí)，是以多道焊接的方式進(jìn)行，因此焊道中間的組織與焊道間交界，即熱影響區(qū)的組織有明顯不同，若未經(jīng)適當(dāng)制程處理，會(huì)于交界處即會(huì)形成焊痕，而當(dāng)輥輪與鋼帶間的接觸壓力較大時(shí)，焊痕及燒附會(huì)更加明顯，而影響研磨后的鋼帶表面。
因在上述種種因素下，熱軋制程中，對(duì)于輥輪加焊硬面熔接法中所選用的焊接合金材料有所選擇，希能達(dá)到上述高硬度、避免燒附現(xiàn)象及減少焊痕的目的，而于目前市售的主要產(chǎn)品，為類似ASTM H12的熱作工具鋼焊材，該焊材ASTM H12的化學(xué)成分為“C0.3～0.4％，Cr4.75～5.5％，Mo1.25％～1.75％，V0.2～0.5％W1.0～1.7％”。
當(dāng)焊接完后，并施以500℃的應(yīng)力消除回火，一般而言，上述材料并無法完全滿足使用上的需求，主要原因?yàn)樯鲜霾牧吓c制程的配合，并無法完全消除熱影響區(qū)組織差異的問題，而造成此差異的原因，是因熔接金屬受到下一焊道熱的影響，而在熱影響區(qū)產(chǎn)生不同形狀的網(wǎng)狀組織，如圖3所示，即為上述材料于焊接后于熱影響區(qū)產(chǎn)生不同形狀網(wǎng)狀組織的顯微組織照片，故導(dǎo)致于交界處的耐磨耗性及耐蝕性與其他部份相異，此即為造成焊痕主要原因之一。
為解決上述問題，本發(fā)明者乃思及應(yīng)就焊接材料進(jìn)行開發(fā)，并提供可與新材料搭配的焊接制程條件，而解決目前輥輪進(jìn)行加焊硬面熔接法時(shí)所存在的問題。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的另一主要目的，是將本發(fā)明的合金材料欲焊接時(shí)先進(jìn)行300℃～400℃的預(yù)熱及層溫程序，焊后再施以550℃～600℃間的回火處理，使不同網(wǎng)狀組織的硬度差低于0.5HRC，并防止焊痕發(fā)生。
本發(fā)明一種耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，該焊接合金材料的化學(xué)成份重量百分比范圍為″C0.1～0.25％、Si0.2～1.5％、Mn0.6～3.0％、Cr2.5～4.5％、Ni2～4.5％、Mo1.8～3.5％、W～3.5％、V～1％、Nb～0.5％″組成。
其中該合金材料所配合的制程，可于焊接時(shí)先進(jìn)行300℃～400℃的預(yù)熱及層溫程序，而焊后的熱處理溫度，即回火溫度控制于550℃～600℃間，使焊后焊道與焊道交界的硬度差不得大于0.5HRC。
其中該合金材料可適用于Co2焊接。
其中該合金材料可適用于潛弧焊。
其中該合金材料可適用于自遮護(hù)焊接。
圖2是本發(fā)明焊接合金材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值與比較例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值。
圖3是現(xiàn)有焊料于焊道交界的顯微組織照片。
本發(fā)明的焊接合金得以制成焊線，其是將鋼制鐵皮軋制成管狀，并于管內(nèi)填充焊接合金即可形成焊線，而焊接合金的化學(xué)成分重量百分比范圍為C0.1～0.25％、Si0.2～1.5％、Mn0.6～3.0％、Cr2.5～4.5％、NiMo1.8～3.5％、W～3.5％、V～1％、Nb～0.5％″組成，由以上成份范圍的合金，其網(wǎng)狀組織較不穩(wěn)定而易于消除，而不僅不會(huì)降低熔金的耐磨性及耐蝕性，且可防止焊痕的發(fā)生，而為使審查員了解各成分合金所界定范圍的特性，特一一說明如下C0.1～0.25％因C可提高熔接金屬的硬度，并預(yù)期可提高材料的耐磨耗性，若C含量低于0.1％時(shí)，則效果無法顯現(xiàn)，當(dāng)C含量超過0.25％時(shí)，則熔金的網(wǎng)狀組織會(huì)變得較穩(wěn)定而不易消除，因此C含量需介于0.1～0.25％間。
Si0.2～1.5％Si具有脫氧作用，若含量不超過0.2％，則脫氧效果不佳，若超過1.5％，則效果達(dá)飽和，且容易形成高溫龜裂，所以Si含量應(yīng)介于0.2～1.5％間。
Mn0.6～3.0％Mn與Si相同具有脫氧的作用，另外它亦可提高材料的硬化能，因此若含量不足0.6％，則將不十分有效果，若含量超過3％，則效果已達(dá)飽和，所以Mn含量應(yīng)介于0.6～3.0％之間。
Cr2.5～4.5％Cr不足2.5％則熔金硬度及耐蝕性無法維持，超過4.5％時(shí)會(huì)使熔金的網(wǎng)狀組織趨于穩(wěn)定而不易消除，更甚者發(fā)生燒附現(xiàn)象，因此Cr含量必須介于2.5～4.5％。
Ni2～4.5％Ni可增加熔金的韌性及耐蝕性，于本發(fā)明的焊料合金中為與C、Cr及Mo同為最重要的合金元素之一，用來恢復(fù)因Cr降低而失去的耐蝕性，其含量若低于2％，則耐蝕效果不佳，含量高于4.5％的效果已達(dá)飽和，且會(huì)導(dǎo)致高溫龜裂，因此適量的含量為2～4.5％之間。
Mo1.8～3.5％Mo具有抗回火軟化的功能，尤其在高溫高壓的場合，若無適當(dāng)高溫強(qiáng)度支撐，則磨耗會(huì)加速，且焊痕及燒附的發(fā)生機(jī)率亦會(huì)提高，Mo含量在1.8％以下則效果不佳，若超過3.5％則效果已達(dá)飽和，因此Mo含量應(yīng)介于1.8～3.5％之間。
W～3.5％W同Mo具有抗回火軟化及提高硬度的功能，由于W比Mo更易形成碳化物，因此對(duì)耐磨耗性的提升亦有效果，含量超過3.5％則效果達(dá)到飽和，所以含量應(yīng)在3.5％內(nèi)。
V～1％、Nb～0.5％上述二元件均具有細(xì)化晶粒及二次析出硬化的效果，可增加耐耗性，而若V含量超過1％時(shí)效果已達(dá)飽和，Nb含量超過0.5％會(huì)使焊渣剝離性變差，因此兩者適當(dāng)?shù)暮糠謩e為V～1％，而Nb～0.5％。
而上述焊接合金材料的焊材并不會(huì)因使用焊接型態(tài)的不同而改變其特性，如潛弧焊、自遮護(hù)焊、Co2焊接等均可適用。
另本發(fā)明更可配合下列的制程而獲得更佳的效果，而目前市售焊材所使用的制程是于焊接后采以500℃的回火處理，選擇此溫度的考量，除了應(yīng)力消除外，更重要的是為維持熔金的硬度不受溫度的影響，以獲最佳的耐磨耗性，但此條件在高應(yīng)力的金屬與金屬磨耗的場合卻無法避免焊痕的發(fā)生；因此本發(fā)明者除了上述焊接合金材料的研發(fā)外，更發(fā)現(xiàn)施以適當(dāng)溫度的回火處理，可使不同網(wǎng)狀組織的硬度差低于0.5HRC，并防止焊痕發(fā)生，然于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)回火處理的溫度高于600℃時(shí)，雖亦可讓網(wǎng)狀組織的硬度差值低于0.5HRC，但當(dāng)溫度提高時(shí)，時(shí)讓熔金的硬度下降而造成磨耗速率加快，因此適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚頊囟葹?50℃～600℃間為最佳，由此溫度的設(shè)定，不僅可使網(wǎng)狀組織硬度差值不大于0.5HRC，進(jìn)而防止焊痕發(fā)生，又能維持耐磨耗性。
另為使焊接合金材料于焊接溫度從空氣自然冷卻至室溫時(shí)即能硬化，在焊接終了前，若能使工件維持在麻田散鐵的起始溫度(Ms)是重要的，根據(jù)Ms溫度的經(jīng)驗(yàn)公式(°F)＝1020-630(％c)-72(％Mn)-63(％V)-36(％Cr)-31(％Ni)-18(％Cu)-18(％Mo)-9(％W)+27(％Co)+54(％Al)故為測(cè)知較佳的Ms溫度，即以本發(fā)明三件焊材試件進(jìn)行測(cè)試，如表一中，七個(gè)試件的成份表中的NO.1、NO.2及NO.3均為本發(fā)明熔接合金材料范圍中的試件，另四個(gè)試件則為非屬本發(fā)明范圍內(nèi)的比較例，而表二則為七個(gè)試件進(jìn)行各種試驗(yàn)的數(shù)值，而將本發(fā)明試件NO.1、NO.2及NO.3的成份資料輸入上述公式中，得知其Ms溫度分別為～260℃、～160℃及～290℃，因此依此試驗(yàn)，將預(yù)熱溫度設(shè)定于300℃以上為最佳，另于層溫溫度的設(shè)定，以預(yù)熱溫度再加上50℃～100℃為最佳，若溫度再提高，即會(huì)產(chǎn)生熱龜裂的現(xiàn)象，并使焊渣剝離性變差。
因此本發(fā)明熔接合金材料的最佳制程為300℃～400℃的預(yù)熱及層溫控制，焊后再施以550℃～600℃的回火處理，以使焊接熔金的粗、細(xì)網(wǎng)狀組織硬度差不高于0.5HRC。
而由表一、表二中比較試件的NO.5及NO.6試件中可看出，當(dāng)C及Cr的含量降低時(shí)，可使不同粗細(xì)的網(wǎng)狀組織硬度差縮小，亦可改善材料的耐焊痕性，而由于Cr含量降低會(huì)降低耐蝕性，因此于本發(fā)明設(shè)定的成份中以添加Ni來彌補(bǔ)所減低的耐蝕性，另因C降低會(huì)有耐磨耗性降低的疑慮，故本發(fā)明設(shè)定的成份中藉由提高M(jìn)o或W含量以增加材料抗回火軟化能力，以維持耐磨耗性，另外V及Nb均比Cr、Mo及W更易形成碳化物，在回火處理時(shí)，有明顯的二次析出硬化效果，可增加材料的耐磨耗性。
另以下列的實(shí)施狀況說明實(shí)施例的焊材均是以鋼制鐵皮軋制成管狀，再以焊藥充填其間而成的焊線，焊徑3.2mm，采用潛弧焊接，而焊接條件為450A-30V-30cpm(焊六層)，母材下夾引輥，而以熱軋鋼帶的下夾引輥?zhàn)鲗?shí)機(jī)測(cè)試，三個(gè)月后，測(cè)量其最深磨耗量，若此磨耗量在1mm以內(nèi)視為良好，在使用中及使用后調(diào)查輥輪表面是否有焊痕等缺陷，而如表二所示，于本發(fā)明實(shí)施例中，即表現(xiàn)良好的耐痕性及耐磨耗性，但在NO.4因Mo含量不足造成耐磨耗性不足，而No.5及No.6則因C及Cr超出本發(fā)明的范圍，因此有明顯的焊痕，而NO.7因?yàn)镹i含量不足而造成腐蝕過于嚴(yán)重而無法使用。
另在本發(fā)明范圍中的NO.1、NO.2及NO.3三種試件中，均能獲得極佳的效果，而若將NO.3與NO.1相較，NO.3因添加W含量較高而使磨耗性提高。
故由上述說明及實(shí)驗(yàn)可知，本發(fā)明的焊接合金材料具有優(yōu)良的耐焊痕性及耐磨耗性，可解決目前市售的問題，因此應(yīng)符合發(fā)明專利條件，故依法提出申請(qǐng)。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，該焊接合金材料的化學(xué)成份重量百分比范圍為″C0.1～0.25％、Si0.2～1.5％、Mn0.6～3.0％、Cr2.5～4.5％、Ni2～4.5％、Mo1.8～3.5％、W～3.5％、V～1％、Nb～0.5％″組成。
2.如權(quán)利要求1所述耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，其中該合金材料所配合的制程，可于焊接時(shí)先進(jìn)行300℃～400℃的預(yù)熱及層溫程序，而焊后的熱處理溫度，即回火溫度控制于550℃～600℃間，使焊后焊道與焊道交界的硬度差不得大于0.5HRC。
3.如權(quán)利要求1所述耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，其中該合金材料可適用于Co2焊接。
4.如權(quán)利要求1所述耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，其中該合金材料可適用于潛弧焊。
5.如權(quán)利要求1所述耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，其特征在于，其中該合金材料可適用于自遮護(hù)焊接。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種耐高溫磨耗輥輪修護(hù)用焊接合金材料，該焊接合金材料的化學(xué)成分重量百分比范圍為“C0.1～0.25％、Si0.2～1.5％、Mn0.6～3.0％、Cr2.5～4.5％、Ni2～4.5％、Mo1.8～3.5％、W～3.5％、V～1％、Nb～0.5％”組成，由C及Cr的降低，熔金的網(wǎng)狀組織呈現(xiàn)較不穩(wěn)定狀態(tài)，而使其易于消除，使組織硬度更加均勻，以避免造成焊痕，另配合欲焊接時(shí)先進(jìn)行300℃～400℃的預(yù)熱及層溫程序，而焊后的熱處理溫度，即回火溫度控制于550℃～600℃間，使焊后焊道與焊道交界的硬度差不得大于0.5HRC。
文檔編號(hào)C22C38/58GK1412336SQ0113612
公開日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2001年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月16日
發(fā)明者周泰盛 申請(qǐng)人:天泰銲材工業(yè)股份有限公司