结合碳化物粒子的硬表堆焊制造技术

本发明专利技术提供了其中耐磨粒子基本上均匀分布在基质材料中的硬表堆焊层的实施方案。基质材料的组成和微观结构以及耐磨粒子的量、尺寸和分布可以使得硬表堆焊是耐磨的但仍保持一些韧性。基质材料可以包含两种组分，第一组分包含铁、铬和镍，且第二组分包含铬和相当大量的碳。两种组分的组合为基质材料提供了硬度和韧性。在公开的实施方案中，耐磨粒子包含钨。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求2013年10月31日提交的美国临时申请号61/898,037的优先权，其通过引用以与本申请公开内容没有不一致的程度结合在此。关于联邦赞助的研究或开发的声明不适用对序列清单、表格或计算机程序清单光盘附件的参考不适用背景和导言作为一种工艺，硬表堆焊(hardfacing)通常指的是向第二材料的表面施用硬且耐磨的材料。当向作为金属的第二材料施用硬表堆焊层(hardfacinglayer)时，该金属可以称为基础金属。所述硬且耐磨的材料可以是在一种组分如金属的基质中结合耐磨粒子的复合材料。硬表堆焊施用技术经常包括焊接和/或喷射。焊接可以定义为：通过施加热、压力或两者从而通过跨界面的熔合或再结晶产生局域化的联合，来连接两个以上部件(ASM金属参考书(ASMMetalsReferenceBook)，ed.M.Bauccio，1993，ASMInternational)。在利用填料金属的熔焊中，将填料金属和基础金属两者一起熔融，以完成焊接。熔焊技术包括但不限于，氧燃气焊、电阻焊、激光束焊、电子束焊和电弧焊。金属极惰性气体保护焊(gasmetalarcwelding，GMAW)是一种电弧焊工艺，其通过利用在连续的填料金属(消耗的)电极和工件之间的电弧加热金属来产生金属的合并。屏蔽是由外部供应的气体或气体混合物获得的。GMAW的变型包括短路过渡、熔滴过渡、喷射电弧过渡和脉冲电弧过渡，取决于焊接参数和装备变型。GMAW可以使用外部屏蔽气体，其可以是很大惰性的气体的如氩气，氩气和其他气体的混合物，或反应性气体如二氧化碳。对于GMAW焊接来说，典型地使用直流电；电极可以是正的或负的。简述一方面，本专利技术提供了一种硬表堆焊层，其中耐磨粒子基本上均匀地分布在基质材料中。基质材料的组成及微观结构以及耐磨粒子的量、尺寸和分布可以使得硬表堆焊是耐磨的但仍保留一些韧性。基质材料可以包含两种组分，第一组分包含铁、铬和镍，且第二组分包含铬、钨、铁和相当大量的碳。第二组分可以包含一个以上金属碳化物相。两种组分的组合可以为基质材料提供硬度和韧性。硬表堆焊层可以通过熔焊工艺形成，其中将耐磨粒子加入到熔融的焊池中。适合用于本专利技术的熔焊工艺可以包括GMAW、FCAW(药芯焊丝电弧焊)、PAW(等离子弧焊)、LW(激光焊)、GTAW(气体保护钨极电弧焊)和SAW(埋弧焊)。在一个实施方案中，用于焊接过程的填料金属是包含铬和镍的奥氏体不锈钢，并且将碳化钨粒子加入到熔融的焊池中。在本专利技术的一个方面中，使用GMAW过程将本专利技术的硬表堆焊材料施用到物品的表面。焊接过程可以是，例如，半自动的或自动的，这会允许对焊枪运动的程序编制。在熔焊过程期间，可以通过来自基础金属的稀释和/或填料金属与耐磨粒子之间的反应，来修改填料金属的组成。例如，当基础金属是含铁的但是与填料金属相比具有较低的合金含量时，填料金属可以被基础金属所“稀释”。当熔融的填料金属部分地溶解耐磨粒子时，来自耐磨粒子的元素可以结合到填料金属中。填料金属与耐磨粒子之间的反应可以导致在耐磨粒子附近反应产物的形成。基质和/或基质组分的组成和其他性质可以与硬表堆焊内的深度区有关。在一个实施方案中，硬表堆焊可以看作包含三个区，最接近硬表堆焊的外表面的外区，最接近硬表堆焊和基础金属之间的界面或熔合接合处的内区，以及在外区和内区之间的中区。在其中所述区是等厚度的实施方案中，各区的厚度可以是硬表堆焊的局部厚度的三分之一。如果硬表堆焊的厚度沿着物品随位置变化，所述区的厚度也可以沿着物品随位置变化。在另一个实施方案中，可以在从硬表堆焊的外(自由)表面起或者从硬表堆焊和基础金属的粘合/接合界面起规定的距离之内，测量硬表堆焊的性质。在其中硬表堆焊为至少3mm厚的实施方案中，在从外表面起1.25mm或1mm之内的表面区域或“近表面”区域内，测量硬表堆焊的性质，或者在从熔合接合处起1.25mm或1mm之内的熔合接合处区域或“近熔合接合处”区域内，测量硬表堆焊的性质。在其中硬表堆焊为至少2mm厚的另一个实施方案中，表面区域或“近表面”区域在外表面的0.75mm内，且熔合接合处区域或“近熔合接合处”区域可以在熔合接合处的0.75mm内。在其中硬表堆焊为至少1mm厚的另一个实施方案中，表面区域或“近表面”区域在外表面的0.3mm内，且熔合接合处区域或“近熔合接合处”区域可以在熔合接合处的0.3mm内。在一个实施方案中，基质材料的硬度随着硬表堆焊中的深度变化，接近硬表堆焊的外表面的地方与接近硬表堆焊和基础金属的熔合接合处的地方相比，基质材料的硬度更大。在一个实施方案中，硬表堆焊的外区中与硬表堆焊的内区中相比，基质材料的硬度更大。硬表堆焊的中区中与硬表堆焊的内区中相比，基质材料的硬度也可以更大。典型地，测量基质材料的硬度，以包括来自基质材料的第一和第二组分两者的贡献。基质材料的组成典型地包括来自基质材料的第一和第二组分两者的贡献(并且所以可以看作基质材料的第一和第二组分的组成的平均)。在一个实施方案中，可以在充分远离耐磨粒子的地方测量在硬表堆焊中的特定深度处的基质材料的组成，使得将粒子周围的任何反应产物的贡献排除在外。在一个实施方案中，基质材料的铬含量随着硬表堆焊中的深度变化，接近硬表堆焊的外表面的地方与接近硬表堆焊和基础金属之间的熔合接合处的地方相比，基质材料的铬含量更大。在一个实施方案中，硬表堆焊的外区中与硬表堆焊的内区中相比，基质材料的铬含量更大。硬表堆焊的中区中与硬表堆焊的内区中相比，基质材料的铬含量也可以更大。在一个实施方案中，外区中或表面区域中的基质材料的平均铬含量为14至25重量％铬。在一个实施方案中，内区或熔合接合处区域中的铬的平均量为7至15重量％。在一个实施方案中，基质材料的第一组分包含铁基合金，铁基合金还包含铬和镍。铁基合金可以还包含铬、镍和碳；或铬、镍、碳和钨。在一个实施方案中，铁基合金中的至少一些是树枝晶形式的。在一个实施方案中，铁基合金的至少一部分包含10至25重量％铬和8至35重量％镍。在一个实施方案中，铁基合金的此部分位于硬表堆焊层的表面区域中。在另一个实施方案中，表面区域中的铁基合金的一部分的组成包括14至20重量％铬。在一个实施方案中，基质材料的第二组分是在树枝晶间的，位于铁基合金的树枝晶之间。在此第二组分中也可以存在组成上的梯度。基质材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过金属熔合部接合至金属表面的至少一部分的硬表堆焊层，所述硬表堆焊层包含：A)基质材料，所述基质材料包含：i)第一组分，所述第一组分包含铁基合金，所述铁基合金还包含铬和镍；和ii)第二组分，所述第二组分包含碳、铬、钨和铁；和B)多个基本上均匀分布在所述基质材料中的包含碳化钨的粒子，在所述硬表堆焊层中粒子的体积分数为30％至60％；其中所述基质材料包含7‑28重量％Cr、2.5‑35重量％Ni、5‑50重量％W和30‑75重量％Fe。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.31 US 61/898,0371.一种通过金属熔合部接合至金属表面的至少一部分的硬表堆焊层，
所述硬表堆焊层包含：
A)基质材料，所述基质材料包含：
i)第一组分，所述第一组分包含铁基合金，所述铁基合金还包
含铬和镍；和
ii)第二组分，所述第二组分包含碳、铬、钨和铁；和
B)多个基本上均匀分布在所述基质材料中的包含碳化钨的粒子，在
所述硬表堆焊层中粒子的体积分数为30％至60％；
其中所述基质材料包含7-28重量％Cr、2.5-35重量％Ni、5-50重量％W
和30-75重量％Fe。
2.权利要求1所述的硬表堆焊层，其中所述基质材料包含所述第一组
分的树枝晶，并且所述第二组分位于所述第一组分的所述树枝晶之间。
3.权利要求1-2中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述基质材料包含
8-25重量％的Cr。
4.权利要求1-3中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述硬表堆焊包含
外区、中区和内区，所述内区邻近所述金属熔合部，所述外区邻近所述硬
表堆焊的外表面，且所述中区在所述内区和外区之间，并且在所述外区中
所述基质材料的平均铬含量大于在所述内区中所述基质材料的平均铬含
量。
5.权利要求4所述的硬表堆焊层，其中在所述外区中所述基质材料的
平均铬含量为14至25重量％铬。
6.权利要求4所述的硬表堆焊层，其中在所述中区中所述基质材料的
平均铬含量大于在所述内区中所述基质材料的平均铬含量但小于在所述
外区中所述基质材料的平均铬含量。
7.权利要求1-3中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述硬表堆焊层包
含表面区域，并且在所述表面区域中所述基质材料的平均铬含量为14至
25重量％铬。
8.权利要求1-7中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述基质材料的硬

\t度为25至55HRC。
9.权利要求1-3中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述硬表堆焊包含
外区、中区和内区，所述内区邻近所述金属熔合部，所述外区邻近所述硬
表堆焊的外表面，且所述中区在所述内区和外区之间，并且在所述外区中
所述基质材料的平均硬度大于在所述内区中所述基质材料的平均硬度。
10.权利要求9所述的硬表堆焊层，其中在所述硬表堆焊层的所述外
区中所述基质材料的平均硬度为35至55HRC。
11.权利要求9所述的硬表堆焊层，其中在所述中区中所述基质材料
的平均硬度大于在所述内区中所述基质材料的平均硬度但小于在所述外
区中所述基质材料的平均硬度。
12.权利要求1-3中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述硬表堆焊层
包含表面区域，并且在所述表面区域中所述基质材料的平均硬度为35至
55HRC。
13.权利要求1-12中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述基质材料的
所述第二组分包含2-10重量％碳。
14.权利要求1-13中任一项所述的硬表堆焊层，其中所述硬表堆焊层
基本上没有裂纹。
15.一种物品，所述物品包含：
A)包含金属表面的零件；和
...

【专利技术属性】
技术研发人员：温蒂·穆赫塔尔，戴维·兰登，
申请(专利权)人：维米尔制造公司，
类型：发明
国别省市：美国;US