能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉制造技术

本发明专利技术公开了一种能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉。其组成及质量百分比含量（％）为：Ｃｒ＝６．０～１２．０、Ｎｉ＝５．０～１１．０、Ｍｎ＝０．５～１．８、Ｍｏ＝０．１～０．９、Ｎｂ＝０．１～０．９、Ｔｉ＝０．１～０．９、Ｓｉ＝０．１～０．９、其余为Ｆｅ。合金粉粒度直径为５０～２００微米。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围１００～３００℃，组织为马氏体组织和奥氏体组织，组织含量分别为５０～９０％和５０～１０％。本发明专利技术用于提高钢铁材料或机械结构与装备的疲劳性能以及抗应力腐蚀能力，提高他们的安全性能和使用寿命。利用这些方法和材料还可以制造材料表面具有压缩应力的复合材料产品，具有巨大的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种合金粉，尤其涉及一种适用于喷涂、喷焊、喷熔和重熔等工艺方法的合金粉。
技术介绍
到2005年末，我国的钢铁产量已接近3亿吨，其80-90％用于制造大型金属结构与装备，对人民生活水平的提高和社会进步起到重要作用。然而，大型金属结构与装备常常出现失效问题，造成巨大的经济损失，甚至是人身伤亡事故，因此其可靠性、安全性一直是人们所关心的问题。断裂、腐蚀、磨损是金属结构失效的三种主要形式，为了减少因此而造成的失效损失，人们提出了众多的金属材料表面改性方法，如喷涂、喷焊、喷熔和重熔等是主要的几种工艺方法，它们是借助于热源把具有一定功能(高硬度、耐腐蚀)的合金粉末施加于金属材料表面，用于金属材料表面的强化、硬化、耐磨、抗腐蚀等性能的提高。但是目前这些工艺方法只限于缓解以腐蚀和磨损为主的失效问题，按照结构设计规范，所制造的金属结构在使用过程中是安全的，不应当有断裂失效的问题。然而在实际制造加工后，金属结构局部会存在高水平拉伸应力，或由应力集中造成的附加拉伸应力，在叠加工作载荷后，这些部位将出现裂纹，尤其是疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹，造成金属结构的过早失效。采用上述工艺方法有可能缓解一些应力集中的问题，而对于以断裂为主的失效问题，这些方法无能为力，反而会引起结构表面更大的拉伸应力。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的对于以断裂为主的失效问题，提供一种同样采用喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法熔覆于钢铁材料表面，使其熔覆层产生压缩应力的合金粉。因此可大幅度延缓疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高金属构件的安全性，延长其使用寿命。钢铁材料在冷却过程中会产生组织转变，这一组织转变伴随有体积膨胀，对于绝大多数钢铁材料，组织转变在较高的温度下(大于材料的塑性温度)结束，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会影响焊接残余应力；但对于一定合金成分的钢铁材料，其相变开始点和结束点均出现在较低的温度，此时材料已处于弹塑性或弹性状态，相变体积膨胀将会减少焊接热场造成的残余拉伸应力，体积膨胀量越大，残余拉伸应力越小，在一定条件下出现残余压缩应力。本专利技术亦是提供一种熔覆层金属在低温下产生较大相变膨胀量的合金粉，采用喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法把该合金粉熔覆于钢铁材料表面，由于熔化后的合金粉在冷却过程中具有组织转变引起的相变体积膨胀，可使材料表面熔覆层产生压缩应力，因此定义这种合金粉为压缩应力合金粉。本专利技术适用于喷涂、喷焊、喷熔和重熔等工艺方法的合金粉，其特征在于，所述的合金粉组成及质量百分比含量(％)为Cr＝6.0～12.0、Ni＝5.0～11.0、Mn＝0.5～1.8、Mo＝0.1～0.9、Nb＝0.1～0.9、Ti＝0.1～0.9、Si＝0.1～0.9、其余为Fe。。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围100～300℃。优选合金粉组成及质量百分比含量(％)为Cr＝8.0～11.0、Ni＝7.0～10.0、Mn＝0.8～1.6、Mo＝0.3～0.6、Nb＝0.3～0.6、Ti＝0.3～0.6、Si＝0.3～0.7、其余为Fe。其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围150～250℃。本专利技术的合金粉粒度直径为5～200微米，其熔化凝固后形成合金材料组织为马氏体组织和奥氏体组织，组织组成含量分别为50～90％和50～10％。熔覆层具有压缩应力这将有利于材料疲劳性能的提高、抗应力腐蚀开裂能力的提高，有利于提高金属结构安全性和使用寿命，以及制造表面压缩应力的复合材料产品。本专利技术的有益效果是采用了常规的喷涂、喷焊、喷熔、重熔等方法将合金粉熔覆于钢铁材料表面，其熔覆层产生压缩应力。大幅度延缓了疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，从而提高了金属构件的安全性，延长了其使用寿命。本专利技术可广泛应用于承受疲劳载荷的机械结构与装备的表面处理，如桥梁、轮船、海洋工程结构、重型机械、矿山机械、交通运载工具等等，尤其是用于结构应力集中部位和疲劳裂纹易启裂部位，如焊缝部位；也可以用于腐蚀环境下，预防机械结构的应力腐蚀开裂。利用这些方法和材料还可以制造材料表面具有压缩应力的复合材料产品，本专利技术具有较高的应用前景和推广价值，具有较高经济效益和巨大的社会效益。附图说明图1金属材料的冷却膨胀曲线图；图2金属材料在拘束条件下应力的产生过程；图3熔覆层板材的应力分布图；图4疲劳性能试验所用试件图； 图5疲劳性能试验所用试件图的俯视图。附图标记如下1——普通材料冷却曲线2——合金粉熔覆金属收缩阶段曲线3——合金粉熔覆金属膨胀阶段曲线 4——基体材料5——熔覆层 6——应力分布Ms——奥氏体向马氏体相变开始温度点 Mf——马氏体相变结束温度点Ts——相应变开始点 Tf——收缩阶段相应变结束点εp——相变膨胀应变量具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述收缩阶段。金属材料的实测冷却膨胀曲线如图1所示。曲线1是普通低碳钢低合金钢材料的冷却曲线，曲线2、3是本专利技术合金粉熔覆金属的收缩阶段与膨胀阶段的冷却曲线，其中曲线3为膨胀阶段。Ms为马氏体相变开始点，Mf为马氏体相变结束点，Ts为相变应变开始点，Tf为相变应变结束点。低碳钢低合金钢材料的冷却过程沿着图1曲线1变化，其组织转变在塑性温度以上开始，相变膨胀应变只有0.11-0.25％左右，而且整个相变过程均在塑性状态，没有相变应力的产生。相变结束后，金属材料体积继续收缩，随着温度的降低和材料弹性的回复，在拘束条件下拉伸应力出现并不断增加至材料的屈服强度(随温度变化)维持到室温，如图2曲线1所示。合金粉熔覆金属的冷却过程沿着图1曲线2和3变化，在相变之前，熔覆层金属随着温度的降低和弹性的回复，在拘束条件下拉伸应力出现并不断增加，如图2曲线2所示。在相变开始温度Ms点，奥氏体开始向马氏体转变，熔覆层金属的相变膨胀开始，拉应力减小，出现压应力，直到相应变结束点Tf，理论上Tf应等于室温。如果相变膨胀应变足够大时，就会产生压缩应力，相变膨胀应变量εp越大，熔覆层金属的压缩应力就越大，如图2曲线3所示。在依据以上原理和分析的基础上，经过大量试验研制成功了可以产生压缩应力的合金粉，以Cr-Ni-Mn-Mo系作为基础合金系统，适当添加其他增加韧性的合金元素。合金粉的选材应控制碳含量，以保证熔覆层综合力学性能的提高。具体制造过程是选择各种金属粉，经过同一颗粒度筛网筛选后，按照配方质量百分比配方称重，然后均匀混合后即可得所需合金粉。合金粉的颗粒度选择依赖于加热工艺方法和工艺参数，如喷涂、喷焊、喷熔、重熔对合金粉颗粒度的要求各不相同。本专利技术中合金粉的颗粒度直径为50～200微米。实施例及对比实施例及其工艺方法与表面应力实验结果详见表1。实施例的编写方法为Y——表示应力PH——喷焊方法PT——喷涂方法PR——喷熔方法 CR——重熔方法F1～F5——合金粉种类表1 试验以普通Q235钢板基体材料，为了避免钢板自身应力的对试验的影响，事先对钢板进行退火处理，以其表面应力为零作为应力测试的基准。其他所有的试件都是在这种退火处理的钢板上进行工艺试验。对比实施例选择了2种。其1在普通Q235钢板上喷焊低合金粉。其2在普通Q235钢板上喷焊不锈钢粉，其表面层组织为奥氏体，这是防止腐蚀的一种常用方法。应力测试结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够使熔覆层产生压缩应力的合金粉，其特征在于，所述合金粉组成及质量百分比含量（％）为：Ｃｒ＝６．０～１２．０、Ｎｉ＝５．０～１１．０、Ｍｎ＝０．５～１．８、Ｍｏ＝０．１～０．９、Ｎｂ＝０．１～０．９、Ｔｉ＝０．１～０．９、Ｓｉ＝０．１～０．９、其余为Ｆｅ，其熔化凝固后合金材料的固态相变点温度范围１００～３００℃。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王文先，霍立兴，王东坡，张中平，张玉凤，荆洪阳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]