堆焊材料、熔敷金屬以及具有熔敷金屬的構件的製作方法

2023-12-12 19:00:42

專利名稱：堆焊材料、熔敷金屬以及具有熔敷金屬的構件的製作方法
技術領域：
本發明涉及堆焊材料、熔敷金屬以及具有熔敷金屬的構件，尤其是有關適合用於要求高耐蝕性和高耐磨耗性兩者的處理裝置的堆焊材料、熔敷金屬以及具有熔敷金屬的構件。
背景技術：
如粉碎機及反應塔等的處理裝置有時在酸性的腐蝕環境下處理包含鹽酸及硫酸等強酸的處理對象物。收容此種處理對象物的處理容器一般是將鋼材焊接而製造。因此，處理容器的內壁不僅因所述處理 對象物而磨損，而且容易腐蝕。因此要求具備耐蝕性及耐磨耗性的內壁(焊接構件)。另一方面，在專利文獻I中，作為在600°C以上的溫度下具有耐酸性及耐磨耗性且示出高硬度的、經堆焊而形成的熔敷金屬，公開了含有C:0.5 3.0%、S1:3.0 7.0%、Cr:25 45%、Mn:0 10%、N1:0 13%，且滿足Cr≥-1.6Si+37，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成，並具有微細且大量地析出有短纖維狀的碳化物的金屬組織的熔敷金屬。而且，作為形成該熔敷金屬的堆焊材料，在專利文獻I中公開了含有C:0.5 3.0%、Si:
3.0 7.0%,Cr:25 45%、Mn:0 10%、Ni:0 13%，且滿足 Cr ≥-1.6Si+37，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成的堆焊材料。專利文獻1:日本專利公開公報特開平11-226778號所述專利文獻I所公開的熔敷金屬雖示出高溫耐酸性、高溫耐磨耗性及高溫高硬度，但對於更低的溫度(例如室溫)下的強酸的耐蝕性並不清楚。而且，該熔敷金屬由於示出維氏硬度(Vickers hardness)為550以上的極高硬度，因此在使用於所述處理容器的內壁時有侵蝕性磨耗(aggressive wear)的顧慮。

發明內容
本發明鑑於此種情況而作出，其目的在於提供在室溫下具有優異的耐蝕性及耐磨耗性，並且還具備韌性的熔敷金屬、具有該熔敷金屬的構件以及形成該熔敷金屬的堆焊材料。本發明的一方面涉及一種堆焊材料，其含有:C:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2質量％、]:0.5 2質量％、Cr:20 40質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:I 5質量％、W:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。本發明的另一方面涉及一種熔敷金屬，所述熔敷金屬是被進行堆焊而形成的熔敷金屬，所述熔敷金屬含有:c:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2質量％、Mn:0.5 2質量％、Cr:20 40質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。本發明的又一方面涉及一種構件，所述構件具有作為母材的鋼材和在所述鋼材表面上經堆焊而形成的熔敷金屬，其中，所述熔敷金屬含有:C:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2質量％、Mn:0.5 2質量％、Cr:20 40質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、
V:1 5質量％、W:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。本發明的目的、特徵、各方面及優點通過下述詳細說明及附圖而更明瞭。


圖1是表示實施例及比較例的熔敷金屬的洛氏硬度的圖。圖2是表示實施例及比較例的熔敷金屬的維氏硬度的圖。圖3是表示砂土磨耗試驗的原理的概念圖。圖4是表示對於實施例及比較例的熔敷金屬的耐磨耗性評價結果(磨耗減量)的曲線圖。圖5是表示對於實施例及比較例的熔敷金屬的耐磨耗性評價結果(磨耗減量)的曲線圖。圖6是表示對於實施例及比較例的熔敷金屬的耐磨耗性評價結果(磨耗減量)的曲線圖。圖7是表示對於實施例及比較例的熔敷金屬的耐蝕性評價結果(平均腐蝕速度)的曲線圖。圖8是表示對於實施例及比較例的熔敷金屬的耐蝕性評價結果(平均腐蝕速度)的曲線圖。圖9是對實施例及比較例的熔敷金屬的剖面組織進行拍攝的代替圖的照片。圖10是對實施例及比較例的熔敷金屬的剖面組織進行拍攝的代替圖的照片。圖11是對實施例及比較例的熔敷金屬的剖面組織進行拍攝的代替圖的照片。
具體實施例方式以下參照附圖具體說明本發明的實施方式。此外，本發明並不受本實施方式的任何限制。[堆焊材料及熔敷金屬]本實施方式所涉及的堆焊材料是如下的堆焊材料，即、含有:C:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2 質量％、Mn:0.5 2 質量％、Cr:20 40 質量％、Mo:2 6 質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量％、W:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。本實施方式所涉及的熔敷金屬是被進行堆焊而形成的熔敷金屬，所述熔敷金屬含有:C:0.2 1.5 質量％、Si:0.5 2 質量％、Mn:0.5 2 質量％、Cr:20 40 質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量％、W:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。本實施方式所涉及的熔敷金屬是通過將本實施方式所涉及的堆焊材料堆焊於母材表面而形成。作為所述母材，只要能夠通過堆焊而在其表面形成熔敷金屬的金屬材料，則無特別限定。例如作為形成粉碎機及反應塔等容器的材料，可舉出各種不鏽鋼、S25C鋼、SC49鋼、SS400鋼等。用於形成本實施方式所涉及的熔敷金屬的堆焊條件而言，只要是通常的堆焊條件即可。通過使用本實施方式所涉及的堆焊材料並在通常條件下進行堆焊，能夠獲得後述的金屬組織(基體由多個鐵素體晶粒構成，並且從鐵素體晶界析出有多個滲碳體(cementite)的組織)的熔敷金屬。其中，優選焊接時預先對母材進行加熱，優選在升溫速度為100 300°C /h、保持溫度為250 350°C、冷卻速度為15 100°C /h的條件下對母材進行加熱冷卻且在250 350°C的等溫保持狀態下進行焊接。以下，對於決定本實施方式所涉及的堆焊材料及熔敷金屬的成分的理由加以說明。C:0.2 1.5 質量％C(碳)為使熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的抗拉強度與伸長率保持平衡的有效元素。而且，C也為在堆焊後的冷卻過程中使滲碳體(Fe3C)在鐵素體基體的晶界包覆各鐵素體晶粒而析出的有效元素。C含有量(C量)為1.5質量％以下。其理由是若C量超過1.5質量％，則韌性降低而脆化，在所述處理容器中侵蝕性磨耗增加的傾向變得顯著。優選0.8質量％以下。其理由是若C量為0.8質量％以下，則熔敷金屬成為共析鋼(eutectoid steel)或亞共析鋼(hypo-eutectoid steel),韌性提高並且容易加工。另一方面，C量為0.2質量％以上。其理由是若C量低於0.2質量％，則在鐵素體基體的晶界析出的滲碳體相厚度變薄，連部分地包圍鐵素體晶粒也困難的傾向變得顯著。優選0.6質量％以上。其理由是能夠減少為了確保耐磨耗性而添加的其它元素的量。S1:0.5 2 質量％Si (矽)為使熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的抗拉強度提高的有效元素。從有效發揮該作用的觀點而言，Si含有量(Si量)為0.5質量％以上。優選0.7質量％以上。另一方面，從抑制紅色氧化鐵皮(紅鏽)的發生的觀點而言，Si量為2質量％以下。優選1.5質量％以下。本實施方式所涉及的熔敷金屬基於如下理由，有必要抑制紅色氧化鐵皮的發生。紅色氧化鐵皮的主體雖為a-Fe2O3，但紅色氧化鐵皮為微細粉末狀，以如將粉末吹附於熔敷金屬表面的狀態發生。紅色氧化鐵皮極脆。紅色氧化鐵皮雖可利用酸洗除去，但酸洗後的熔敷金屬和含有熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的表面凹凸大，容易產生龜裂。Mn:0.5 2 質量％Mn(錳)為用於確保熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的強度和韌度的必要元素。從有效發揮該作用的觀點而言，Mn含有量(Mn量)為0.5質量％以上。優選0.7質量％以上。另一方面，從抑制韌性及焊接性被阻礙的觀點而言，Mn量為2質量％以下。優選1.5質量％以下。Cr: 20 40 質量 ％Cr(鉻)為用於提高熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的耐蝕性的必需元素。而且，Cr是形成碳化物(carbide)的元素,是使碳化物在鐵素體晶粒內微細析出從而發揮析出硬化作用的元素。通過該微細碳化物的析出硬化，提高耐磨耗性。Cr含有量(Cr量)為20質量％以上。優選24質量％以上。其理由是若Cr量低於20質量％ ,貝丨J無法獲得所需的耐蝕性及耐磨耗性(硬度)。另一方面，Cr量為40質量％以下。優選36質量％以下。其理由是若Cr量超過40質量％ ,貝U容易發生馬氏體(martensite),容易使硬度上升而韌性降低。
Mo:2 6 質量％Mo (鑰)也為提高熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的耐蝕性的元素。從有效發揮該作用的觀點而言，Mo含有量(Mo量)為2質量％以上。優選3.5質量％以上。另一方面，從抑制鑰化合物在晶界偏析而促進Fe與Si的氧化物即鐵橄欖石(fayalite，Fe2SiO4)浸潤於鋼中的觀點而言，Mo量為6質量％以下。優選4.5質量％以下。N1:0.5 6 質量％Ni (鎳)也為提高熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的耐蝕性的元素。從有效發揮該作用的觀點而言，Ni含有量(Ni量)為0.5質量％以上。優選0.7質量％以上。另一方面,從抑制容易生成奧氏體(austenite)的觀點而言，Ni量為6質量％以下。優選1.5質量％以下。V:1 5 質量 ％V(釩)為在熔敷金屬中形成碳化釩(VC)從而發揮析出硬化作用的元素。通過添加V，來提高熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的耐磨耗性。從有效發揮該作用的觀點而言，V含有量(V量)為I質量％以上。優選1.5質量％以上。另一方面，從抑制碳化釩在鐵素體晶粒內析出而使韌性降低的觀點而言，V為5質量％以下。優選2.5質
量％以下。W:0.5 5質量％W(鎢)為在熔敷金屬中形成碳化鎢(WC)從而發揮析出硬化作用的元素。通過添加W，來提高熔敷金屬和包含熔敷金屬及熔融母材的焊接金屬的耐磨耗性。從有效發揮該作用的觀點而言，W含有量為0.5質量％以上。優選0.7質量％以上。另一方面，從抑制碳化鎢在鐵素體晶粒內析出而使韌性降低的觀點而言，W為5質量％以下。優選1.5質量％以下。本實施方式所涉及的熔敷金屬滿足上述組分，且其餘部分為Fe (鐵)及不可避免的雜質。作為不可避免的雜質，例如可舉出如Al (鋁)及Ca(鈣)等在堆焊中使用的焊接材料的製造工序中不可避免地混入的成分。本實施方式所涉及的熔敷金屬也可含有下述元素等作為其它元素:(A)P:0.03質量％以下(不包含0質量％ )及/或S:0.02質量％以下(不包含0質量％ )(B)選自 T1、Co、Cu、Zr、Nb、Pd、Ag、Sn、Hf、Ta、Pt、Au 及 Pb 中的一種或兩種以上，其合計為15質量％以下(不包含0質量％)。決定此範圍的理由如下。P:0.03 質量％ 以下P(磷)為在鋼中作為雜質而在結晶晶界偏析的元素。如果鋼材通過鍛造及壓延等而向鍛造延伸方向被延伸，貝1J會形成P的偏析帶。在該偏析帶形成鐵素體(a-Fe), C從該偏析帶被排除。其結果，a -Fe以帶狀形成在P的偏析帶,在其它部分上珠光體(pearlite)以帶狀形成。通常，此種P的偏析帶稱為鐵素體帶，若形成鐵素體帶，則帶的直角方向的延性會降低。以進行鍛造或壓延的鋼材作為母材，當使用焊接材料進行堆焊而在該母材表面上形成熔敷金屬時，P含有量(P量)為0.03質量％以下。其理由是若熔敷金屬中的P超過
0.03質量％，則產生因鐵素體帶而使延性降低的問題點。在其它情況下，P也可超過0.03質量％。
S:0.02 質量％ 以下S (硫)為在鋼中形成硫化物類夾雜物即MnS而在鋼材熱加工時偏析，使鋼材脆化的元素。以進行鍛造或壓延的鋼材作為母材，當使用焊接材料進行堆焊而在該母材表面上形成熔敷金屬時，S含有量(S量)為0.02質量％以下。其理由是若熔敷金屬中的S超過0.02質量％，則產生因鋼材脆化而易龜裂的問題點。在其它情況下，S也可超過0.02質量％。選自T1、Co、Cu、Zr、Nb、Pd、Ag、Sn、Hf、Ta、Pt、Au 及 Pb 中的一種或兩種以上，其合計為15質量％以下作為不損及本實施方式所涉及的熔敷金屬的健全性且發揮本發明效果以外的效果的成分，有 Ti(鈦)、Co(鈷)、Cu(銅)、Zr(鋯)、Nb(鈮)、Pd(鈀)、Ag(銀)、Sn(錫)、Hf (鉿)、Ta (鉭)、Pt (鉬)、Au (金)及Pb (鉛)。本實施方式所涉及的熔敷金屬，以在本發明效果的基礎上還發揮其它效果為目的，也可以還含有合計為15質量％以下的這些元素的一種或兩種以上。其理由是這些元素的含有量合計若不超過15質量％，則本實施方式所涉及的熔敷金屬維持基體由多個鐵素體晶粒構成且從鐵素體晶界析出有多個滲碳體的組織，更具體而言作為基體的鐵素體相示出結晶性且鐵素體結晶周圍的至少一部分被滲碳體相包圍的多結晶組織，其結果，不會使耐蝕性、耐磨耗性及韌性降低。本實施方式所涉及的熔敷金屬的金屬組織優選基體由多個鐵素體晶粒構成且從鐵素體晶界析出有多個滲碳體的組織。而且，本實施方式所涉及的熔敷金屬更優選具有作為基體的鐵素體組織且該鐵素體組織具有滲碳體包圍鐵素體周圍的結構。其理由如下。由於鐵素體組織較奧氏體組織及馬氏體組織更容易穩定地包含氫，因此即使在酸性氣氛下也不易氫脆化，而有不易龜裂的效果。即，當為鐵素體組織時，即使因腐蝕發生氫並進入鋼材中，氫也不會局部累積於鐵素體中，因此在酸性氣氛下，也示出比奧氏體組織及馬氏體組織更優異的耐氫脆性。而且，由於在鐵素體晶界析出的多個滲碳體使鐵素體晶粒彼此連接，更優選滲碳體包圍鐵素體，因此，鐵素體組織比奧氏體組織及馬氏體組織更不易龜裂。此處，專利文獻I中公開的熔敷金屬的金屬組織為針狀碳化物組織。在針狀碳化物組織中，容易在針狀碳化物與基底鐵之間的界面集結氫，因此容易發生氫引起的龜裂。尤其，容易在一方向龜裂。相較於針狀碳化物組織，上述鐵素體的殘留應力少，組織穩定，因此具有不易龜裂的優點。此外，如後述實施例所示，本實施方式所涉及的堆焊材料與熔敷金屬的組分偏差為Cr、Mo、Ni的各含有量稍許降低的程度，除此以外幾乎不發生組分偏差，因此，只要準備與本實施方式所涉及的熔敷金屬相同組分或Cr、Mo、Ni的各含有量相對於目標組分稍高的組分的材料作為本實施方式所涉及的堆焊材料即可。[具有熔敷金屬的構件]本實施方式所涉及的具有熔敷金屬的構件，是具有作為母材的鋼材和通過堆焊而形成於所述鋼材表面上的熔敷金屬的構件。所述熔敷金屬為上述的本實施方式所涉及的熔
敷金屬。在本實施方式所涉及的構件中，母材和熔敷金屬通過熱影響區及熔融母材而接
口 o
作為母材，若為鋼材則無特別限定。如上所述，當使用於構成如粉碎機及反應塔等容器的材料時，例如可舉出各種不鏽鋼、S25C鋼、SC49鋼、SS400鋼等。從抑制母材稀釋的觀點而言，在這些鋼材中優選使用與本實施方式所涉及的熔敷金屬相同組分的鋼材來作為母材，但對於母材主要要求強度及韌性，而對熔敷金屬主要要求硬度及耐磨耗性。因此，採用與熔敷金屬相同組分的鋼材作為母材現實上困難。因此，優選使母材處於垂直狀態，儘可能地在經堆焊的材料(熔敷金屬)上依次進行堆焊。據此，能夠在一定程度上抑制因重力及對流而引起的熔融母材與熔敷金屬間的各成分元素(主要為Fe)的相互擴散。具有本實施方式所涉及的熔敷金屬的構件，適用於在pH = 7.0 4.2左右的酸性腐蝕環境下、在室溫至200°C左右的溫度範圍處理包含鹽酸及硫酸等酸的處理對象物的如粉碎機及反應塔的處理裝置中所設置的處理容器。上述實施方式所涉及的熔敷金屬通過堆焊形成在所述收容容器的內壁，能夠提高該收容容器的耐蝕性及耐磨耗性來延長壽命。以下，利用實施例更詳細說明本發明，但下述實施例並非限定本發明的性質，在可適於前後述主旨的範圍內也可實施適當變更，這些變更均包含於本發明的技術範圍內。實施例對用於證實本發明的效果的實施例及比較例加以說明。下述表I表示焊接材料的組分。其中，各焊接材料的其餘部分除了表I記載的Fe或Co以外，也包含不可避免的雜質。[表 I]
權利要求
1.一種堆焊材料，其特徵在於含有: C:0.2 1.5 質量％、S1:0.5 2 質量％、Mn:0.5 2 質量％、Cr:20 40 質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量％、W:0.5 5質量％， 其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。
2.根據權利要求1所述的堆焊材料，其特徵在於: C量為0.6 0.8質量％，Si量為0.7 1.5質量％，Mn量為0.7 1.5質量％，Cr量為24 36質量*%,Mo量為3.5 4.5質量*%,Ni量為0.7 1.5質量*%,V量為1.5 2.5質量％，W量為0.7 1.5質量％。
3.根據權利要求1所述的堆焊材料，其特徵在於還含有: P:0.03質量％以下、S:0.02質量％以下。
4.根據權利要求1所述的堆焊材料，其特徵`在於還含有: 選自T1、Co、Cu、Zr、Nb、Pd、Ag、Sn、Hf、Ta、Pt、Au及Pb中的一種或兩種以上，其合計為15質量％以下。
5.一種熔敷金屬，其特徵在於:` 所述熔敷金屬是被進行堆焊而形成的熔敷金屬， 所述熔敷金屬含有:C:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2質量％、Mn:0.5 2質量％、Cr:20 40質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。
6.根據權利要求5所述的熔敷金屬，其特徵在於: 所述熔敷金屬的C量為0.6 0.8質量％，Si量為0.7 1.5質量％，Mn量為0.7 1.5質量％，Cr量為24 36質量％ ,Mo量為3.5 4.5質量％，Ni量為0.7 1.5質量％，V量為1.5 2.5質量％，W量為0.7 1.5質量％。
7.根據權利要求5所述的熔敷金屬，其特徵在於還含有: P:0.03質量％以下、S:0.02質量％以下。
8.根據權利要求5所述的熔敷金屬，其特徵在於還含有: 選自T1、Co、Cu、Zr、Nb、Pd、Ag、Sn、Hf、Ta、Pt、Au及Pb中的一種或兩種以上，其合計為15質量％以下。
9.根據權利要求5所述的熔敷金屬，其特徵在於: 所述熔敷金屬的金屬組織為基體由多個鐵素體晶粒構成、且從鐵素體晶界析出有多個滲碳體的組織。
10.一種構件，其特徵在於: 所述構件具有作為母材的鋼材和在所述鋼材表面上經堆焊而形成的熔敷金屬，其中， 所述熔敷金屬含有:c:0.2 1.5質量％、S1:0.5 2質量％、Mn:0.5 2質量％、Cr:20 40質量％、Mo:2 6質量％、N1:0.5 6質量％、V:1 5質量:0.5 5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。
11.根據權利要求10所述的構件，其特徵在於: 所述熔敷金屬的C量為0.6 0.8質量％，Si量為0.7 1.5質量％，Mn量為0.7 1.5質量％，Cr量為24 36質量％ ,Mo量為3.5 4.5質量％，Ni量為0.7 1.5質量％，V量為1.5 2.5質量％，W量為0.7 1.5質量％。
12.根據權利要求10所述的構件，其特徵在於: 所述熔敷金屬還含有:P:0.03質量％以下、S:0.02質量％以下。
13.根據權利要求10所述的構件，其特徵在於: 所述熔敷金屬的金屬組織為基體由多個鐵素體晶粒構成、且從鐵素體晶界析出有多個滲碳體的 組織。
全文摘要
本發明提供堆焊材料、熔敷金屬以及具有熔敷金屬的構件。堆焊材料含有C0.2～1.5質量％、Si0.5～2質量％、Mn0.5～2質量％、Cr20～40質量％、Mo2～6質量％、Ni0.5～6質量％、V1～5質量％、W0.5～5質量％，其餘部分由Fe及不可避免的雜質構成。
文檔編號B23K9/04GK103140321SQ201180047589
公開日2013年6月5日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年9月30日
發明者竹田勉, 小林隆一 申請人:株式會社神戶制鋼所