“堆焊”是一种技术，其包括将硬材料层置于基材上，目的在于增加基 材的耐磨及耐腐蚀性。多年来，由于工业上已认识到较软的、较低成本材料 的基材可以硬化表面，以具有与较硬材料的、更昂贵的基材相同的耐磨及耐 腐蚀特点，所以该技术的应用已有显著增加。
堆焊包括通过焊接或热喷雾来堆敷硬层。传统的焊接堆焊是通过气焊 (OFW)、钨极惰性气体电弧焊(TIG)、金属极气体电弧焊(GMAW)、气体 保护金属极电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)及药芯焊丝电弧焊(FCAW) 来进行的。也使用等离子体转移电弧(PTA)堆焊及激光束堆焊。
现有的比硅土材料更硬的堆焊材料大部分是脆的，且容易产生裂纹。这 些堆焊材料是属于已知的“高铬钢”的合金，且它们的高耐磨性是源于微观 结构中低共熔的和/或过低熔类的铬-碳化物的存在。在上述焊接条件下，无 论如何小心，这些堆焊重叠层总是表现出或多或少的致密裂纹网络。
考虑到堆焊技术的现状，提供一种形成具有高耐磨性能的微观结构、在 焊接堆敷时可经受住使用条件、而不会产生裂纹的堆焊合金组合物的焊条， 是很希望的且是有利的。进而，希望提供一种焊条来形成高铬焊接金属合金 体系，以用于在高温及高机械应力作用下的金属组件上的堆焊表面。

本发明属于在加工件上形成合金的焊条，更详细地讲，属于在加工件表 面形成堆焊合金的焊条，且更详细地讲，属于在加工件表面形成高铬堆焊金 属合金体系的焊条。由本发明的焊条形成的堆焊合金，特别用作在高温及高 机械应力作用下的金属表面，例如但不限定于：轧钢机外层支承辊上。一种 该类堆焊合金组合物在申请于2005年1月24日的美国专利申请号11/041,815 中公开，该申请在此处引入作为参考。高铬堆焊合金通常在堆焊合金基体中 有低的铁素体含量。低的铁素体含量会降低堆焊合金中的“烧成裂纹”的倾 向。“烧成裂纹”会减少被覆盖或加面层的金属组件的寿命。典型地堆焊合金 的铁素体含量小于约10％，更典型地小于约5％、且更加典型地小于约3％、 且仍然更典型地小于约2％。堆焊合金可以用各类焊条和/或各类焊接方法来 形成。例如，本发明的焊条可以是自保护焊条或可以是气体保护焊条。当焊 条是气体保护焊条时，保护气通常是CO2、氩气或CO2-氩气混合物；然而， 也可以使用其他保护气。本发明的焊条可以是固体焊丝焊条、焊剂涂层焊条、 焊剂芯焊条、金属填充焊条等等。如此，本发明的焊条可以用于多种不同类 的焊接方法，例如，但不限定于，用合金芯/固体焊条的中性SAW焊剂、用 合金芯/固体焊条的合金SAW焊剂、用非合金芯/固体焊条的合金SAW焊剂、 用合金/非合金外壳及合金/非合金填料的芯焊条。可以理解，也可以使用其他 类的焊条和/或其他类的焊接方法。由本发明的焊条形成的堆焊合金的硬度范 围是约25-64RC(焊接的或回火的)，且ASTM G-65磨损值的范围是约1-3g。
由本发明的焊条所形成的堆焊合金具有独特的铬、氮、及铌和/或钒的组 合。通常，由本发明的焊条所形成的堆焊合金包括至少约7％的铬；至少约 0.02％的氮；和至少约0.3％的铌和/或至少约0.05％的钒。通常堆焊合金还含 有占多数的铁。
在一个非限定性实施例中，由本发明的焊条所形成的堆焊合金按重量百 分比计包括：
Cr     8-20％
N      0.03-0.3％
Nb     0.4-2.5％
V      0.08-0.5％
在另一个非限定性实施例中，由本发明的焊条所形成的堆焊合金按重量 百分比计包括：
C     0.05-0.3％
Cr    10-18％
Mn    0.5-5％
Mo    0.2-4％
N     0.05-0.25％
Nb    0.5-2％
Ni    1-9％
V     0.1-0.4％
Fe    60-88％
仍然在另一个非限定性实施例中，由本发明的焊条所形成的堆焊合金按 重量百分比计包括：
Al    0-0.05％
C     0.1-0.2％
Co    0-0.05％
Cr    10-15％
Cu    0-0.1％
Mn    1-3％
Mo    0.5-2％
N     0.05-0.2％
Nb    0.5-1.5％
Ni    3-6％
P     0-0.02％
S     0-0.02％
Si    0-1.5％
Ta    0-0.02％
Ti    0-0.01％
V     0.1-0.3％
Fe    65-85％
上面所提出的用于形成堆焊合金的焊条一般是芯焊条；然而，可以理解 焊条可以是固体焊丝焊条，包括焊剂涂层的固体焊丝焊条、包括焊剂涂层的 焊剂芯焊条和/或其他焊条。本发明的焊条可以是气体保护焊条、自保护焊条、 带状材料(使用带状覆层等)、手动焊条、具有活性焊剂的子弧焊条等。在本 发明的一个非限定性实施例中，焊条是包括金属外壳和填充组合物的芯焊条。 金属外壳通常主要由铁合金构成(如：碳钢、低碳钢、不锈钢、低合金钢等)。 当焊条是芯焊条时，典型地，填充组合物至少构成焊条总重量的约1重量百 分比，且不超过焊条总重量的约60重量百分比，典型地，占焊条总重量的约 10-55重量百分比，更典型地，占焊条总重量的约15-50重量百分比，且 更加典型地，占焊条总重量的约20-40重量百分比；然而，可以理解，可以 使用其他重量百分比。填充组合物可以含有一种或多种成渣剂，用于促进堆 焊合金的形成和/或至少部分防护形成的堆焊避免大气的损坏；但是这不是必 需的。填充组合物一般包括一种或多种选自至少很接近地与需要的堆焊组合 物相匹配、和/或达到所要形成的堆焊合金性能的金属合金剂。
在一个非限定性实施例中，金属外壳或固体焊丝组合物按重量百分比计 如下：
铝    最多1％
碳    最多1.1％
铁    55-99.95％
锰    最多5％
在另一个非限定性实施例中，金属外壳或固体焊丝组合物按重量百分比 计如下：
铝    0-0.6％
硼    0-1％
钙    0-0.01％
碳    0-0.6％
钴    0-0.05％
铜    0-4％
铬    0-25％
铁    60-99.9％
锰    0-4％
汞    0-10ppm
钼    0-7％
铌    0-2.5％
镍    0-26％
氮    0-0.4％
磷    0-0.06％
硒    0-0.5％
硅    0-3％
硫    0-0.1％
钽    0-0.02％
锡    0-0.1％
钛    0-0.7％
钒    0-0.5％
锌    0-0.1％
锆    0-0.3％
仍然在另一个非限定性实施例中，金属外壳或固体焊丝组合物按重量百 分比计如下：
铝    0.01-0.1％
硼    0-0.05％
钙    0-0.01％
碳    0.01-0.45％
钴    0-0.05％
铜    0-0.2％
铬    0-14％
铁    90-99.87％
镁    0-0.4％
锰    0.05-1.9％
汞    0-4ppm
钼    0-1％
镍    0-5％
铌    0-1％
氮    0-0.1％
磷    0-0.04％
硒    0-0.2％
硅    0-0.6％
硫    0-0.05％
钽    0-0.05％
锡    0-0.05％
钛    0-0.1％
钒    0-0.25％
锆    0-0.2％
锌    0-0.05％
可以理解，金属外壳或固体焊丝也可以有其他成分。
在本发明的焊条的一个非限定性实施例中，其中焊条包括金属外壳及填 充组合物，填充组合物中的金属粉末基于焊条的总重量百分比如下：
铝    0-4％
铬    0-25％
镁    0-2％
锰    0-5％
钼    0-5％
铌    0-3％
镍    0-20％
硅    0-4％
钒    0-2％
在本发明的焊条的另一个非限定性实施例中，其中焊条包括金属外壳及 填充组合物，填充组合物中的金属粉末基于焊条的总重量百分比如下：
铝    0-2％
碳    0-1％
钴    0-0.5％
铜    0-2％
铬    0-18％
铁    0-20％
镁    0-1％
锰    0-4％
钼    0-2％
铌    0.05-2％
镍    0-15％
硅    0-2％
钽    0-0.08％
钒    0.05-0.8％
在本发明的焊条的另一个非限定性实施例中，其中焊条包括金属外壳及 填充组合物，填充组合物中的金属粉末基于焊条的总重量百分比如下：
铝    0-1％
碳    0-0.3％
钴    0-0.06％
铜    0-0.01％
铬    1-15％
铁    0-8％
镁    0-0.4％
锰    0-1.5％
钼    0-1％
铌    0.1-0.8％
镍    0-8％
硅    0-0.9％
钽    0-0.05％
钛    0-0.08％
钒    0.05-0.3％
锌    0-0.004％
可以理解，也可以使用其他填充组合物。
填充组合物可以含有一种或多种焊剂和/或焊渣组分；但是，这不是必需 的。焊剂和/或焊渣组分，当包含于填充组合物中时，可以含有一种或多种金 属氧化物(如：氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、氧化镁、氧化 铌、氧化钾、二氧化硅、氧化钠、氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锆等)、金 属碳酸盐(如：碳酸钙、碳酸镁等)、和/或金属氟化物(如：氟化钡、氟化 铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、聚四氟乙烯等)和/或其他耐熔的含硅物料。 这些一种或多种焊剂和/或焊渣组分可以用于改善电弧稳定性、提供气体保 护、改性焊渣特点、改性堆焊合金的组成等。当填充组合物中含有焊剂和/或 焊渣组分时，这些焊剂组分通常构成小于填充组合物的约50重量百分比，典 型地小于填充组合物的约30重量百分比，且更典型地约填充组合物的2-15 重量百分比；但是，可以理解，也可以使用其它重量百分比。
本发明的一个目的是提供一种用于在加工件上形成合金的焊条。
本发明的另一个和/或可替代的目的是提供一种用于形成在高温及高机 械应力作用下的材料上的堆焊合金的焊条，以延长该材料的寿命。
本发明的另一个和/或可替代的目的是提供一种用于形成减少“烧成裂 纹”倾向的堆焊合金的焊条。
本发明的另一个和/或可替代的目的是提供一种用于形成在堆敷物中具 有低的铁素体含量的堆焊合金的焊条。
本发明的再一个和/或可替代的目的是提供一种用于形成可降低在热循 环变化期间合金敏化作用的堆焊合金的焊条。
这些目的及优点将从发明与现有技术之间区别的讨论中变得清晰起来。
发明的详细描述
参见随后对发明的描述，目的仅在于说明本发明的优选实施方式，而不 在于限定本发明，本发明的焊条为在金属表面制得合金如堆焊合金组合物而 配制。当合金是堆焊合金时，堆焊合金在焊接状态和/或回火状态下的平均硬 度是25-65RC。特别配制所形成的堆焊合金，以形成高铬焊接金属合金体系， 用作易受高温及高机械应力的金属表面。该应用的一种是将堆焊合金用于轧 钢机外层支承辊；然而，可以理解，该堆焊合金也可以用于其他应用中。还 可配制所制得的堆焊合金，使其具有抗“烧成裂纹”的倾向，因此延长其表 面有堆焊合金的金属材料的寿命。还配制所形成的堆焊合金，以减少在合金 基体上的铁素体的含量。典型地，堆焊合金中含有小于约6％、更典型地小于 约4％的铁素体，更特别地小于约2％的铁素体，且仍然更特别地小于1％的 铁素体。进一步配制所形成的堆焊合金，以降低可能发生于热循环变化期间 的合金的敏化作用。
设计及配制本发明的焊条，以使形成的堆焊合金组合物可以以任何适当 的焊接方式及方法来堆敷，例如但不限定于开弧、气体或焊剂保护等方法。 本发明的焊条可以是固体焊丝、芯焊条、涂层焊条或涂层芯焊条。当焊条是 涂层和/或芯焊条时，涂层和/或在芯内的填充材料含有合金试剂、焊剂试剂、 焊渣试剂、气体产生试剂等。焊条可以是自保护焊条和/或可以在保护气的存 在下使用。形成的堆焊合金的应用，可以是直接堆敷金属颗粒于加工件上， 和/或可以喷雾涂覆于加工件上。同样的，形成的堆焊合金可以通过各种方法 来应用，例如但不限定于埋弧焊(SAW)、气体保护金属极电弧焊(SMAW)、 及药芯焊丝电弧焊(FCAW)、金属极气体电弧焊(GMAW)、钨极惰性气体 电弧焊(TIG)、金属喷雾等。
以下提出由本发明的焊条所形成的、以重量百分比计的一个非限定性堆 焊合金的化学分析：
C     0.1-0.2％
Cr    10-15％
Mn    1-3％
Mo    0.5-2％
N     0.05-0.2％
Nb    0.5-1.5％
Ni    3-6％
V     0.1-0.3％
Fe    65-85％
将说明堆焊合金的每种组分所料想的功能；然而，可以理解这只是组分 的料想功能，因此，组分还可能在堆焊合金中有其他或另外的功能。认为堆 焊合金中的碳会影响堆焊合金的硬度水平，且还会影响堆焊合金的铁素体的 含量。通常堆焊合金中碳含量至少是堆焊合金的约0.04重量百分比，且小于 约0.35重量百分比。认为堆焊合金中的铬会影响堆焊合金的耐腐蚀性，还会 影响堆焊合金的铁素体的含量。通常，堆焊合金的铬含量至少是堆焊合金的 约7重量百分比，且小于约25重量百分比。认为堆焊合金中的锰起脱氧剂的 作用，还可以减少或防止堆焊合金的热裂纹。通常堆焊合金的锰含量至少是 堆焊合金的约0.4重量百分比，且小于约6重量百分比。认为堆焊合金中的 钼会影响堆焊合金的耐腐蚀性，且还会影响堆焊合金的铁素体的含量。通常， 堆焊合金的的钼含量至少是堆焊合金的约0.15重量百分比，且小于4.5重量 百分比。认为堆焊合金中的氮会降低或防止堆焊合金的敏化作用。通常，堆 焊合金中的氮含量至少是堆焊合金的约0.02重量百分比，且小于约0.35重量 百分比。认为堆焊合金中的铌会增加堆焊合金的耐回火性，还会抑制或防止 堆焊合金的敏化作用。通常，堆焊合金的铌含量至少是堆焊合金的约0.3重 量百分比，且小于约3重量百分比。认为堆焊合金中的镍会影响堆焊合金的 耐腐蚀性；影响堆焊合金的强度、刚度及展延性，以及还影响堆焊合金铁素 体的含量。通常，堆焊合金的镍含量至少是堆焊合金的约0.5重量百分比， 且小于约10重量百分比。认为堆焊合金中的钒会增加堆焊合金的耐回火性， 也会抑制或防止堆焊合金的敏化作用。通常，堆焊合金的钒含量至少是堆焊 合金的约0.05重量百分比，且小于约0.6重量百分比。堆焊合金可以含有一 种或多种其他组分，例如但不限定于：铝、硅和/或钛。当堆焊合金中含有铝 时，认为铝会影响堆焊合金中的铁素体的含量。通常堆焊合金中的铝含量要 小于约0.2重量百分比。当堆焊合金中含有硅时，认为硅对堆焊合金起脱氧 剂的作用。通常，堆焊合金中的硅含量小于约2重量百分比。当堆焊合金中 含有钛时，认为钛会影响堆焊合金中铁素体的含量。通常，堆焊合金中钛含 量小于约0.1重量百分比。
以下提出由本发明的焊条所形成的堆焊合金的、以重量百分比计的一个 非限定性实施例的化学分析：
Al    0-0.05％
C     0.1-0.15％
Co    0-0.05％
Cr    10.5-13.5％
Cu    0-0.1％
Mn    1-1.8％
Mo    0.6-1.4％
N     0.06-0.12％
Nb    0.5-1％
Ni    3.5-5％
P     0-0.02％
S     0-0.02％
Si    0.5-1.5％
Ta    0-0.02％
Ti    0-0.01％
V     0.12-0.25％
Fe    74-84％
如上述提出的可形成堆焊合金的焊条的一个非限定性实施方式，是一种 由低碳钢外壳形成的焊条，且含有填充组合物。可以理解，也可以使用其他 类的金属外壳。焊条的低碳钢金属外壳的一种非限定性组合物占金属外壳的 重量百分比如下：
铝    0.02-0.08％
钙    0-0.003％
碳    0.02-0.09％
铜    0-0.08％
铬    0-0.1％
铁    98-99.87％
锰    0.07-0.3％
汞    0-4ppm
钼    0-0.04％
镍    0-0.1％
氮    0-0.01％
磷    0-0.02％
硅    0-0.1％
硫    0-0.03％
锡    0-0.03％
钒    0-0.03％
焊条中的填充组合物一般构成焊条的约25-35重量百分比。填充组合物 包括占多数重量百分比的金属粉末。填充组合物的最多约10重量百分比可以 含有非金属粉末组分。这些非金属粉末组分可以包括金属氧化物(如：氧化 铝、氧化镁、二氧化硅、氧化钠等)、碳酸盐(如：碳酸钙、碳酸镁等)、金 属氟化物(如：氟化钙等)以及其他元素及化合物(如：氮、磷、硫等)。这 些非金属粉末组分在填充组合物中可以用作填充剂材料，和/或用于改善电弧 稳定性、提供气体保护、改性焊渣特点、改性堆焊合金的组成等。
可用于本发明的焊条的填充组合物以占总焊条的重量百分比计的一个非 限定性实施例如下：
铝    0.1-0.5％
碳    0.02-0.25％
钙    0-0.002％
钴    0-0.03％
铬    10-15％
铜    0-0.005％
铁    3-7％
镁    0.05-0.3％
锰    0.5-1.5％
钼    0.4-1％
铌    0.4-0.7％
镍    3-7％
硅    0.2-0.7％
钽    0-0.03％
钛    0-0.05％
钒    0.1-0.3％
锌    0-0.003％
此处公开的内容，以及所讨论的实施方式的这些及其他修改，与本发明 的其他实施方式一样，对本领域技术人员来讲是清楚的且有启示的，由此， 可以明确地理解为前述说明的内容只是对本发明的描述，而非对其限定。
本申请是2005年1月24日申请的、名为“堆焊合金”的美国专利申请 (系列号为：11/041,815)的部分继续申请，该申请在此处引入作为参考。