不锈钢经常是使用具有和不锈钢基底基本相同化学组成的焊条或焊丝形式的 填焊金属进行焊接。由于所连接的基底金属的类型，这样做时会出现焊接金属的机 械性能和耐腐蚀性降低等问题。当焊接组合件用于如石化工业中出现的、存在硫化 氢暴露问题的腐蚀环境中时会特别麻烦。这种暴露会导致过度的腐蚀，尤其在焊接 金属上。过度的腐蚀会最终导致焊接部位过早失效。
对于那些要经受高剪切应力的焊接组合件，如用于压缩机中的叶轮，焊接金属 机械性能的降低和过度腐蚀不仅会导致焊接部位失效，而且也会损坏压缩机的其他 部件。例如所述叶轮也必须在极端的温度条件如在冬季的阿拉斯加或北海油田中常 遇到的极其寒冷的环境下仍能保持它们的性质。
焊接不锈钢用的填焊金属合金通常由铁和其他各种合金元素制成，一般包含：
(1)碳，过量的碳会以碳化物形式沉淀并消耗铬和其他功能性合金元素，降低 它们的有效含量，
(2)硅，虽然是用作还原剂的有用元素，但是对焊接金属的韧性却是有害的。 具体是硅含量超过1重量％时，会加速金属间化合物例如σ相的产生，并降低焊接 金属的耐腐蚀性和韧性，
(3)锰，是一种有效的还原性元素并可以提高焊接金属中氮的溶解性。锰含量 超过1.5重量％时会降低焊接金属的耐腐蚀性和韧性，
(4)磷，是不可避免地从炼铁原料中带来的，作为杂质保留在所得铁合金中。 应尽可能地降低磷的含量。超过0.04重量％的磷含量会降低耐点蚀性和韧性，并会 增大对高温脆裂的敏感性，
(5)硫，类似于磷，也是不可避免地由炼铁原料引入的，作为杂质保留在所得 铁合金中。超过0.02重量％的硫会降低其耐点蚀性和韧性，并会增大对高温脆裂的 敏感性，
(6)镍，是奥氏体稳定元素，会抑制焊接金属中铁素体相的形成，
(7)铬，是为确保不锈钢具有足够耐腐蚀性所必需的。过多的铬会促进金属间化 合物如σ相的形成，很大程度地降低钢铁的韧性。
(8)钼，是提高焊接金属耐点蚀性的元素。但它也会促进σ相的沉淀。故适量的 钼能提高焊接金属的耐点蚀性，同时又不会促进σ相的沉淀，
(9)铜，能提高耐腐蚀性，尤其是耐硫酸腐蚀。但是铜会降低焊接金属的韧性。
Murata等人的美国专利No.6,042,782揭示了一种用于自耗性或非自耗性电极 不锈钢焊接的，能形成具有优良耐腐蚀性和机械性能的焊接金属。所述焊接材料是 含有铁壳和被铁壳包封填焊材料的复合焊丝。
Ishikawa等人的美国专利No.5,556,561揭示了一种在奥氏体不锈钢和铁素体 钢之间形成焊接的方法。此方法可以形成具有高耐腐蚀性和高机械性能如拉伸强度 和韧性的光洁焊接金属。
优选采用坚韧的、耐腐蚀的马氏体不锈钢合金，如13Cr-4Ni不锈钢，用作叶轮， 如在低温石化工业环境中使用的压缩机上所用的叶轮。但是可商业购入的已有技术 的填焊金属不能提供在恶劣环境中所需的耐腐蚀性和极低温度下所需的强度。
因此，需要研制一种能焊接坚韧且耐腐蚀的不锈钢部件如13Cr-4Ni合金的组合 件，用于如压缩机用的叶轮上，并能在腐蚀或极低温度环境下仍保持其性能的方法 和焊料。

本发明涉及一种能用作填焊金属，能将不锈钢部件尤其是13Cr-4Ni型不锈钢 部件焊接成最终组合件的金属合金。此焊接用的填焊金属合金以重量百分数计含 有：最高为0.02％的碳、最高为0.8％的锰、最高为0.02％的磷、最高为0.015％的硫、 最高为0.6％的硅、4.5～5.5％的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.5％的铬、最高为0.1％ 的铜，余量基本上是铁和附带的杂质。
填焊金属合金以重量百分数计更适宜含有0.0001～0.02％的碳、0.0001～0.8％ 的锰、0.0001～0.02％的磷、0.0001～0.015％的硫、0.0001～0.06％的硅、4.5～5.5％ 的镍、0.4～0.7％的钼、10～12％的铬、0.0001～0.01％的铜，余量基本上是铁和附 带的杂质。
本发明还涉及一种焊接不锈钢部件的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供待焊的不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢合金形成；
(b)在1800°F～2000°F的温度下使要焊接的不锈钢部件成为奥氏体；
(c)采用常规电弧焊接技术，使用填焊金属焊接所述奥氏体部件形成焊接组合 件，所述填焊金属以重量百分数计，含有最高为0.02％宜为0.0001～0.02％的碳、 最高为0.8％宜为0.0001～0.8％的锰、最高为0.02％宜为0.0001～0.02％的磷、最高 为0.015％宜为0.0001～0.015％的硫、最高为0.6％宜为0.0001～0.6％的硅、4.5～ 5.5％的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.5％的铬、最高为0.1％宜为0.0001～0.01％的铜， 余量基本上是铁和附带的杂质；
(d)在930°F～1300°F的温度下将焊接好的组合件回火。
本发明方法的具体实施方式中，用上述填焊金属合金焊接制造一种压缩机的叶 轮，其中叶轮部件是不锈钢，较宜是13Cr-4Ni型不锈钢。本发明还涉及一种用本 发明的填焊金属焊接的不锈钢部件制造具有改进机械性能和耐腐蚀性能的可用于 低温、石化工业的压缩机叶轮。
本发明的优点将在所述的优选实施方式和附图中加以阐明，图中相同的数字代 表相同的部件。

图1是本发明制造的不锈钢叶轮的局部片段侧视图；
图2是沿图1中线II-II截取的叶轮片的截面图。

本发明提供一种独特的、在焊接不锈钢尤其是马氏体不锈钢部件时用作填焊金 属的金属合金组合物。由位于瑞典的ESAB和位于美国新泽西州的TECHALLOY公司 购得的填焊金属进行了试验评价。其中没有一种填焊金属能产生具有压缩机叶轮所 需硬度等级或者低温性能的焊缝。为了克服此问题，研制了可用于焊接不锈钢部件 的优选填焊金属合金。所述填焊金属合金尤其能和优选的基底金属即马氏体不锈钢 以及尤其优选的13Cr-4Ni型不锈钢基底金属相容合。所述填焊金属合金具有和 13Cr-4Ni不锈钢类似的化学组成。
填焊金属的优选组成根据所使用的焊接方法和所需焊条和焊丝类型的不同而 变化。当使用气体保护钨极电弧焊(下文为“GTAW″)和埋弧焊(下文为”SAW″)技术， 且填焊金属合金为实心焊条或实心焊丝的形式时，优选的填焊金属合金以重量百分 数计含有：最高为0.02％宜为0.0001～0.02％的碳、最高为0.6％宜为0.0001～0.6％ 的锰、最高为0.02％较适宜为0.0001～0.02％的磷、最高为0.015％宜为0.0001～ 0.015％的硫、最高为0.06％宜为0.0001～0.6％的硅、4.5～5.0％的镍、0.4～0.7％ 的钼、10～12.5％的铬、最高为0.1％宜为0.0001～0.1％的铜，余量基本上是铁和附 带的杂质。
当使用GTAW和SAW技术并且填焊金属合金为空心焊条或空心焊丝的形式时， 优选的填焊金属合金以重量百分数计含有：最高为0.02％或0.0001～0.02％的碳、 最高为0.6％或0.0001～0.6％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％的磷、最高为 0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、4.5～5.0％的 镍、0.4～0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量基 本上是铁和附带的杂质。
当使用保护金属极电弧焊(下文为“SMAW″)技术并且填焊金属合金为包覆电极 的形式时，优选的填焊金属合金以重量百分数计含有：最高为0.02％或0.0001～ 0.02％的碳、最高为0.8％或0.0001～0.8％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％ 的磷、最高为0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、 4.6～5.0％的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％ 的铜，余量基本上是铁和附带的杂质。
所述填焊金属合金必须能产生符合用于硫化氢用途的NACE MR0175要求。所述 NACE标准所测试的是在有害环境如在石化工业中常见环境中焊缝的耐腐蚀能力。 所述填焊金属合金也必须能形成在-152°F温度尤其在用于北海油田时具有所需低 温韧性的焊缝。可以用Charpy V切口碰撞试验测试其冲击韧性。
本发明的方法还提供能形成能满足上述各种要求的焊缝的最佳焊接条件。本发 明焊接方法所涉及的一般步骤包括：
(a)提供要焊接的可耐腐蚀和良好低温机械性能，组成例如13Cr-4Ni型不锈钢 的不锈钢部件；
(b)进行奥氏体化，此时先对不锈钢部件进行足够长时间的奥氏体化，要确保 所述部件受热均匀。所用时间不应太长以致晶粒长大。奥氏体化步骤的时间决定于 金属部件的厚度，金属部件厚度每英寸一般不超过1小时；
(c)焊接，用常规的电弧焊技术焊接所述部件。优选的焊接方法包括GTAW、SAW 和SMAW。上述本发明填焊金属合金组合物可以以实心焊条、实心焊丝、空心焊条、 空心焊丝或者包覆电极的形式使用。进行焊接形成焊接组合件时，焊接热量输入优 选不超过每英寸50,000焦耳；
(d)回火，将焊接组合件维持在某一特定温度下进行回火。回火时间的长短可 根据焊接组合件的厚度来变化。回火步骤的时间优选约为要回火金属组合件厚度每 英寸1小时。
当填焊金属为实心焊条或实心焊丝的形式，且焊接组合件是并用于硫化氢环境 用途时，使用GTAW或SAW技术焊接不锈钢部件，尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优选的 方法包括如下步骤：
(a)提供不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢制造；
(b)在1820°F～1950°F的温度下对要焊接的不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)使用GTAW或SAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为实 心焊条或实心焊丝的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的 碳、最高为0.6％或0.0001～0.6％的锰、最高为0.02％或0.0001～0.02％的磷、最高 为0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.6％或0.0001～0.6％的硅、4.5～5.0％ 的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.5％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量 基本上是铁和附带的杂质；
(d)在1225°F～1275°F的温度下进行焊接组合件的第一步回火；
(e)将已焊接并经第一步回火的组合件在1095°F～1145°F的温度下进行第二步 回火。
当填焊金属为空心焊条或空心焊丝的形式，且焊接组合件是用于硫化氢环境用 途时，使用GTAW或SAW技术焊接不锈钢部件，尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优选的方 法包括如下步骤：
(a)提供不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢制造；
(b)在1820°F～1950°F的温度下，对要焊接的不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)使用GTAW或SAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为空 心焊条或空心焊丝的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的 碳、最高为0.6％或0.0001～0.6％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％的磷、最 高为0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、4.5～5.0％ 的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量 基本上是铁和附带的杂质；
(d)在1225°F～1275°F的温度下进行焊接组合件的第一步回火；
(e)将已焊接并经第一步回火的组合件在1095°F～1145°F的温度下进行第二步 回火。
当填焊金属为包覆电极的形式，且焊接组合件是用于硫化氢环境用途时，使用 SMAW技术焊接不锈钢部件尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优选的方法包括如下步骤：
(a)提供具有所需组成的不锈钢部件；
(b)在1820°F～1950°F的温度下，对要焊接的不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)使用SMAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为包覆电极 的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的碳、最高为0.8％或 0.0001～0.8％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％的磷、最高为0.015％或 0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、4.6～5.0％的镍、0.4～ 0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量基本上是铁和 附带的杂质；
(d)在1225°F～1275°F的温度下进行焊接组合件的第一步回火；
(e)将已焊接并经第一步回火的组合件在1095°F～1145°F的温度下进行第二步 回火。
当填焊金属为实心焊条或实心焊丝的形式，且焊接组合件是用于温度为-152°F 的低温条件时，使用GTAW或SAW技术焊接不锈钢部件尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优 选的方法包括如下步骤：
(a)提供不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢制造；
(b)在1820°F～1950°F的温度下对上述不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)在950°F～1120°F的温度下将上述不锈钢部件回火；
(d)使用GTAW或SAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为实 心焊条或实心焊丝的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的 碳、最高为0.6％或0.0001～0.6％的锰、最高为0.02％或0.0001～0.02％的磷、最高 为0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.6％或0.0001～0.6％的硅、4.5～5.0％ 的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.5％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量 基本上是铁和附带的杂质；
(e)在约930°F～1120°F的温度下将焊接组合件回火。
当填焊金属为空心焊条或空心焊丝的形式，且焊接组合件是用于温度为-152°F 的低温条件时，使用GTAW和SAW技术焊接不锈钢部件尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优 选的方法包括如下步骤：
(a)提供不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢制造；
(b)在1820°F～1950°F的温度下对上述不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)在约950°F～1120°F的温度下将上述不锈钢部件回火；
(d)使用GTAW或SAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为空 心焊条或空心焊丝的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的 碳、最高为0.6％或0.0001～0.6％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％的磷、最 高为0.015％或0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、4.5～5.0％ 的镍、0.4～0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量 基本上是铁和附带的杂质；
(e)在约930°F～1120°F的温度下将焊接组合件回火。
在本发明焊接步骤(d)中使用GTAW或SAW焊接技术时，焊接热量输入优选不超 过每英寸50,000焦耳。
当填焊金属为包覆电极的形式，且焊接组合件是用于温度为-152°F的低温条件 时，使用SMAW技术焊接不锈钢部件尤其是13Cr-4Ni型不锈钢优选的方法包括如下 步骤：
(a)提供不锈钢部件，宜由13Cr-4Ni型不锈钢制造；
(b)在1820°F～1950°F的温度下对上述不锈钢部件进行奥氏体化；
(c)在约950°F～1120°F的温度下将上述不锈钢部件回火；
(d)使用SMAW技术焊接所述部件形成焊接组合件，所述填焊金属为包覆电极 的形式，以重量百分数计含有最高为0.02％或0.0001～0.02％的碳、最高为0.8％或 0.0001～0.8％的锰、最高为0.015％或0.0001～0.015％的磷、最高为0.015％或 0.0001～0.015％的硫、最高为0.3％或0.0001～0.3％的硅、4.6～5.0％的镍、0.4～ 0.7％的钼、10～12.0％的铬、最高为0.1％或0.0001～0.1％的铜，余量基本上是铁和 附带的杂质；
(e)在约930°F～1120°F的温度下将焊接组合件回火。
本发明优选的一个实施方式包括使用上述任意一种焊接方法，所用的金属 部件是不锈钢，宜为马氏体不锈钢，更宜为13Cr-4Ni型不锈钢，并为叶轮组合 件的叶轮片、轮毂和覆盖部件。所得叶轮组合件适宜用于压缩机中。
优选用本发明焊接的部件的不锈钢合金组合物是13Cr-4Ni型不锈钢。合金 13Cr-4Ni以重量百分数计含有：0.015～0.03％碳、12～14％铬、3.5～4.5％镍、0.3～ 0.7％钼、0.3～0.6％硅、0.5～1％锰、最高为0.025％的磷、0.005％的硫、0.02～0.05％ 的氮，余量基本上为铁和附带的杂质。
图1和图2显示了本发明压缩机叶轮组合件6。叶轮组合件6包括轮毂1和盖 片2，通过焊珠连有许多叶片3。叶轮组合件6还包括轴孔5，用于固定在压缩机 的驱动轴(未显示)上。叶片3第一边焊接在轮毂1的一边上，其另一边焊接在盖片 2的一边上。本发明优选的实施方式中，轮毂1、盖片2和叶片3都由不锈钢、较 宜由马氏体不锈钢、更宜由13Cr-4Ni型不锈钢制成。形成焊珠4的填焊金属是本 发明的填焊金属合金组合物。本发明的一个方面就是以这种方式在轮毂1上焊接许 多叶片3，完成叶轮组合件的结构。
使用本发明的方法和填焊合金制造的叶轮组合件6发现符合用于硫化氢环境用 途的NACE MR0175要求，而且通过Charpy V切口碰撞试验的测量，也证实了例如 温度如为-152°F时所需的韧性。
上述方法用于制造压缩机用叶轮时，也能提供一种更为有效的叶轮制造方法。 本发明的方法只要求低的预热温度，不要求对所得叶轮组合件进行完全的热处理。 按照本发明所得的叶轮也可提供某一材料的通用压缩机叶轮，而不是专门针对每种 想要的使用环境定制结构材料，这样就提高了使用效率。优选的13Cr-4Ni型不锈 钢用本发明的填焊金属合金可焊性的提高就减小了维修成本和制造周期。这些改进 降低了所得压缩机叶轮组合件的总体制造成本。
虽然详细说明了本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以明白，根据本 说明书的总体内容，可以作出对本发明细节方面的各种修改和替换方案。本文优选 的实施方式仅仅是说明性的，而不是用来限制本发明范围的，而该范围将详细地由 所附权利要求书和所有任意的等价内容所限定。