[0003]
申请人请求2009年11月25日提交的美国
专利临时申请No.61/264,612和2010年01月19日提交的美国专利非临时申请No.12/689,637的权益和优先权。2.技术领域
[0004] 本发明大体上涉及一种合金、一种堆焊层(overlay)及其方法。更具体地，本发明涉及一种
铁-铬-
碳-镍基耐磨堆焊(hardfacing)合金，用于作为
焊接堆焊层(weld overlay)使用以保护
钢制零件免于磨损，焊接的堆焊层和其方法。3.背景技术
[0005]
锅炉管和
压力容器，往往由钢材制成，通常是暴露在恶劣的环境中，包括但不限于高温
腐蚀或侵蚀腐蚀(erosion-corrosive)条件。为了保护锅炉管和压力容器，焊接堆焊层可应用于锅炉
水墙和压力容器的至少一部分。
发明内容
[0006] 根据以下所述的各种示例性的
实施例，为具有约0.5重量％至约2重量％的碳，约15重量％至约30重量％的铬，约4重量％至约12重量％的镍，最高达到约3重量％的锰，最高达到约2.5重量％的
硅，最高达到约1重量％的锆，最高达到约3重量％的钼，最高达到约3重量％的钨，最高达到约0.5重量％的
硼，最高达到约0.5重量％的杂质，以及铁的合金。
[0007] 根据另一个示例性的实施例，以下公开了一种具有约0.38重量％至约1.9重量％的碳，约11.25重量％至约28.5重量％的铬，约3重量％至约11.4重量％的镍，最高达到约2.85％的锰，最高达到约2.375％的硅，最高达到约0.95％的锆，最高达到约2.85％的钼，最高达到约2.85％的钨，最高达到约0.498％的硼，最高达到约1％的杂质，以及余量为铁的堆焊层。
[0008] 根据另一个示例性的实施例，以下公开了一种将合金施加于基体上从而形成堆焊层的焊接方法。该合金可以具有约0.5重量％至约2重量％的碳，约15重量％至约30重量％的铬，约4重量％至约12重量％的镍，最高达到约3重量％的锰，最高达到约2.5重量％的硅，最高达到约1重量％的锆，最高达到约3重量％的钼，最高达到约3重量％的钨，最高达到约0.5重量％的硼，最高达到约0.5重量％的杂质，以及铁。基体是由选自
碳钢、低
合金钢、Cr-Mo钢和
不锈钢组成的组的材料形成。
[0009] 尽管将结合各种优选的示例性实施例描述本发明，但需要理解的是，并不是要把本发明限定为这些实施例。相反，希望符合所有替换、变化和等同，因为可以包括在本发明由所附
权利要求所限定的精神和范围内。
具体实施方式
[0010] 在一个示例性的实施例中，一种合金包括约0.5至约2％的碳，约15至约30％的铬，约4至约12％的镍，约0至约3％的锰，约0至约2.5％的硅，约0至约1％的锆，约0至约3％的钼，约0至约3％的钨，约0至约0.5％的硼，0至总共约0.5％的杂质，以及余量为铁。所有这里公开的百分比为重量百分比，除非另有注明。另外，在公开范围时，除非另有注明，将旨在描述和公开了所有中间的范围。因此，作为一个非限制的示例，公开了约0.5至约2％的碳，则包括：约0.5重量％至约1.9重量％的碳、约0.5重量％至约1.8重量％的碳、约0.6重量％至约2重量％的碳等。尽管如此，为了理解清楚，在本文中还是公开了各种替代和优选的范围。
[0011] 在一个可选的实施例中，该合金包括约0.7至约1.5％的碳，约18至约25％的铬，约5至约10％的镍，约0至约2％的锰，约0至约2％的硅，约0至约0.5％锆，约0至约2％的钼，约0至约2％的钨，约0至约0.5％的硼，约0至总共约0.5％的杂质，以及余量为铁。在更进一步的实施例中，该合金包括约0.8至约1.3％的碳，约18至约25％的铬，约5至约
10％的镍，约0至约2％的锰，约0至约2％的硅，约0至约0.5％锆，约0至约2％的钼，约
0至总共约0.5％的杂质，以及余量为铁。
[0012] 在更进一步的实施例中，此处所描述的任何合金都可以包括约0至约2.5％的硅，可选地约0至约2.4％的硅，可选地约0至约2.3％的硅，可选地约0至约2.2％的硅，可选地约0至约2.1％的硅，可选地约0至约1.9％的硅，可选地约0至约1.8％的硅，可选地约0至约1.7％的硅，可选地约0至约1.6％的硅，可选地约0至约1.5％的硅，可选地约0至约1.4％的硅，可选地约0至约1.4％的硅，可选地约0至约1.3％的硅，可选地约0至约1.2％的硅，可选地约0至约1.1％的硅，可选地约0至约1％的硅，可选地约0至约0.9％的硅，以及等等。在一个可选的实施例中，此处所描述的任何合金可以包括，没有锰，可选地锰作为杂质存在于此处所描述的任何合金中，此处所描述的任何合金可选地具有约0.5至约2％的锰，可选地约1至约1.5％的锰，可选地约1.5％的锰，可选地约2％的锰。
[0013] 在一个实施例中，焊接此处所描述的合金的堆焊层包括，铬与镍的比例为约2.0至约4.5，可选地约2.5至约4.5，可选地约3至4.5，可选地约3至约4，可选地约2至约3。不希望被理论束缚，申请人相信包含关键数量镍的铁铬-碳合金具有令人惊讶的良好的延展性和韧性，以便在作为焊接的堆焊层被施加在锅炉或加工容器上是，该焊接的堆焊层不易于产生
应力裂缝。因此，在一个实施例中，完全应用该焊接的堆焊层后，该焊接的堆焊层基本上没有应力裂缝。进一步，不希望被理论束缚，申请人相信合金中足量的碳可以形成足够的低共熔碳化铬硬质相，这可以提供侵蚀保护，合金中足量的铬可以形成保护性
氧化铬皮，这可以抵抗高温腐蚀或糜烂腐蚀。
[0014] 该合金可以被施加于任何适合的基体上，包括但不限于由碳钢、
低合金钢、Cr-Mo钢，或不锈钢形成的基体，以形成堆焊层。在一个实施例中，该合金被施加于可以为在锅炉或其他压力容器中压力边界的基体的至少一部分，例如一般由一系列连接管组成的炉墙(也被称为水墙)，以形成堆焊层。在基体上施加合金以形成堆焊层的方法可以为任何适当的金属连接方法，包括但不限于钎焊、
激光熔覆、和优选地任何适合焊接的方法，该焊接方法包括但不限于气体金属弧焊、气体钨极
电弧焊、
埋弧焊、
电渣焊、等离子转移弧焊、和激光焊。
[0015] 不希望被理论束缚，申请人相信合金被施加于基体后，所得到堆焊层具有足够的延展性和硬度，以至该堆焊层不容易应力开裂：甚至当一定量的焊接堆焊层被施加于从几平方英尺(平方米)至数千平方英尺(平方米)不同的面积时，可选地约50平方英尺(约4.6平方米)至约5000平方英尺(约460平方米)或更大，可选地约100平方英尺(约9.3平方米)至约1000平方英尺(约93平方米)，可选地约200平方英尺(约18.6平方米)至约900平方英尺(约83.6平方米)，可选地约200平方英尺(约18.6平方米)至约600平方英尺(约55.7平方米)。优选地，该堆焊层具有约4％至约20％的伸长率，可选地约6％至约15％的伸长率。为了本发明的目的，包括以下示例，伸长率被理解为通过是室温拉伸试验而被测量，符合ASTM E8/E8M-08。优选地，该堆焊层在
热处理前具有大约Rockwell“C”数值RC 25或者更高的硬度，可选地具有大约Rockwell“C”数值RC 30或者更高的硬度，可选地具有大约RC 30至大约RC45的硬度。在另一个实施例中，该堆焊层可以在焊接热处理后具有大约RC 30至大约RC 50或更高的硬度。为了本发明的目的，包括以下示例，硬度被理解为按照ASTM E384-08a进行测量，使用Vickers硬度测试仪500克负载下在焊接堆焊层的截面上测量。该Vickers硬度数值再被转变为按照ASTM E140-07的Rockwell C数值。
[0016] 当合金通过焊接被施加于基体上，通常地合金和基体都
熔化，
凝固后，所得到的焊接堆焊层具有的组成等于由被熔化基体至的少一部分所稀释的合金组成。在一个实施例中，在元素
基础上，以重量百分比，该焊接堆焊层的组成可以等于，在元素基础上，稀释约5％至25％后的合金组成，可选地稀释大约10％，这依赖于各种因素包括基体元素组合、焊接工艺和焊接参数。相应地，上述焊接堆焊层的组成，在元素基础上，除去铁和杂质外，在将合金施加于基体上之后，可各自独立地与预焊接合金相比，减少大约5％至大约25％，可选地减少大约10％，。该焊接堆焊层与合金相比可以具有更高重量百分比的铁和杂质。在一个实施例中，焊接堆焊层具有最高达到1.5重量％的杂质，可选地最高达到1重量％的杂质，可选地最高达到0.5重量％的杂质。作为非限制性的例子，将合金施加于基体后，在焊接堆焊层中铬的百分比可以被合金中铬的百分比低大约10％，并且焊接堆焊层中镍的百分比可以比合金中镍的百分比低等于、高于或低于10％。
[0017] 在一个实施例中，堆焊层可以在约1200℉(约648.8℃)以上的炉温下在炉中被热处理，可选地在约1400℉(约760℃)以上或更高，持续最高达到大约1个小时或更长时间，这取决于成分的量。不希望被理论束缚，申请人相信堆焊层的热处理可以增加堆焊层的硬度。
[0018] 如下示例所描述的，制备表1所示的焊接堆焊层。在浙西示例中，伸长率和硬度根据上述方法测量，焊接堆焊层碳含量化学分析根据ASTM E1019-03执行，焊接堆焊层中所有其他元素的化学分析根据ASTM E572-02a(2006)执行。
[0019] 表1焊接堆焊层室温拉伸性能
[0020]*
[0021] YS ksi是指测量的每平方英寸千磅力的屈变力(该数值也以兆帕，MP给出)。**
[0022] UTS ksi是指测量的每平方英寸千磅力的极限
抗拉强度(该数值也以兆帕，MP给出)。
[0023] 示例1
[0024] 金属“A”填料包括1.1重量％的碳，21重量％的铬，2.8重量％的镍，0.6重量％的钼，1.0重量％的锰，1.0重量％的硅和余量为铁以及杂质，在四分之三英寸厚的碳钢板上，将金属“A”填
料堆焊在大约3英寸宽乘15英寸长的面积上。在横向进展模式下用以下焊接参数，将气体金属弧焊用于制备焊接堆焊层样品：26伏，190～200安培，23英寸每分钟(ipm)的运行速度，送线速度235ipm，使用98％的氩气和2％氧气作为屏蔽气。焊接堆焊层的化学分析结果为18.4重量％的铬，1.02重量％的碳，2.5重量％的镍以及其他微量元素。该焊接堆焊层显示了Rockwell“C”数值范围从RC 34至RC 38的硬度。通过加工基体钢和不均匀堆焊层表面，制备焊接堆焊层的两个平面拉伸式样。两个式样均进行拉伸测试并且测试结果均为3％的伸长率。
[0025] 示例2
[0026] 金属“B”填料包括0.93重量％的碳，19.8重量％的铬，6.7重量％的镍，0.7重量％的钼，1.9重量％的锰，1.4重量％的硅和余量为铁以及杂质，被堆焊在在与示例1中相同尺寸的碳钢板上。在横向进展模式下用以下焊接参数，气体金属弧焊被用于制备焊接堆焊层样品：25伏，195～205安培，28ipm的运行速度，送线速度310ipm，屏蔽气由98％的氩气和2％氧气组成。焊接堆焊层的化学分析结果为0.84重量％的碳，17.5重量％的铬，6.6重量％的镍，1.3重量％锰，0.6重量％钼，1.2重量％硅和余量为铁以及杂质。该焊接堆焊层显示了Rockwell“C”数值范围从RC 29至RC 34的硬度。通过加工基体钢和不均匀堆焊层表面，制备焊接堆焊层的两个平面拉伸式样。第一个拉伸测试结果为17％的伸长率，第二个拉伸测试结果为18％的伸长率。
[0027] 示例3
[0028] 金属“C”填料包括1.08重量％的碳，24.77重量％的铬，6.74重量％的镍，0.56重量％的钼，1.99重量％的锰，1.5重量％的硅和余量为铁以及杂质，被堆焊在在与示例1中相同尺寸的碳钢板上。在横向进展模式下用以下焊接参数，气体金属弧焊被用于制备焊接堆焊层样品：25伏，195～205安培，28ipm的运行速度，送线速度310ipm，屏蔽气由98％的氩气和2％氧气组成。焊接堆焊层的化学分析结果为1.06重量％的碳，22.9重量％的铬，
