专利名称：一种多元成分硬面焊合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料，特别是涉及一种多元成分硬面焊合金。
背景技术：
随着金属材料研发的进步，金属材料具备高强度、高韧性、高加工性、价格便宜等特性，因此金属材料的应用广泛，不论是机械制造、模具加工、营建业、造船工业、汽车工业等，其使用量都非常庞大，因此造成全球性的金属材料的需求量持续增加，成为用料最多且运用最广的结构材料。但由于目前的金属材料表面的洁净度增加、粗糙度降低，因此金属材料之间的接合需要更佳的焊接效率。
大部分的机件设备发生失效模式并不是起因于断裂损坏，而是导因于个别零件间接和磨损所产生的结果，因此如何有效克服组件之间因为相互磨耗所产生的问题，是一个很重要的课题。此外就目前的工作环境而言，许多机器组件如压铸机、锻造机具、铜线压延设备、挤型设备冷轧机等，都需要在高温的环境之中作业操作，因此其必须面对更严苛的高温磨耗考验；而在高温的环境下金属材料的硬度明显下降，抗拉强度变差与软化情况严重，因此其选用硬面焊的焊覆材料更显重要。
目前解决金属材料在高温环境下的缺点，增加其表面抗磨耗物理性质，硬面技术处理是有效率的方法之一，一般而言利用焊接、热喷焊等类似制作工序加工，可以有效地降低磨耗、锈蚀等其它原因所造成的损失。
硬面技术处理是根据材料的应用，促进了硬面技术的发展和完善，硬面焊材料按其性质可分为铁基合金、镍基合金、钴基合金、陶瓷材料、自熔合金、碳化钨材料、特殊合金材料、复合材料等；依照硬面焊材料的产品的形式可分为合金丝、合金粉末及复合粉末、陶瓷粉末、金属陶瓷粉末、纳米粉末、带材、棒材、裸焊条、电焊条、管状焊条、管状丝、软线等。
例如美国专利US4728493，此专利配方的原子及其百分比为铬(Cr)45-60％、镍(Ni)25-44％、钼(Mo)6.5-12％、钶(Cb)2.0-4.5％、碳(C)1.5-2.8％、硫(S)0.4-1.2％，其属于以铬基合金为主要成分，适用于易遭水气环境侵蚀下的环境之中，因此可用于钻油平台的硬面建材，其硬面性质的构成要件是依靠其配方中添加的碳元素与重金属元素，利用产生碳化物析出增加硬面强度，而其防锈蚀的主要机制是依靠铬元素的大量添加。
此外，为了接触面硬度的需求，也有专利广泛采用铁基合金为配方主要成分，例如美国专利US5431136及US4810464。其中US5431136强调可以在不使用铝元素和硼元素的情形之下，适合于钻油平台的钻油头的硬面焊，其配方成分除了铁之外，其它原子及其百分比分别为碳(C)1.3-2％、铬(Cr)19-23％、钼(Mo)8-11％、镍(Ni)17-21％、锰(Mn)6-13％、硅(Si)＜0.5％、氧(O)＜0.06％，也同样是依靠碳化物析出增加硬面强度。而US4810464则是强调可以不使用钴元素的情况下达到相同硬度的铁基合金成分配方，其成分配方除了铁之外，其它原子及其百分比分别为硼(B)3-5％、镍(Ni)27-43％、硅(Si)0.1-5％、碳(C)0.2-1.5％、锰(Mn)0.1-2％以及大约10％的铬(Cr)，其利用硼化物与碳化物析出增加硬面强度，但是其硬面焊焊条制造过程中必需在真空中利用等离子处理其合金配方粉末，因此其焊条量产制作工序复杂难以有效大量应用。
美国专利US6793878属于以钴基合金为主要成分，具备高温稳定耐磨以及抗氧化特性。而美国专利US4331741则属于以镍基合金为主要成分，具备高温稳定耐磨特性，其配方成分除了镍之外，其它原子及其百分比分别为铬(Cr)27-30％、钼(Mo)7-9.5％、钨(W)4-6％、锰(Mn)0.75-1.3％、钛(Ti)0.05-0.5％、钶(Cb)0.2-0.75％、碳(C)1.2-1.8％、硅(Si)1-1.75％、铁(Fe)＜5％，其利用碳化物析出与碳化钨的形成增加硬面强度，但是其焊条制造过程中，需配合使用特定大小的合金配方粉末，且需在真空中利用等离子处理法操作，因此其焊条制造方便性低大量商业使用有其困难性。
又如中国台湾专利TW567230揭露高乱度多元合金材料使用的概念，但是其并未针对硬面焊用途作其权利范围的保障。
硬面焊材料的组成成分可充分克服其所处的恶劣环境，也即其组成成分通常都是针对特定环境而加以调配，期望能够达到防止锈蚀、氧化等特定作用。
因此，硬面焊的焊覆材料若是选择不当会造成焊覆品质不佳、焊覆层与基材结合性不良等缺点，因此焊覆材料的选择有其重要性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种多元成分硬面焊合金，以解决先前技术所揭露的焊覆品质不佳、焊覆层与基材结合性不良的问题。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种多元成分硬面焊合金，运用多元成分的概念调配硬面焊材料成分配方，可具有在各种环境下最大泛用性的功能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多元成分硬面焊合金，其特点在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；以及锰元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，还包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的e％，2％≤e％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的f％，17％≤f％≤21％，而a％+b％+c％+d％+f％≤100％。
本发明还提供一种多元成分硬面焊合金，其特点在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；以及钼元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的e％，2％≤e％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的f％，17％≤f％≤21％，而a％+b％+c％+d％+f％≤100％。
本发明还提供一种多元成分硬面焊合金，其特点在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；
锰元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；以及钼元素，其原子百分比为合金总组成的e％，5％≤e％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，还包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的f％，2％≤f％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金，其特点在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的g％，17％≤g％≤21％，而a％+b％+c％+d％+e％+g％≤100％。
本发明的功效，在于以多元成分的概念，合金中每一元素原子百分比小于35％，运用多元成分的概念调配硬面焊合金材料成分配方，达到各种环境下最大泛用性的功能，作为焊覆材料的基本配方成分，此焊覆材料具备较低的操作温度与较佳的物理强度抗性、耐酸碱性、抗氧化性、接口填塞性等优点。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明的多元成分硬面焊合金的较佳实施例配方硬度数据；以及图2为本发明的多元成分硬面焊合金不包含钴元素的较佳实施例配方硬度数据。
具体实施例方式
本发明提出一种多元成分硬面焊合金，包括有铁、镍、铬、锰或钼，其中锰元素及钼元素择一使用，而铁元素的原子百分比为合金总组成的a％(5％≤a％≤35％)，镍元素的原子百分比为合金总组成的b％(5％≤b％≤35％)，铬元素的原子百分比为合金总组成的c％(5％≤c％≤35％)，以及锰或钼元素的原子百分比为合金总组成的d％(5％≤d％≤35％)，而a％+b％+c％+d％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金包含添加铝元素，其所添加的原子百分比为合金总组成的e％，2％≤e％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％；还可根据需要添加钴元素，其所添加的原子百分比为合金总组成的f％，17％≤f％≤21％，而a％+b％+c％+d％+f％≤100％；此外，本发明的多元成分硬面焊合金不包含例如硼或碳等特定元素。
本发明还提出一种多元成分硬面焊合金，包括有铁、镍、铬、锰及钼，其中铁元素的原子百分比为合金总组成的a％(5％≤a％≤35％)，镍元素的原子百分比为合金总组成的b％(5％≤b％≤35％)，铬元素的原子百分比为合金总组成的c％(5％≤c％≤35％)，锰元素的原子百分比为合金总组成的d％(5％≤d％≤35％)，以及钼元素的原子百分比为合金总组成的e％(5％≤e％≤35％)，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
上述多元成分硬面焊合金包含添加铝元素，其所添加的原子百分比为合金总组成的f％，2％≤f％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％；还可根据需要添加钴元素，其所添加的原子百分比为合金总组成的g％，17％≤g％≤21％，而a％+b％+c％+d％+e％+g％≤100％；此外，本发明的多元成分硬面焊合金不包含例如硼或碳等等特定元素。
本发明的多元成分硬面焊合金可以被应用在硬面焊技术，利用各种不同的热源和方法，将所需性能或功能的材料以粉状或是焊条形式加热至熔融、熔化或合金化状态，沉积到工件表面形成良好结合涂层的工艺方法，其显著的特征表现在(1)涂层材料，包括几乎所有的金属(合金)和非金属(陶瓷、金属陶瓷)以及各种复合材料。
(2)涂层制备，有火焰法、电弧法、气体保护法、等离子法、激光法等工艺方法，可在厂房内加工或在现场维修施工，灵活方便。
(3)基体材料，如超合金(或可焊性差)的基体材料可用低合金或碳钢替代，减少贵重金属消耗和改善硬面技术性能。
(4)热喷涂、喷焊和堆焊复合或联合使用，可达到更完美的技术效果。
(5)工件可多次修复、修补重用，进一步延长使用寿命。
本发明的多元成分硬面焊合金可以被运用于一般硬面焊的标准工法操作，但是其预热温度达到200度即可开始操作，无需像现有的硬面焊合金一样的预热温度需达到400度以上，以下详细地列出各实验例及其试验值，以便说明本发明的功效，但本发明的专利范围则非由这些实验例所完全代表。
实验例1的配方成分原子及其重量百分比为铁(Fe)28-29％、锰(Mn)18-19％、镍(Ni)30-31％、铬(Cr)17-18％、铝(Al)4-5％，将试片表面以本发明的多元成分硬面焊合金做一至四层的硬面焊处理之后，再测量其表面硬度并做比较，以证明其达到的硬面效果，从实验数据观察其经过硬面焊第一层后硬度提高为31HRC(Rockwell hardness，洛氏硬度)，经过硬面焊第二层后硬度提高为32HRC，经过硬面焊第三层后硬度提高为42HRC，经过硬面焊第四层后硬度维持42HRC。在同样的概念中，也可以进一步将本发明的多元成分硬面焊合金的配方做些许范围的修改之后也可以达到类似的硬面处理效果。
图1为本发明的多元成分硬面焊合金的较佳实施例配方硬度数据，如图1所示，将本发明实验例1的重量百分比范围区间改变为如实验例1A-1D的范围铁(Fe)14-29％、锰(Mn)18-32％、镍(Ni)16-31％、铬(Cr)14-31％、铝(Al)2-8％，其硬面的硬度介于40-51HRC，具备不同大气环境中使用的泛用性。
同样地，可以进一步将多元成分硬面焊合金的配方做些许范围的修改，做这些修改之后仍可以达到类似的硬面处理效果，例如本发明的实验例2，其重量百分比为Fe(24-26％)、Co(17-18％)、Ni(16-18％)、Cr(14-16％)、Mo(13-15％)、Al(8-9％)，又如本发明实验例3其重量百分比为Fe(17-20％)、Co(18-21％)、Ni(18-20％)、Cr(17-18％)、Al(4-5％)、Mn(18-19％)，又如本发明实验例4其重量百分比为Fe(23-26％)、Co(19-21％)、Ni(19-21％)、Cr(15-17％)、Al(5-6％)、Mo(10-12％)，都达到有效提高硬面性质到40HRC以上的目地。
最后在本发明概念中，实验例5A-5G以本发明的多元成分硬面焊合金，在针对不包含钴元素的情况下使用硬面焊技术，图2为本发明的多元成分硬面焊合金不包含钴元素的较佳实施例配方硬度数据，如图2所示，实验例5A-5G的原子及其重量百分比为Al(6-12％)、Cr(12-22％)、Mn(13-23％)、Fe(9-29％)、Ni(8-30％)、Mo(13-30％)，其硬面的硬度介于45-65HRC，也同样具备不同环境中使用的泛用性。总和以上种种实验例证明多元成分硬面焊合金的配方，具备提高硬面效能的可行性，可以同时在不同环境中展现其最大泛用性。
本发明使用多元成分的概念调配硬面焊材料成分配方，其合金配方成分的焊条制造过程可直接在大气环境中熔炼制造，其硬面强度强化的原理机制是遵循多元成分元素高乱度排列的原理，与一般硬面焊合金成分配方依赖碳化物或是硼化物析出的原理不同，也因为无碳化物或是硼化物，所以也不会有因为碳化物或是硼化物的存在而使硬面焊材料较脆的问题。
此外，由于本发明的多元成分符合热力学第二定理的高乱度高稳定性原理，因此具有例如抗氧化与抗腐蚀的特性，因此将可以达到在各种环境下最大可使用性与泛用性的功能，进一步可以成为硬面焊材料成分配方的整体解决方案。
为了制造具有各种环境下最大泛用性的硬面焊合金配方，本发明提供一种多元成分所组合而成的硬面焊合金，其逃脱了传统的具备一个主元素成分硬面焊合金配方设计架构，多元成分硬面焊合金配方所包含的每一种主要元素分别占合金总组成的原子百分比35％以下，从而同时在不同环境中展现其最大泛用性。此外本发明所提供的硬面焊合金配方成分的操作温度与传统配方相比，具备更低操作温度的特性，一般说来传统配方的硬面焊合金预热温度需达到400℃以上，本发明的预热温度只要200℃即可进行焊覆的操作，具备使用方便与操作简易的进步性。
本发明的个别成分合金以铁、镍、铬、钼和锰作为使用元素，其中每一种元素分别占合金总组成的原子百分比35％以下，并且经过实际的测试证明，多元成分硬面焊合金配方在不同环境中具有优异的硬面性质。本发明的多元成分合金提供了硬面焊合金设计上更大的自由度，同时其成分比例可以针对所需的各种不同性质来加以微调整和改变。而本发明即根据多元成分的设计理念，找出适于应用在不同环境中的多元成分硬面焊合金的成分组合。
本发明的多元成分硬面焊合金以多元成分的概念，合金中每一元素原子百分比小于35％，运用多元成分的概念调配硬面焊合金材料成分配方，达到各种环境下最大泛用性的功能，作为焊覆材料的基本配方成分，此焊覆材料具备较低的操作温度与较佳的物理强度抗性、耐酸碱性、抗氧化性、接口填塞性等优点。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种多元成分硬面焊合金，其特征在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；以及锰元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％≤100％。
2.根据权利要求1所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，还包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的e％，2％≤e％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
3.根据权利要求1所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的f％，17％≤f％≤21％，而a％+b％+c％+d％+f％≤100％。
4.一种多元成分硬面焊合金，其特征在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；以及钼元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％≤100％。
5.根据权利要求4所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的e％，2％≤e％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
6.根据权利要求4所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的f％，17％≤f％≤21％，而a％+b％+c％+d％+f％≤100％。
7.一种多元成分硬面焊合金，其特征在于，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；锰元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；以及钼元素，其原子百分比为合金总组成的e％，5％≤e％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％+e％≤100％。
8.根据权利要求7所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，还包括铝元素，其原子百分比为合金总组成的f％，2％≤f％≤12％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
9.根据权利要求7所述的多元成分硬面焊合金，其特征在于，还包括钴元素，其原子百分比为合金总组成的g％，17％≤g％≤21％，而a％+b％+c％+d％+e％+g％≤100％。
全文摘要
本发明涉及一种多元成分硬面焊合金，包括有铁元素，其原子百分比为合金总组成的a％，5％≤a％≤35％；镍元素，其原子百分比为合金总组成的b％，5％≤b％≤35％；铬元素，其原子百分比为合金总组成的c％，5％≤c％≤35％；以及锰元素，其原子百分比为合金总组成的d％，5％≤d％≤35％；其中，a％+b％+c％+d％≤100％。本发明以多元成分的概念，合金中每一元素原子百分比小于35％，运用多元成分的概念调配硬面焊合金材料成分配方，达到各种环境下最大泛用性的功能，作为焊覆材料的基本配方成分，此焊覆材料具备较低的操作温度与较佳的物理强度抗性、耐酸碱性、抗氧化性、接口填塞性等优点。
文档编号B23K35/22GK1990891SQ200510132978
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日 优先权日2005年12月31日
发明者杜经邦, 陈立基, 王伟仁, 陈泓政, 赖竣晖, 陈兴华, 叶均蔚 申请人:财团法人工业技术研究院