專利名稱：使表面硬化的鉻基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高韌性、高耐磨性和高耐腐蝕性的、使表面硬化的鉻基合金和通過焊接法使表面硬化時具有良好的可焊性的鉻基合金粉末，本發(fā)明也涉及具有由本發(fā)明的合金制成的表面硬化層的且具有高耐磨性和高耐腐蝕性的汽車發(fā)動機(jī)閥。
耐磨且耐腐蝕的表面硬化材料已經(jīng)知道的有很多種，如鎢鉻鈷硬質(zhì)合金(Stellite)和其他的鈷-鉻-鎢合金(以下稱作鈷-鉻合金)、含鉻、硼的鎳基或鐵基等類合金(Colmonoy)和其他的鎳-鉻-硼-硅合金(以下稱作鎳-鉻合金)，這些合金用于對種種經(jīng)受不同使用條件的結(jié)構(gòu)或零部件進(jìn)行表面硬化處理。近幾年來，上述結(jié)構(gòu)和零部件所處的環(huán)境越來越惡劣，以致在許多應(yīng)用場合中已知合金的耐磨性和耐腐蝕性已感不足，人們?nèi)找嫫惹幸筇峁╉g性、耐磨性、耐腐蝕性和其他性能高于鈷-鉻、鎳-鉻合金的表面硬化材料。
隨著近來如激光或等離子體之類的高能源越來越多地用于表面硬化，人們也希望具有高韌性的表面硬化材料，即在表面硬化加工過程中表面硬化層即使在快速加熱和冷卻時也不易產(chǎn)生裂縫或裂紋。就韌性而言，鈷-鉻合金可以承受1.0kgf-m/cm2的沖擊值，然而鎳-鉻合金韌性較差，只能承受0.15-0.2kgf-m/cm2的沖擊值，所以大尺寸或特殊形狀的工件的表面硬化合金層上就很可能會產(chǎn)生裂縫。
日本未經(jīng)審查的專利申請第56-9348號揭示了一種可鍛的、高耐熱性的合金，它由10-25%(重量百分比)的鉻、10-25%的鎢和其余為鎳所組成，該合金具有硬度低和耐磨性差的缺點(diǎn)。
為了解決鈷-鉻和鎳-鉻合金的上述問題以滿足人們對更好的表面硬化材料的要求，本發(fā)明人為研制出具有高韌性、高耐磨性和高耐腐蝕性的合金進(jìn)行了種種研究和試驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)通過增加鉻-鎳-鎢合金中的含鉻量能提高合金的硬度，而且如果加入鉬或用鉬代替鎢，產(chǎn)生的合金也具有類似的特性，從而發(fā)明出了在韌性、耐磨性和耐腐蝕性方面更優(yōu)越的表面硬化的鉻基合金。
對可以以粉末形式使用的鉻-鎳-鎢合金也進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，該合金用等離子體或激光焊接法進(jìn)行表面硬化時不會損壞形成在表面硬化層上的焊珠形狀或不會在表面硬化層上形成氣孔。我們發(fā)現(xiàn)，如果需要，通過將鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種加入合金粉末和/或如果需要，限制合金粉末中的含氧量，就可以防止形成氣孔且可以抑制在表面硬化過程中有時會產(chǎn)生的飛濺，由此改進(jìn)了形成在表面硬化層上的焊珠形狀。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種供表面硬化用的鉻基合金，它包括30.0-48.0%(重量百分比)的鎳、1.5-15.0%的鎢和/或1.0-6.5%的鉬、其余是大于40%的鉻，鎢和鉬的總量不超過15.0%。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有上述組分的、粉末狀的供表面硬化用的鉻基合金。
如果需要，低于15.0%(重量百分比)的鐵和/或低于10.0%的鈷可以加入上述組分中，在這種情況下，鐵和鈷的總量不超過20%。而且如果需要，0.3-2.0%的碳、0.1-1.5%的硼、0.1-3.0%的硅、0.5-2.5%的鋁和0.5-2.5%的鈦中的一種或多種也可以加入上述組分中。而且如果需要，1.0-4.0%的鈮和/或0.5-2.5%的鈦可以加入上述組分中，兩種元素的總量不超過5.0%。
如果本發(fā)明的合金以粉末形式用于通過焊接進(jìn)行表面硬化，則鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種也可以以0.01-0.12%(重量百分比)的數(shù)量加入上述組分中，含氧量則限制在0.01-0.1%。


圖1示出了表1所示的本發(fā)明的1號和4號樣品的合金的金相示意圖;
圖2示意性地示出了試驗(yàn)本發(fā)明的合金和對照合金的耐磨性的方法;
圖3是汽車發(fā)動機(jī)閥的側(cè)視圖，其中一部分是垂直截面?zhèn)纫晥D。
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明的表面硬化鉻基合金基本上由高韌性的鎳固溶體和高耐磨性的鉻固溶體組成。當(dāng)鉻固溶體冷卻時，富鉻相和富鎳相分別沉淀析出，但不清楚分別析出是由于鎳在鉻中的固溶性降低造成的還是由于共析變化造成的。因此，從鉻固溶體中分別析出的富鎳相和富鉻相的混合物在本說明書和權(quán)利要求書中稱為鉻固溶體。
根據(jù)本發(fā)明，合金的耐磨性可以通過將鐵、鈷、碳、硼、硅、鈮和鈦中的一種或多種加入合金的基本組分中而得到改善。鉻含量在67.5和40.0%(重量百分比)之間有助于改善合金的耐腐蝕性。這些性能特點(diǎn)的結(jié)合使本發(fā)明的合金不僅在韌性方面而且在耐磨性和耐腐蝕性方面也比較優(yōu)越。硅改善合金的可溶性，而鋁防止其氧化。
在本發(fā)明的合金的表面硬化層上幾乎沒有氣孔形成的原因是雖然對在已知的合金的表面硬化層上形成氣孔的原因沒有第一手資料但估計(jì)是如下的原因造成的在通過焊接法進(jìn)行表面硬化的過程中，形成一熔融合金的熔池，其中碳和/或少量的氫被溶解，當(dāng)氧氣進(jìn)入熔池時，它與溶解的碳和/或氫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳和/或水，一氧化碳和/或水蒸發(fā)穿過表面硬化層排出，以致在表面硬化層上形成氣孔。因此，為了防止形成氣孔，當(dāng)表面硬化層形成時必須防止氣體，尤其是氧氣從外面進(jìn)入表面硬化層。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)表面硬化層形成時，加入合金內(nèi)的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的氧化物，這覆蓋住形成在表面硬化層上的熔融合金的熔池上，由此起保護(hù)膜的作用，防止氣體，尤其是氧氣侵入熔池，最終防止在表面硬化層上形成氣孔。預(yù)先在合金粉末中加入適量的氧可以更有效地在表面硬化層上形成這種保護(hù)層。
本發(fā)明的表面硬化鉻基合金粉末在防止飛濺和改進(jìn)形成在表面硬化層上的焊珠形狀方面有效的原因是采用激光焊接法形成合金粉末的表面硬化層過程中從合金粉末的熔化到粉末凝固的機(jī)理一般認(rèn)為是如下所述當(dāng)一激光束作用在置于基體金屬上的合金粉末層上時，光束的能量被粉末吸收而加熱基體金屬，由此形成熔融合金的熔池，當(dāng)基體金屬相對于激光束移動時，其上的熔池移離激光束，因此冷卻而固化，連續(xù)供給合金粉末在基體金屬上形成一連續(xù)的表面硬化層。采用激光束作為熱源的方法的特點(diǎn)是激光束的光能轉(zhuǎn)換成熱能，從而加熱和熔化合金。在這種情況下，合金粉末或熔融合金粉末的熔池對激光束的吸收效率是非常重要的。
根據(jù)本發(fā)明，加入的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在合金粉末或熔融合金粉末的熔池表面上形成氧化膜，該氧化膜是熱穩(wěn)定的且可有效地吸收激光束的能量，這樣確保將熱能穩(wěn)定地、有效地傳遞給合金粉末或熔融合金粉末的熔池，由此形成一適當(dāng)?shù)娜廴诤辖鸱勰┑娜鄢?。氧化膜也有助于提高熔池中熔融合金的視粘度，而且不僅能防止任何擾動-該擾動是由高能量的激光束引起而發(fā)生在熔融合金熔池中的，它會導(dǎo)致氣體的進(jìn)入和在其內(nèi)形成氣孔，而且它還能防止由于熔融合金帶著被擾動的表面一起固化而形成不規(guī)則形狀的焊珠和由氣體引起的飛濺，陷入表面硬化層中的氣體在離開熔池時吹散熔池中部分熔化的合金。
這里所給出的本發(fā)明的表面硬化鉻基合金的組分及決定成分的含量的理由如下(a)鉻(Cr)鉻構(gòu)成本發(fā)明的合金的組分中的余下部分且形成含有鎳、鎢和/或鉬的硬的鉻固溶體，鉻固溶體的作用是提高合金的耐磨性和耐腐蝕性。如果鉻少于40.0%(重量百分比)耐磨性就較差，耐腐蝕性不能提高，因此，所含的鉻的數(shù)量應(yīng)大于40.0%。
(b)鎳(Ni)鎳形成含有鉻和鎢和/或鉬的堅(jiān)韌的鎳的固溶體。如果鎳少于30.0%(重量百分比)，鉻固溶體的含量就增加，這樣所得到的合金韌性就較低。如果鎳大于48.0%，雖然韌性提高了，但所得到的合金的硬度不夠且耐磨性降低。因此，本發(fā)明中的鎳含量應(yīng)為30.0-48.0%。
(C)鎢(W)和鉬(Mo)鎢和/或鉬以固態(tài)形式溶解在鉻和鎳中，以增加所得到的合金的強(qiáng)度。如果鎢少于1.5%(重量百分比)或鉬少于1.0%，就看不出顯著的效果。如果鎢大于15.0%或鉬大于6.5%，韌性差的σ相會析出，結(jié)果合金的韌性降低。因此，鎢的含量應(yīng)為1.5-15.0%，鉬的含量應(yīng)為1.0-6.5%。如果鎢和鉬的總含量超過15.0%，韌性會降低，因此，總含量應(yīng)低于15.0%。
(d)鐵(Fe)和鈷(Co)如果需要，可加鐵和/或鈷，加入的鐵和/或鈷主要以固態(tài)形式溶解在鎳中，以提高鎳固溶體的硬度，從而改進(jìn)合金的耐磨性。如果鐵大于15.0%(重量百分比)，不僅降低合金的韌性，而且也降低其耐腐蝕性。鈦太大，例如大于10.0%，看不到有什么作用，而且會降低合金的韌性。如果鐵和鈷的總含量超過20%，合金的韌性會降低。因此，鐵和鈷的含量應(yīng)分別低于15.0%和10.0%，而且兩元素的總含量應(yīng)低于20%。
(e)碳(C)如果需要，可加入碳，它與鉻化合，形成碳化鉻，有助于提高合金的耐磨性。含碳量較低的碳化鉻與鎳固溶體形成一共晶體，含碳量高的碳化鉻結(jié)晶為先共晶碳化物。如果碳少于0.3%(重量百分比)，對改進(jìn)合金的耐磨性沒有太大的作用，如果碳大于2.0%，會降低合金的韌性。因此，含碳量應(yīng)為0.3-2.0%。
(f)硼(B)如果需要，可加入硼，它與鉻化合，形成硼化鉻，有助于提高合金的耐磨性。硼化鉻與鎳固溶體形成一共晶體，如果硼少于0.1%(重量百分比)，對改進(jìn)合金的耐磨性沒有太大的作用，而如果硼大于1.5%，會降低合金的韌性。因此，所加的硼的數(shù)量應(yīng)為0.1-1.5%。
(g)硅(Si)如果需要，可加入硅，它主要以固態(tài)形式溶解在鎳中且進(jìn)入鎳固溶體中，以增加硬度，由此有助于改進(jìn)合金的耐磨性。硅在表面硬化過程中起脫氧劑的作用，并且改進(jìn)合金的可熔性。如果含硅量少于0.1%(重量百分比)，就不能得到上述的效果;如果含硅量大于3.0%，合金的韌性會降低。因此，含硅量應(yīng)為0.1-3.0%。
(h)鋁(Al)如果需要，可加入鋁，它有助于改進(jìn)合金的抗氧化能力且與鎳形成一金屬互化物，以改進(jìn)合金的強(qiáng)度或韌性。如果鋁少于0.5%(重量百分比)，不會得到這種改進(jìn);如果鋁大于2.5%，合金的韌性會降低且對表面硬化的可焊性會有損害。因此，含鋁量應(yīng)為0.5-2.5%。
(i)鈮(Nb)和鈦(Ti)如果需要，可加入鈮和/或鈦，它與鎳形成一金屬互化物，并且還改進(jìn)合金的強(qiáng)度或韌性。如果加入碳的話，鈮或鈦與碳化合，形成碳化鈮或碳化鈦;如果加入硼的話，與硼化合形成硼化鈮或硼化鈦，由此有助于改進(jìn)合金的耐磨性。如果鈮少于1.0%(重量百分比)或鈦少于0.5%，耐磨性不會得到改進(jìn);如果鈮大于4.0%，合金的韌性會受損害;如果鈦大于2.5%，不僅對韌性而且對表面硬化的可焊性都會有損害。因此，含鈮量應(yīng)為1.0-4.0%，含鈦量應(yīng)為0.5-2.5%。
在鈮和鈦同時加入的情況下，如果兩元素的總含量超過5.0%，合金的韌性會降低，因此，兩元素的總含量不應(yīng)超過5.0%。
(j)鋁(Al)、釔(Y)、鈰鑭稀土合金、鈦(Ti)、鋯(Zr)和鉿(Hf)當(dāng)本發(fā)明的合金以粉末形式用于通過焊接法硬化表面時，如果需要，鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種可以以0.01-0.12%(重量百分比)的含量加入合金的組分中。屬于元素周期表的第三族的鋁、釔和含鑭和鈰的稀土元素合金和屬于元素周期表的第四族的鈦、鋯和鉿較之合金的其他組成元素具有較大的形成氧化物的自由能量，因此，如果加入少量的這類元素(合金)，它們與氧氣反應(yīng)，形成穩(wěn)定的氧化物。
當(dāng)含有少量一種或兩種以上上述元素的本發(fā)明的合金以粉末形式加于一制品上，通過焊接在其上形成表面硬化層時，在焊接的過程中形成穩(wěn)定的氧化膜，蓋在合金粉末或熔融合金粉末的熔池的表面，由此防止氧氣進(jìn)入合金的表面硬化層中。如果激光束用作焊接的能源，合金的表面硬化層有效地吸收激光的能量，由此形成適當(dāng)?shù)娜廴诤辖鸬娜艹厍沂谷鄢乇砻娴臄_動靜下來。可以加入一種上述元素或兩種以上的上述元素，它們具有同樣的效果。
如果一種或兩種以上的上述元素少于0.01%(重量百分比)，所形成的氧化膜不足以防止氧氣侵入合金的表面硬化層，但對激光束具有高的反射率，這樣就形成差的熔融合金的熔池，導(dǎo)致在所形成的焊珠中產(chǎn)生氣孔且焊珠的形狀變壞。
如果上述元素超過0.12%(重量百分比)，形成的氧化膜多于所需要的氧化膜，這沒有什么用處。因此，加入本發(fā)明的合金的組分中的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種的數(shù)量應(yīng)為0.01-0.12%。
(k)氧([O])當(dāng)本發(fā)明的合金以粉末形式使用，通過焊接法形成表面硬化層時，含在合金中且以[O]表示的氧限制在0.01-0.1%(重量百分比)。如果氧少于0.01%，由氧與鋁或其他元素反應(yīng)形成的、以蓋住沉積的合金粉末或熔融合金的熔池的氧化膜數(shù)量就不夠，這樣就有較多的氧會進(jìn)入熔融合金的熔池內(nèi)，使在其內(nèi)形成氣孔;或吸收激光束的量不夠，導(dǎo)致所形成的表面硬化層質(zhì)量下降。
如果合金中的含氧量超過0.1%(重量百分比)，就有可能在表面硬化層上形成氣孔。因此，合金中的含氧量應(yīng)為0.01-0.1%。
下面將描述本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例。
(實(shí)施例1)表1示出了基本成分為鉻、鎳和鎢的本發(fā)明的合金的組分、硬度和沖擊值，并與為比較而制備的合金(稱作對照合金)相比較，即與組分在本發(fā)明之外的合金即鈷-鉻合金和鎳-鉻合金進(jìn)行比較。
為了制備試樣，將重100克的如表中所示的不同組分的每一種合金放在通常的電爐內(nèi)在氬氣氛下熔化，熔體澆入殼模中，產(chǎn)生一模鑄體，對模鑄體進(jìn)行機(jī)加工，形成沒有切痕的JISZ2201的3號試樣。然后，用功率為15.0Kgf-m的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)根據(jù)JISZ2242程序?qū)Σ煌M分的試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn);沖擊試驗(yàn)后，對試樣的端面進(jìn)行硬度試驗(yàn);硬度試驗(yàn)后，為了用顯微鏡進(jìn)行金相觀察，對1和4號試樣的試驗(yàn)端面進(jìn)行研磨和浸蝕。
表1
表1(繼續(xù))
從表1可以看出，本發(fā)明的合金的沖擊值比對照合金中的5號試樣(鎳-鉻合金)大得多，且基本上等于或高于對照合金中的4號試樣(鈷-鉻合金)。如圖1所示，本發(fā)明的合金具有韌性好的鎳固溶體A包圍住耐磨性和耐腐蝕性好的鉻固溶體B的晶體組織。在含碳的合金中，少量的碳化物晶體形成在鎳固溶體A中。
對照合金中的1和2號試樣的組分在本發(fā)明的合金的組分之外，對照合金中含有大量鎳的1號試樣的沖擊值較高，為10.7，然而它的硬度較低，為16.5HRC，而且耐磨性也不能令人滿意。對照合金中含有大量鎢的2號試樣的沖擊值較低，為0.15，這與鎳-鉻合金的沖擊值相同，這是由于析出的韌性較差的σ相所造成的。對照合金中的3號試樣，揭示在日本未審查專利公開第56-9348號中，其硬度相當(dāng)?shù)停瑸?.0，因此，耐磨性很差，不適于用作表面硬化材料。
對表1中所示的本發(fā)明的合金1、4、5、6、10和11號試樣和對照合金中4和5號試樣(鈷-鉻合金和鎳-鉻合金)進(jìn)行了耐磨和耐腐蝕試驗(yàn)。
耐磨試驗(yàn)以下述方法進(jìn)行。將重50克的所述組分的每一種合金放在通常的電爐內(nèi)在氬氣氛下熔化，然后將熔體澆入殼模中，產(chǎn)生一模鑄體，并機(jī)加工成一直徑為7.98mm和長度為20mm的桿狀件。用上述方法制備的每一桿狀件緊壓在轉(zhuǎn)盤上，如圖2所示，并測量每一桿狀件的材料磨損體積。
試驗(yàn)條件如下試驗(yàn)溫度室溫施加的載荷10kgf(表面壓力為20kgf/cm2)摩擦速度0.1m/sec摩擦長度1000m潤滑無盤的材料SACM645(滲過氮的)
耐腐蝕性試驗(yàn)用下述方法進(jìn)行。將重50克的所列組分的每一種合金放在通常的電爐內(nèi)在氬氣氛下熔化，然后將熔體澆入內(nèi)徑為6.0mm的玻璃模內(nèi)，形成一模鑄桿，并切割成長度為10mm的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。如此制備的每一試樣放在900℃的熔融氧化鉛溶液中且保持60分鐘，然后測量試樣被腐蝕的重量。
表2示出耐磨和耐腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。
表2
4號對照合金Co-Cr合金5號對照合金Ni-Cr合金從表2中可以看出，對本發(fā)明的合金，磨損的體積為0.07-0.19m3，這表示相對于鎳-鉻和鈷-鉻合金來說耐磨性有所改進(jìn)。在本發(fā)明的合金中間，含碳或含碳和硼兩者的5、10和11號試樣的合金的耐磨性要高于不含這些元素的試樣。因腐蝕而損失的重量是16-25mg/cm2/hr，這表示相對于鎳-鉻和鈷-鉻合金來說耐腐蝕性有所改進(jìn)。
(實(shí)施例2)表3示出了本發(fā)明的含硅的鉻基合金的硬度和沖擊值。制備試驗(yàn)用的試樣的方法和試驗(yàn)試樣的方法與實(shí)施例1中的相同。對照合金6、7和8號試樣的組分在本發(fā)明的合金之外。
從表3中可以看出，加入硅會改進(jìn)合金的硬度，但降低其沖擊值。如果象8號對照合金中那樣硅大于3.0%(重量百分比)，合金的韌性變差，沖擊值降至0.20。
表3
表3(繼續(xù))
表4示出了對本發(fā)明合金13、16、17、18、22和23號試樣進(jìn)行耐磨和耐腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。
表4
從表4中可以看出，本發(fā)明的含硅的合金與不含硅的合金相比較，磨損的體積減少。雖然本發(fā)明的含硅的合金與不含硅的合金相比較，腐蝕的重量略有增加，但它們的耐腐蝕性比4號對照合金(鈷-鉻合金)和5號對照合金(鎳-鉻合金)高。
(實(shí)施例3)表5示出了本發(fā)明的含鐵和/或鈷的鉻基合金的硬度和沖擊值。制備試驗(yàn)用的試樣的方法和試驗(yàn)試樣的方法與實(shí)施例1中的相同。
表5
表5(繼續(xù))
從表5中可以看出，加入鐵和/或鈷增加合金的硬度，但降低了沖擊值。例如，含15.0%(重量百分比)的鐵的本發(fā)明的27號試樣的合金的沖擊值減小至0.70kgf-m/cm2，含10.0%的鈷的31號試樣的合金的沖擊值減小至0.75kgf-m/cm2，鐵和鈷總含量為17.0%的34號試樣的合金的沖擊值減小至0.66kgf-m/cm2。因此，雖然加入鐵和/或鈷改進(jìn)了合金的硬度和耐磨性，但加入的鐵的數(shù)量應(yīng)低于15.0%，鈷含量應(yīng)低于10.0%，如果同時加鐵和鈷，總含量應(yīng)低于20.0%。
(實(shí)施例4)表6示出了本發(fā)明的含鉬的合金的硬度和沖擊值。制備試驗(yàn)用的試樣的方法和試驗(yàn)試樣的方法與實(shí)施例1的相同。
表6
表6(繼續(xù))
從表6中可以看出，加入數(shù)量是鎢的五分之二的鉬的合金的硬度和沖擊值與加入鎢的合金相同，除了加鉬以外再加入碳、硼、硅等的一種或多種的合金其硬度和沖擊值與表1中所給出的、除了含鎢以外還含有這些元素的合金相同。
用與實(shí)施例1一樣的方法試驗(yàn)47、50、51、52、59和60號試樣的耐磨性和耐腐蝕性，試驗(yàn)結(jié)果示于表7。
表7
從表7中可以看出，所試驗(yàn)的合金與在實(shí)施例1的表1中所示的含鎢的合金相比較，其磨損量和腐蝕量或多或少有所減少，對本發(fā)明的合金來說，鎢和鉬基本上具有同樣的作用。
(實(shí)施例5)表8示出了本發(fā)明的含鎢和鉬的合金的硬度和沖擊值。制備試驗(yàn)用的試樣的方法和試驗(yàn)試樣的方法與實(shí)施例1中的相同。對照合金9號試樣的含鎢和鉬量大于15.0%(重量百分比)。
從表8中可以看出，只要鎢和鉬的總含量低于15.0%(重量百分比)，合金的硬度和沖擊值都令人滿意。鎢和鉬總含量大于15.0%的對照合金9號試樣，雖然硬度增加了，但沖擊值減小至0.10kgf-m/cm2，深信這是由于在合金中析出韌性差的σ相造成的。
表8
表8(繼續(xù))
(實(shí)施例6)通過將鋁、鈦、氧、釔、鈰鑭稀土合金、鋯和鉿中的一種或多種以能制備成如表9中所示的合金的成分的數(shù)量加入從實(shí)施例1至5的合金中的所選出的19種合金中制備出19種熔融合金，每一種熔融合金通過用氮?dú)獾撵F化器霧化，霧化后的合金在氮?dú)夥罩欣鋮s，以便得到韌性好的鉻基合金表面硬化粉末，含氧量通過調(diào)節(jié)氣體霧化條件來控制。
用上述方法得到的每一種粉末經(jīng)過篩選，以得到顆粒尺寸為53-177μm的合金粉末。當(dāng)粉末放在尺寸為100mm×50mm×10mm的SS41金屬基體的表面上時，1.8kw的激光束以1.4(b/a)的散焦率投射在淀積在金屬基體上的合金粉末上，同時基體以200mm/min的速度移動，所述散焦率是金屬基體的表面和用于使激光束聚焦的透鏡之間的距離b除以透鏡的焦距a。然后檢查形成的表面硬化層，看看是否產(chǎn)生飛濺和焊珠的形狀是否良好。
從表9中可以看出，在表面硬化層上沒有發(fā)現(xiàn)飛濺，且焊珠形狀良好，本發(fā)明的合金粉末具有好的可焊性。
表9
表9(繼續(xù))
注[O]＝氧(實(shí)施例7)從實(shí)施例1至5制備的合金中選出26種合金，制備26種具有如表11和12所示的組分的熔融合金，熔融合金通過用氮?dú)獾撵F化器進(jìn)行霧化，霧化后的合金在氮?dú)夥罩欣鋮s，以便得到韌性好的表面硬化鉻基合金。為了進(jìn)行比較，從實(shí)施例1至5制備的對照合金中選出5種合金，制備5種如表12所示的熔融合金，5種熔融合金的每一種用上述同樣的方法制成粉末。合金中的含氧量通過調(diào)節(jié)氣體霧化條件來控制。
用上述方法得到的每一種粉末經(jīng)過篩選，以得到顆粒尺寸為44-177μm的合金粉末，然后每一種粉末在表10所示的條件下用等離子弧焊在尺寸為100mm×50mm×10mm的SS41金屬基體的表面上。觀察所得到的表面硬化層上形成的焊珠形狀，且用X射線檢查表面硬化層中的氣孔。
在霧化前對上述熔融合金制成的試樣進(jìn)行了硬度和沖擊值試驗(yàn)，結(jié)果如表11和12所示。
表10
表11
表11(繼續(xù))
注[O]＝氧表12
注[O]＝氧表12(繼續(xù))
注[O]＝氧從表11和表12中可以看出，本發(fā)明的合金粉末形成的焊珠具有良好的形狀，且在表面硬化層中沒有氣孔形成;在含氧量在本發(fā)明的含氧量范圍之外的對照合金粉末中，則有氣孔出現(xiàn)，這意味著合金中的含氧量是氣孔形成的主要原因。
(實(shí)施例8)表13中的三種本發(fā)明的合金和一種對照的鈷-鉻合金被熔化且由氮?dú)忪F化，然后在氮?dú)夥罩欣鋮s，得到四種合金粉末，每一種合金粉末加到JISSUH35的基板上，在表10所示的條件下通過等離子焊接形成表面硬化層。
用上述方法形成的第一試樣放在高溫耐磨試驗(yàn)機(jī)上，其試驗(yàn)溫度和載荷與汽車發(fā)動機(jī)閥實(shí)際使用時受到的條件相近似。由含堅(jiān)硬顆粒的、燒結(jié)的鐵基材料制成的閥座用作對照物，對每一試樣測量它的材料磨損量，測量的結(jié)果示于表13中。
表13
如表13所示，用本發(fā)明的合金表面硬化的試樣的磨損體積小于用10號對照合金表面硬化的試樣，因此，如圖3所示用本發(fā)明的合金對閥的表面部分進(jìn)行表面硬化可以改進(jìn)汽車發(fā)動機(jī)閥的耐磨性，耐磨性的改進(jìn)使閥的壽命延長。而且能使發(fā)動機(jī)以更高的速度轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生更大的動力。本發(fā)明合金的高耐腐蝕性有助于提高在采用含鉛氣油的汽車發(fā)動機(jī)的腐蝕環(huán)境中閥的壽命，本發(fā)明的合金粉末對激光或等離子體都具有良好的可焊性，總之本發(fā)明的合金適于通過焊接形成表面硬化層。
如上所述，本發(fā)明的表面硬化的鉻基合金在韌性、耐磨性和耐腐蝕性方面優(yōu)于通常的合金，由于其優(yōu)越的性能，本發(fā)明的合金可與陶瓷結(jié)合形成復(fù)合材料。本發(fā)明的合金可以有種種其他的用途，例如，通過HIP用本發(fā)明的合金可在氣缸的內(nèi)表面上形成一表層。
本發(fā)明的合金不僅可用作對機(jī)件進(jìn)行表面硬化的材料，而且也可用作通過粉末冶金技術(shù)制造燒結(jié)機(jī)件的材料，本發(fā)明的合金通過MIM或HIP可用于制造少切削機(jī)件，本發(fā)明的合金通過精密鑄造可直接形成機(jī)件。
對于含有鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種的本發(fā)明的合金粉末，在表面硬化層上不會產(chǎn)生飛濺，而且焊珠形狀良好。通過限制本發(fā)明的合金粉末的含氧量，可以防止在表面硬化層上形成氣孔，由此能用合金粉末作高速、高質(zhì)量自動焊接。
當(dāng)本發(fā)明的合金用于對汽車發(fā)動機(jī)閥進(jìn)行表面硬化時，其優(yōu)越的耐磨性和耐腐蝕性使閥能用于高速、高動力的發(fā)動機(jī)中且具有較長的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種表面硬化的鉻基合金，它基本上由30.0-48.0%(重量百分比，下同)的鎳、1.5-15.0%的鎢和/或1.0-6.5%的鉬、其余是大于40.0%的鉻和不可避免的雜質(zhì)組成，鎢和鉬的總量不超過15.0%。
2.如權(quán)利要求1所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含低于15.0%的鐵和/或低于10.0%的鈷，鐵和鈷的總量不超過20%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.3-2.0%的碳。
4.如權(quán)利要求1至3中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.1-1.5%的硼。
5.如權(quán)利要求1至4中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.1-3.0%的硅。
6.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.5-2.5%的鋁。
7.如權(quán)利要求1至6中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含1.0-4.0%的鈮和/或0.5-2.5%的鈦，鈮和鈦的總量不超過5.0%。
8.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包括0.01-0.12%的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種。
9.如權(quán)利要求6所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.01-0.12%的釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種。
10.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含1.0-4.0%的鈮和0.01-0.12%的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種。
11.如權(quán)利要求6所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含1.0-4.0%的鈮和0.01-0.12%的釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿中的一種或多種。
12.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.5-2.5%的鈦和0.01-0.12%的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鋯和鉿中的一種或多種。
13.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含0.5-2.5%的鈦和0.01-0.12%的釔、鈰鑭稀土合金、鋯和鉿中的一種或多種。
14.如權(quán)利要求1至5中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含1.0-4.0%的鈮、0.5-2.5%的鈦和0.01-0.12%的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鋯和鉿中的一種或多種，鈮和鈦的總量不超過5.0%。
15.如權(quán)利要求6所述的使表面硬化的鉻基合金，它還包含1.0-4.0%的鈮、0.5-2.5%的鈦和0.01-0.12%的釔、鈰鑭稀土合金、鋯和鉿中的一種或多種，鈮和鈦的總量不超過5.0%。
16.如權(quán)利要求1至15中任一所述的使表面硬化的鉻基合金，其特征在于，含氧量為0.01-0.1%。
17.如前述任一權(quán)利要求所述使表面硬化的鉻基合金，它制成粉末狀。
18.一種用前述任一權(quán)利要求所述的合金進(jìn)行表面硬化的、用于汽車發(fā)動機(jī)的閥。
全文摘要
一種使表面硬化的鉻基合金，由30.0-48.0％(重量百分比，下同)的鎳、1.5-15.0％的鎢和/或1.0-6.5％的鉬、其余是大于40.0％的鉻組成，鎢和鉬的總量不超過15.0％，合金也可以包含鐵、鈷、碳、硼、鋁、硅、鈮和鈦中的一種或多種，合金粉料還可以包含0.01-0.12％的鋁、釔、鈰鑭稀土合金、鈦、鋯和鉿，0.01-0.1％的氧也可以加入合金中，該合金具有高的韌性、耐磨性和耐腐蝕性，該合金可用于汽車發(fā)動機(jī)閥之類上作為表面硬化的材料。
文檔編號C22C27/06GK1070431SQ9211009
公開日1993年3月31日 申請日期1992年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月27日
發(fā)明者日高謙介, 田中完一, 小平良男, 山口英司, 鈴木良尚, 仲川政宏, 不破良雄, 森和彥, 伊藤與志彥, 田口篤 申請人:福田金屬箔粉工業(yè)株式會社