钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析.pdf

文章编号 100225855 2006 0520009210 作者简介高清宝1930 - ,男,沈阳人,教授级高工,从事阀门密封面堆焊材料的工艺研究。 钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析 高清宝,于德纯 沈阳阀门研究所,辽宁 沈阳110025 摘要 对国内阀门行业执行API 600标准在钢制阀门密封面堆焊材料研究和使用等方面遇到的 困难和问题进行了分析并提出一些商榷意见。介绍了国内有关阀门研究部门对阀门密封面失效机理 方面研究工作进展情况,并介绍了碳钢阀门和合金钢阀门密封面材料一些研究成果和发展趋势。 关键词 阀门;堆焊;标准;材料 中图分类号 TG42 文献标识码 A Research and analysis on deposit welding material on sealing surface for steel valve GAO Qing2bao , YU De2chun Shenyang Valve Research Institute , Shenyang 110025 , China Abstract Analyzes on the difficulty and problems met by domestic valve industry during carrying out standard of API 600 and proposes some discussing opinions , and also introduces the research develop2 ment made by correlative valve research departments regarding failure mechanism of sealing surface and introduces research achievements and development trend on sealing material for carbon steel valves and alloy steel valves. Key words valve ; deposit welding; standard; materal 1 概述 阀门密封面质量是影响阀门寿命的主要因素之 一。为了提高阀门产品的使用寿命,许多国家都在 密封面材料的研究方面狠下功夫。在60～80年代, 沈阳阀门研究所、哈尔滨焊接研究所、合肥通用机 械研究所、武汉材料保护研究所及上海阀门厂等单 位先后研制和使用了铁基和镍基等许多密封面新材 料,并对堆焊设备和工艺等进行了大量研究,取得 了显著的成果。 2 堆焊材料标准分析 我国许多阀门企业已经取得了API 6D和API 600标准的认证,并正在执行ANSI/ API 600 - 2001石油和天然气工业用栓接阀盖的钢制闸阀 的标准。 API 600标准中阀门密封面材料推荐采用18Cr - 8Ni和13Cr ,而且要求13Cr密封面配合表面之 间的硬度差至少为50HB ,有关密封面材料类型及 硬度组合见表1和表2。API 600标准附录C对 ISO10434的修改本51615修改为 “任何材料的密 表1 API 600中表13中关于密封面部分的相关内容 组合编号材料种类布氏硬度 113Cr最小为250HB 218Cr - 8Ni无规定 325Cr - 20Ni无规定 413Cr最小为750HB 5或5AHF最小为350HB 613Cr/最小为250HB CuNi最小为175HB 713Cr/最小为250HB 13Cr最小为750HB 8或8A13Cr/最小为250HB HF最小为350HB 9NiCu合金无规定 1018Cr - 8Ni - Mo无规定 11或11ANiCu合金/无规定 HF最小为350HB 12或12A18Cr - 8Ni - Mo/无规定 HF最小为350HB 1319Cr - 29Ni无规定 14或14A19Cr - 29Ni/无规定 HF最小为350HB 1 Cr 铬;Ni 镍;Co 钴;Mo 钼。 2 HF 用CoCr或NiCr焊接合金硬化面。后缀A适用于 NiCr。 3 13Cr类型材料不应高速切削。 4 对于组合编号CN 1 ,要求配合表面之间的硬度差至少为 50HB。 5 两种材料之间用斜线隔开表示这是两种不同的材料,一个 用于阀座密封,另一个用于闸板密封面。无暗示哪种材料更适 用于哪个零件。 92006年第5期 阀 门 表2 组合编号 规定的组合编号,CN替代的组合编号,CN 18或8A 210 5A5 68 8A8 封面在精加工后的厚度不应低于116 mm” 。 这些规定与国内有关研究部门试验结论完全不 同,对国内企业执行API 600标准带来了困难。 60年代,国内企业已经采用堆焊18Cr - 8Ni 密封面生产阀门,因其抗擦伤性差,阀门使用寿命 较低,不适用。同时因为该材料硬度太低,抗划伤 和抗垫伤性能也很差。由试验数据证明表3 , 18Cr - 8Ni不锈钢材料抗冲蚀性能最差,这类合金 根据国内有关阀门研究单位的试验结果认为是不适 宜做阀门密封副堆焊材料。 表3 各种阀门密封面抗冲蚀系数试验 试验 材料 原重 g 试后重 g 失重 mg 失重率 mg/ h 抗冲蚀 系数 抗冲蚀 顺序 18Cr - 8Ni不锈钢2918837529163521248154101816 SF - 3TCr - Mn - N29104079 2819903050149211941935 SF - 4TCr - Mn - B28182255 281817705155012445103 SF - 5T高温耐腐 281848702818293019140018412194 SF - 6T电站阀门 29148770291484732197011383112 CoCrW311567453115670001450102540101 表4 密封面硬度及热处理规范 阀门编号 焊后硬度 HRC 回火温度及时间 ℃h 回火后硬度 HRC 25 - 2 - 1 - 2闸板 45～5249021545～51 25 - 3 - 1 - 2闸板 47～53526243～45 25 - 1闸板44～51535241～43 25 - 1闸板44～51545235～38 表5 密封面试验材料的硬度差配对 曲线编号闸板硬度HRC阀座硬度HRC 141～4336～38 245～5145～51 352～5537～40 443～4537～40 国内一些单位[2]、 [3]对 13Cr系统合金的各种硬 度差配对进行了大量试块擦伤试验表4、表5 , 试验比压为25 MPa。 试验 ① 3Cr13 - 2Cr13 ,硬度差1311 HRC , 擦伤试验649次时出现破坏。 试验 ② 3Cr13 - 1Cr13 ,硬度差1118HRC , 擦伤试验472次出现破坏。 试验 ③ 2Cr13 - 1Cr13 ,硬度差816HRC ,擦 伤试验114次出现破坏。 试验 ④ 2Cr13 - 2Cr13 ,硬度差1312HRC , 擦伤试验219次出现破坏。 对2Cr13、SF - 3T和SF - 4T材料无硬度差 的擦伤对比试验表 6 中,给出了4种密封副无 硬度差时在不同工艺情况下其化学成分及金相组织 对抗擦伤性影响表7 , 13Cr合金系统有各种硬 度差的配对擦伤试验次数没有明显的提高。 试验证明, 13Cr 1Cr13、2Cr13、3Cr13虽 然用热处理工艺方法可以得到密封副有一定的硬度 差,能改善抗擦伤性能,但效果极不明显。同时, 该工艺复杂,可操作性不强,限制了它的应用,因 此不应提倡13Cr系统合金组成阀门密封副硬度差 配对。根据文献[2]的试验结果证明,当13Cr系统 与CoCrW合金配对组成密封副,抗擦伤性能显著 提高。 经试验证明,阀门密封面的厚度与堆焊工艺方 法有关。此规定仅适用于熔深浅的等离子堆焊、喷 焊和氧乙炔火焰的气焊堆焊。而对于用电焊条手工 堆焊的焊层,由于熔深较深,最后精加工厚度应为 不低于215 mm。如不分堆焊方法,一律规定不低 于116 mm厚,会影响密封面质量。 01 阀 门 2006年第5期 表6 3种材料密封副无硬度差配对擦伤试验结果 材料类别 配对 动样静样 硬度HRC 动样静样 状态 擦伤试验 次数 比压 MPa 现象 2Cr132Cr132Cr1352～5449～52淬火-回火260严重擦伤 2Cr132Cr1348～48154915～51淬火-回火360严重擦伤 2Cr132Cr134815～4849～51淬火-回火460严重擦伤 SF - 3TSF - 3TSF - 3T40～4138～40焊后空冷8660轻微擦伤 SF - 3TSF - 3T34～3639～40焊后空冷6060轻微擦伤 SF - 3TSF - 3T36～3945～46焊后空冷5760轻微擦伤 SF - 4TSF - 4TSF - 4T36～3836～37焊后空冷4660轻微擦伤 SF - 4TSF - 4T34～3635～37焊后空冷10860轻微擦伤 SF - 4TSF - 4T34～3835～37焊后空冷11360轻微擦伤 表7 4种密封副无硬度差时在不同工艺情况下其化学成分及金相组织对抗擦伤性影响 配对工艺硬度HRC化学成分金相组织 抗擦 伤性 2Cr13/ 2Cr13手工堆焊48～52C 0120 ,Cr 1210～1410 马氏体为基,少量铁素体,差 48～52无其它化合物相 48～51 SF - 3T/ SF - 3T手工堆焊32～40C≤0120 ,Si 0170～1150 ,Cr 1210～1410 , 马氏体为基,少量屈氏体,好 32～40Mn 710～8150 ,N 011411一定量的氮化物相 32～40 SF - 4T/ SF - 4T手工堆焊32～40C≤0130 ,Si 1140～2150 ,Cr 1210～1710 , 奥氏体为基,少量铁素体,第二相为很好 32～40Mn 710～1010 ,B≤110Cr2B ,Fe2B ,Cr23 C 1 B 6硬质相 32～40 WF331/ WF331等离子堆焊42～46C≤0120 ,Si 210～310 ,Mo 1150～210 , 奥氏体为基,少量铁素体第二相为很好 42～46Cr 1710～1910 ,Mn 910～1010M2BFe2B ,Cr2B ,Mo2 B 42～46B 1150～210 3 阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法 擦伤、冲蚀与腐蚀等均会破坏阀门密封面。密 封副材料成分和金属组织、表面处理工艺、硬度与 硬度差、比压和吻合度等诸多因素,都能影响阀门 密封面的质量。研究密封面失效的主要形式,分析 产生失效的原因,是研究提高质量与使用奉命的有 效途径。 311 试验方法选择 在直动式擦伤试验机上初选不同材料,进行擦 伤试验。选用阀门行业最常用的钴基合金材料 D802和高硬度的2Cr13合金材料堆焊试块,做 为对比试验的靶子,在相同条件下进行擦伤对比试 验。经过多次大量对比擦伤试验,选出堆焊材料再 堆焊DN100闸阀密封面与堆焊钴基合金和2Cr13 合金阀门,在相同口径、相同介质条件下进行大流 量带压差的阀门寿命试验装置上进行寿命对比试 验,将精选的阀门堆焊材料再做其他性能试验,最 后将选出材料堆焊成阀门送往阀门用户进行工况运 行对比考核。如果研究的是高温材料,在试验室内 先做高温擦伤对比试验和各种性能试验,最后将选 出的材料堆焊成阀门,在相同口径、相同介质条件 下进行工况考核。 312 失效形式分析 通过大量试验结果证明,阀门密封面的磨损性 质是以金属磨损为主兼有磨粒磨损。阀门密封面的 破坏有擦伤、划伤和垫伤三种失效形式。堆焊材料 抗擦伤性能取决于堆焊金属化学成分和金相组织, 抗划伤和垫伤的性能取决于堆焊材料的硬度,因此 112006年第5期 阀 门 堆焊材料的化学成分和金相组织是关键的,堆焊材 料的硬度次之,那种认为密封面材料硬度越高抗擦 伤性能就越好的看法是不正确的。 应当指出,堆焊金属密封面的硬度不能太低, 因为阀门工况介质中都含有一定量的杂质,硬度太 低密封面抵抗划伤和垫伤的能力下降,一般密封面 的硬度 ≥30HRC。较为合适的硬度为32～40HRC。 当硬度 ≥40HRC时,硬度偏高,给加工和堆焊工 艺都带来相当的困难。目前国内阀门大致分为11 类即闸阀包括平板闸阀、截止阀、节流阀、 球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、 减压阀和疏水阀。阀门密封面采用合金材料堆焊的 主要有闸阀、止回阀、球阀、蝶阀、截止阀、节流 阀、安全阀和减压阀8大类。阀门密封面的特点和 失效型式有擦伤、划伤、垫伤等,冲蚀和冲击的失 效形式见表8。 表8 各类阀门密封面特点及失效型式 阀门类别堆焊部位密封面形式失效形式 闸阀阀座、 闸板平面主要擦伤、 有冲蚀 止回阀阀座、 阀瓣平面冲击与冲蚀 高温球阀阀座锥面主要擦伤、 有冲蚀 蝶阀阀座锥面冲蚀 截止阀阀座、 阀瓣平面或锥面主要冲蚀有擦伤 节流阀阀座、 阀瓣锥面冲蚀 安全阀阀座、 阀瓣平面冲击与冲蚀 减压阀阀座、 阀瓣平面或锥面冲击与冲蚀 313 影响密封面寿命的其他因素 1比压对抗擦伤性能的影响 比压对抗擦伤 性能有着极大的影响。因一对磨擦副,提高比压, 抗擦伤性能显著降低。根据试验结果与工况系统使 用经验,并参照国外标准建议采用表9的推荐选用 阀门密封副和许用比压。 表9 推荐选用的阀门密封副及其许用比压 密封副 闸板阀瓣阀座 硬度差 HRC 使用温度 ℃ 许用比压 MPa 硬度 HRC D802HS111 D802HS111 -≤6008038～45 NDG- 2 NDG- 2 -≤6008040～45 SF - 6TSF - 6T-≤60080≥383 SF - 5TSF - 5T-≤5006032～40 SF - 4T焊条 137 号 SF - 4J焊剂 137 号 SF - 4T焊条 137 号 SF - 4J焊剂 137 号 -≤4506032～40 WF331WF331-≤4506042～46 SF - 3T焊条 85 号 SF - 3J焊剂 85 号 SF - 3T焊条 85 号 SF - 3J焊剂 85 号 -≤45045 32～40 10HRC 32 - 40 D507MoD57710～15≤45045≥38、≥28 F321F321-≤4506040～50 F322F322-≤4506036～45 2Cr132Cr1313～15≤4502052～55、37～40 HS221HS221-≤20020HB280 3- 720℃ 回火后硬度 2吻合度对抗擦伤性能的影响 吻合度是 影响密封面比压的重要因素之一,对抗擦伤性能也 有直接的影响。在介质压力相同的情况下,比压与 吻合度成反比,吻合度越小,比压越大,越容易擦 伤。因此要提高阀门密封面的寿命,必须提高阀门 密封面的吻合度,以降低比压。国外阀门标准规定 阀门密封面的吻合度为100 ,即阀门关闭时,阀 座密封面全部被闸板覆盖。我国规定阀门密封面吻 合度为60 ～70 。 314 堆焊密封面材料选择的依据 选择阀门密封面堆焊材料,首先应满足阀门的 使用要求,寿命长、密封性能好,应根据阀门密封 面的主要失效形试,注意材料的综合性能、工艺 性、加工性和经济性选用堆焊合金材料。 根据使用温度、压力和介质选择密封面材料。 根据堆焊材料的焊接工艺适用性选择密封面材 料,其中材料堆焊的抗裂性是极重要的指标。根据 堆焊材料的加工性选择密封面材料,因此对阀门密 21 阀 门 2006年第5期 封面的粗糙度、吻合度及硬度,提出了严格要求, 由于堆焊合金是高硬度的材料,难于加工,规定密 封面硬度一般不应过高。 4 85号堆焊合金SF - 3T焊条和SF - 3J焊剂 411 研制过程 将堆焊合金做相同尺寸及相同表面状态的擦伤 试块,将研究的堆焊合金与2Cr13合金和堆焊的钴 基合金试块进行常温擦伤对比试验,其目的是堆焊 材料初选。经过85次试验找出各方面性能好的85 号堆焊合金表 10 。然后用85号堆焊合金焊条 堆焊DN100闸阀与表面状态相同的2Cr13合金、 钴基合金的阀门在台架寿命试验台上进行阀门寿命 试验对比。阀门台架寿命试验采用大流量带压差启 闭对比试验表11 ,寿命对比试验结果如表12 , 用这种方法进行堆焊材料的精选,同时进行其他性 能试验。 85号堆焊合金是Cr - Mn - N表面硬化型合 金。首先研制成功堆焊焊条,采用H08A焊芯,合 金成分由焊条药皮过渡其厂内牌号为SF - 3T。 接着又研制成功埋弧自动堆焊焊剂,采用H08A盘 状焊丝,焊剂采用非溶炼高合金焊剂陶瓷焊剂 , 堆焊合金成分全靠合金焊剂过渡其厂内牌号为 SF - 3J。 85号堆焊合金的手工电弧堆焊和埋弧自动堆 焊抗裂性和堆焊工艺性非常好,不预热可以堆焊 DN2 000 mm阀门密封面而不出现裂纹等缺陷,其 成分和硬度见表13和14。 412 合金性能 85号堆焊合金的成分和硬度如表13和表14。 表10 不同材料抗擦伤性试验结果 材料编号材料名称硬度HRC试验温度比压/ MPa擦伤次数擦伤深度情况/μm 85 85 Cr12Mn8 44 42 43 42 4315 47 室温60149痕迹0101 99 99 Cr15Mn13Mo 19 1715 17 18 20 18 ″60203痕迹01015 110 110 100Cr12Mn9Si 33 34 36 30 32 34 ″6057痕迹0102 13 31 2Cr15MnSiS 2Ccr12MnSiS 23 2215 22 46 4419 46 ″6033痕迹很深 25 - 1 25 - 1 2Cr13 42 44 45 46 43 44 ″6030″ 25 - 2 25 - 2 2Cr13 27 30 2815 44 43 45 ″604痕迹01233 12 1 2Cr15Mn2Si 2Cr12Mn2Si 3615 3818 37 49 50 4715 ″6049痕迹01200 30 30 钴基合金 42 40 44 43 4215 40 ″5414549痕迹0101 表11 不同试验方法密封面寿命结果 试验方法比较方法 密封面 摩擦行程 介质流量 介质压差 MPa 密封面受 力情况 试验 材料 启闭次数分析比较 带压 启闭 观察破坏情 况,介质管道通 径 4～6 mm , 记录启闭次数 微小微小215 阀杆楔紧 力,外加介质 压力 SF - 2 SF - 2 4 000 从阀体一侧或中腔打压, 虽有介质压差,但流量微小, 不能代表实际使用条件 , 大 流 量 带 压 差启闭 观察破坏情 况,介质管道通 径 100 mm检 查泄量,记录启 闭次数 大0～80 t/ h210 阀杆楔紧 力加介质压 力 SF - 2 SF - 2 低于75 模似恶劣条件在介质压差 210MPa ,大流量作用下密封 面得最大摩擦行程,加速破 坏,恶化于工况条件 312006年第5期 阀 门 表12 寿命试验记录 试验阀编号No密封面合金硬度HRC 产生有破坏的擦伤次数 干摩擦平均往复次数工况平均启闭次数 99 阀体 99 阀板 铬锰合金 15～20 15～20 203 501 84 阀体 84 阀板 铬锰合金 25～30 25～30 611 100 110 阀体 110 阀板 铬锰合金 30～35 30～35 572 200 85 阀体 85 阀板 铬锰合金 40～47 40～47 1495 000 30 阀体 30 阀板 钴基合金 39～43 39～43 5493 200 12 阀体 1 阀板 过渡合金 26～34 38～4515 41低于75 25 阀体 25 阀板 2Cr13合金 37～40 43～45 4低于75 表13 85号堆焊合金的成分和硬度 材料名称 化学成分 CSiMnCrNSP 硬度 HRC SF - 3T≤012017～115710～8151210～1410≤012≤0102≤0103150HRC 32～40 SF - 3J≤012110～310710～10101210～1810≤012≤0102≤010210HRC 32～40 表14 85号堆焊合金不同规范自动堆焊DN200闸板的150HRC洛式硬度计检测的硬度 编号 成分 CSiMnCr 硬度150HRC 12345678 平均硬度 150HRC 1011211611151810272726283027292727 2011411810151612303231323131333031 301141166819514135424345424539454543 40115114481712175444948505152504849 从表14可以看出,自动堆焊Cr 1210 ～ 1410 时,用150HRC洛试硬度计检查硬度是稳 定的。由于自动堆焊受网络电压波动的影响,成分 和硬度无法控制。而采用手工电弧焊控制焊条药皮 厚度是容易达到要求的。因此同一种合金材料用二 种工艺方法生产,成分和硬度是应该有所区别。因 而二种工艺方法堆焊85号堆焊合金的硬度也应该 用不同硬度计150HRC、10HRC检查表15、 16和 17 。 表15 85号堆焊合金堆焊层硬度 试件编号 不同载荷公斤 洛式硬度计 堆焊金属 合金类型 硬度HRC 1234 平均硬度 度HRC 1 150 10 85 - 1 85 - 1 21 46 25 45 24 46 2212 46 23 46 2 150 10 85 - 2 85 - 2 26 38 2215 35 2418 37 26 39 25 37 3 150 10 85 - 3 85 - 3 2415 38 2115 40 24 42 2515 42 24 41 4 150 10 85 - 4 85 - 4 3715 36 2618 36 21 37 26 36 28 36 41 阀 门 2006年第5期 表15数值是将85号堆焊合金自动堆焊 DN300闸板密封面切成四块,试验分别由150HRC 和10HRC硬度计检测的结果。用10HRC硬度计 检测硬度较高,而用150HRC硬度计检测的硬度 值较低, 10HRC硬度计检测的是表面012 mm以 上焊层的硬度, 150HRC检测是015 mm以下的硬 度。检测证明85号堆焊合金是表面硬化材料。 从表14、表15表16可以看出,应该用10HRC 硬度计检测自动堆焊阀门密封面硬度,而手工堆焊 密封面应用150HRC硬度计检测。 表16 自动堆焊和手工堆焊允许成分波动范围及硬度要求 序号堆焊方法和技术条件含铬量 硬度 1手工焊条堆焊金属1210～1410 150HRC 32～40 2自动堆焊金属1210～181010HRC 32～40 3两种堆焊方法成分允许值14 4 - 2 表17 自动堆焊同焊层不同高度上密封面的硬度检测结果 焊层加 工高度 mm 焊层不同加工高度成分 CSiMn 不同焊层加工高度成分 Cr123456 10115未检未检201183515331532353434 201141919034363434331535 30112420183131153515281535153214 从表17可以看出SF - 3J 85号堆焊合金自动 堆焊时只要求堆焊一层,而在同一层的不同高度焊 层上的成分和硬度基本都一样,这在手工焊条堆焊 是实现不了的,手工焊条堆焊与母材接触的底层成 分和硬度都不合格,只有加工焊层大于215 mm时 才能实现成分和硬度稳定。 413 经济分析 Cr - Mn - N型高寿命85号堆焊合金手工和自 动堆焊材料取代了低寿命的2Cr13合金焊条。特别 是合金过渡溶入N使阀门使用寿命提高了几十倍。 该合金以锰代镍或无镍少铬制造出的堆焊材料成功 用于手工堆焊焊条SF - 3T和埋弧自动堆焊用SF - 3J焊剂以及等离子合金粉末WF331。85号堆焊 合金的自动堆焊和粉末等离子堆焊比手工堆焊生产 效率提高3～6倍,材料的消耗也比较少。 85号堆焊合金在自动堆焊Cr、Mn过渡量较 高时,存在堆焊层表面硬,焊层下面较软的现象 用150 kg洛式硬度计检查硬度偏低,用10kg洛 式硬度计检查硬度就合格。85号堆焊合金密封面 在60 MPa比压工况下,擦伤试验次数达到3 000 次无泄漏现象,所以确定85号堆焊合金适用于许 用比压为45 MPa中温中压的碳钢阀门堆焊。 5 137号堆焊合金 511 研制过程 137号堆焊合金SF - 4T焊条、SF - 4J焊 剂为Cr - Mn - B合金。该合金是在Cr - Mn - N 型85号堆焊合金基础上发展起来的,该合金堆焊 阀门密封面使用寿命高,硬度稳定性较好。 堆焊基体为WCB ,工件为DN100闸板,在闸 板上进行埋弧自动堆焊。采用H08A低碳钢盘状焊 丝,堆焊金属的合金成分通过高合金非溶炼焊剂 陶瓷焊剂过渡,堆焊层一次成型。加工堆焊焊 道至3 mm高为密封面,用150 kg载荷硬度计检 查硬度。对密封面金属进行各种理化性能和阀门使 用性能试验,反复调整焊剂的配方,进行各种性能 试验。调整焊剂137次配方和试验取得成功。故称 137号SF - 4J自动堆焊合金,并制成焊条,为 137号堆焊合金焊条SF - 4T。其合金成分和硬 度如表18。 表18 用150 kg洛式硬度计检测的硬度和成分 堆焊材料 化学成分 CSiMnCrBSP 硬度 150HRC SF - 4J焊剂 137 号≤0135110～310710～10101210～1810016～112≤0102≤010232 - 40 SF - 4T焊条 137 号≤0130114～215710～10101210～1710≤110≤0102≤010232 - 40 512 性能测定 137号堆焊合金是在85号堆焊合金中加入了 B ,改变了其金相组织,使其性能得到改善。137 号合金是以奥氏体为基体,分别含有数量不等的铁 512006年第5期 阀 门 素体。第二相以Fe2B、Cr2B为主。此外,还有数 量不等的M23 C 1 B 6硬质相。Cr、Mn元素变化 和Cr、Mn、B元素变化引起的硬度变化如表19、 20和21。 表19 Cr、Mn元素变化引起的硬度变化 堆焊合 金编号 化学成分 CSiMnCrN 平均硬度 150 kg硬度计 HRC 850113-81131211001141144 11001160138916012195-33 990126-1311515180-18 11701130139101401510-1618 Cr - Mn - B系堆焊合金中析出硬质相的定量 测定采用物理化学法。以5 HCl、10 甘油甲醇 为电解液提取碳硼化物及硼化物进行定量测定电 解条件相同。用磁法测定 ɑ铁素体百分比含 量表 22 。碳硼化物的定量分析结果与碳硼的含 量及金相观察显示的数量相符合。 表20 Cr、Mn、B元素变化引起的硬度变化 合金试 块编号 化学成分 CSiMnCrN 平均硬度 HRC150 19 - 7013111728125121401943718 22 - 10131214291871916110340116 24 - 301312115101401710601693710 表21 3种Cr - Mn - B合金的相结构分析结果 试块号相 组 成 19 - 7γ- Fe基体奥氏体α- Fe铁素体Fe2BCr2BM23 C 1 B 6转少 22 - 1γ- Fe基体奥氏体α- Fe铁素体Fe2BCr2BM23 C 1 B 6多 24 - 3γ- Fe基体奥氏体α- Fe铁素体Fe2BCr2BM23 C 1 B 6较多 表22 堆焊金属中第二相的含量和重量 试块编号 合金中C B 含量重量 碳硼化物总量 占合金总量 铁素体含量 平均硬度用 150公斤硬度计 HRC 19 - 7112571220153718 22 - 111341014441540116 24 - 3110041591103710 513 试验分析 1碳硼化物的硬度值Cr2B为1 350 kg/ mm2, Fe2B为1 290～1 680 kg/ mm2, Cr23C6为1 650 kg/ mm2,这些高硬度的碳硼化物分布在晶界, 形成耐磨骨架,这是Cr - Mn - B型137号堆焊合 金具有较高耐磨性的主要原因。 2从表19可以看出, 85号自动堆焊合金因 成分变化而引起堆焊金属硬度有较大变化。而从表 20可以看出在137号自动堆焊合金中除了加入产 生铁素体、奥氏体软组织Cr、Mn、Si等元素同 时,也加入一些产生高硬度硬质相的硼化物,使其 在自动堆焊电弧电压升高时,过渡Cr、Mn、Si等 元素增加的同时也增加硼化物的过渡量,使其化学 成分在某一范围内变化时产生高硬度硬质相元素的 过渡量永远与产生软组织元素的过渡量达到某一动 平衡。硼化物的数量虽少,但产生的硬质相的硬度 是软组织的几十倍。因此137号自动堆焊合金在化 学成分有一定波动的情况下,能保持硬度较高,硬 度稳定性较好的特点。 3采用与85号堆焊合金相同的试验方法和 试验装置进行SF - 4T 137号合金的擦伤和寿 命对比试验,介质为水,压力0～215 MPa ,流量 0～80 t/ h , pH值518 ,泥砂含量50 mg/ L ,启闭 周期2次/ min。其结果如表23和表24所示。 表23 擦伤试验结果对比 试件号 擦伤副材料 材料 热处理方法 方法 擦伤副材料 硬度HRC 往复 次数 1 2Cr13 2Cr13 淬火-回火 52、54、52 52、49、52 2 2 2Cr13 2Cr13 淬火-回火 4815、48、48 51、51、4915 3 3 2Cr13 2Cr13 淬火-回火 4815、49、49 50、51、49 4 SF - 4T 137 - 1 SF - 4T SF - 4T 焊后空冷 38、36、37 37、36、36 46 SF - 4T 137 - 2 SF - 4T SF - 4T 焊后空冷 36、36、34 36、35、37 108 SF - 4T 137 - 3 SF - 4T SF - 4T 焊后空冷 34、37、38 37、37、35 113 SF - 3T 85 - 1 SF - 3T SF - 3T 焊后空冷 40、40、41 40、38、38 86 SF - 3T 85 - 2 SF - 3T SF - 3T 焊后空冷 36、35、34 40、40、39 60 SF - 3T 85 - 3 SF - 3T SF - 3T 焊后空冷 38、36、39 46、45、45 57 61 阀 门 2006年第5期 表24 台架寿命试验结果 试验阀 编号 试验阀型号密封面材料 开关 次数 泄漏量 1AZ41H25DN1002Cr13/ 2Cr1350大量泄漏 2AZ41H25DN1002Cr13/ 2Cr1350大量泄漏 3AZ41H25DN100137/ 1373 000无泄漏 4AZ41H25DN100137/ 1375 500无泄漏 514 经济分析 1 137号堆焊合金中的B不但提高了 85号 Cr - Mn合金的硬度,也提高了Cr - Mn - B合金 的硬度稳定性。此项成果已获国家发明专利专利 号为86 1 010701 1 。 2在三种常用的阀门堆焊方法中,自动堆焊 比手工焊条堆焊生产效率高3～6倍,比粉末等离 子堆焊生产效率高1倍。137号自动堆焊比手工堆 焊2Cr13焊条成本降低成本44 ,而比堆焊85号 堆焊合金焊条材料成本提高2214 。但137号堆 焊合金的阀门使用寿命比2Cr13合金提高几十倍, 比85号堆焊合金材料提高近1倍。 3 137号堆焊合金硬度高, 硬度稳定性较 好,堆焊工艺性良好,不预热可堆焊阀件DN≤ 600。其60 MPa比压擦伤试验,达到3 000次擦伤 密封不漏,密封性良好。建议137号堆焊合金许用 比压为60 MPa ,用于中温高压碳钢阀门堆焊。 6 高温耐腐蚀阀门堆焊焊条SF - 5T SF - 5T堆焊合金是高温耐腐蚀阀门堆焊焊 条,其抗高温腐蚀性能优于钴基合金。如在葫芦岛 锦西石化总厂的含环烷酸石油介质中,在四川 某厂含H2S天然气介质中用挂片腐蚀对比试验发 现SF - 5T合金的抗含环烷酸高硫原油介质高温均 匀腐蚀和天然气中抗H2S高温应力腐蚀性能均优 于钴基合金。SF - 5T焊条堆焊工艺性、抗氧化 性、热态组织稳定性、抗热疲劳性达到钴基合金的 水平。它的单价比钴基合金便宜,可以满足除电站 阀门以外的高温耐腐蚀阀门密封面的使用要求。其 堆焊合金成分C≤0138 、Si≤210 、Mn 710 ～1010 、Cr 1410 ～1810 、W 115 ～310 、Mo 215 ～410 、V 115 ～ 310 、B 017 ～112 ,堆焊合金组织是以奥 低体为基体,第二相为碳硼化物硬质相,硬度稳定 32 ～40HRC。建议使用介质为酸、碱和盐溶液, 工作温度T≤500℃,许用比压为60 MPa。SF - 5T成功地在含环烷酸的原油介质中取代了钴基合 金,并获得发明专利专利号为ZL95 1 120911 3 。 7 电站阀门密封面堆焊合金SF - 6T SF - 6T是一种铁基合金堆焊材料,该材料的 高温硬度、抗高温擦伤性、热态组织稳定性、抗氧 化性、抗热疲劳性达到了钴基合金水平,但不能用 于耐腐蚀阀门。SF - 6T焊条堆焊工艺性良好,堆 焊DN100的阀件可以不预热,堆焊大中型阀件需 要预热或堆焊不锈钢过渡层等工艺措施。SF - 6T 堆焊合金的成分C 018 ～111 、Si≤015 、 Mn≤710 ～910 、Cr 1310 ～1710 、Mo 114 ～210 、B≤012 ,堆焊合金的组织是以 奥氏体组织为基体,第二相为碳硼化物的硬质相。 堆焊阀件720℃ 回火,回火后硬度 ≥38HRC ,硬度 稳定。建议使用温度