焊接添加料 【技术领域】
本发明涉及材料技术领域。本发明涉及钢基的焊接添加料(Schweisszusatzwerkstoff)，其与已知的焊接添加料相比，区别是焊接时改进的熔化能力和凝固后提高的持久强度(Zeitstandfestigkeit)。
背景技术
众所周知，热涡轮机例如燃气轮机的转子是由随后被相互焊接在一起的各个盘(Scheibe)制成的。为此，例如申请人几十年来就已经使用电弧焊接法/埋弧(UP)焊接法。
为了提高燃气轮机(Gasturbine)的效率，燃气轮机等是在极高的运行温度下运转的。因此一方面转子在很高的温度下必须具有高的持久强度，另一方面还必须具有好的其它的机械性能，以及好的抗氧化性。当然其对于将转子盘(Rotorscheibe)相互连接起来的焊缝也适用。
由现有技术可知，对于这样的燃气轮机埋弧焊接，将使用具有下列化学组成(以重量％给出)的焊接添加料：
0.09-0.14C、最多0.40S、最多1.40Mn、最多0.025P、最多0.020S、最多11.00-12.50Cr、2.00-2.60Ni、0.95-1.80Mo、0.20-0.35V、0.020-0.055N、余量的铁。
这种焊接添加料在SZW 3001-UP名下是已知的。它是以金属丝的形式提供的，其中金属丝的抗拉强度为700-1200牛顿/毫米2，在批次内强度的容许偏差不超过+/-50牛顿/毫米2。该焊接添加料根据供应条件可以用于埋弧焊(UP-Verbindungsschweissung)和堆焊(Auftragsschweissung)。
然而该种材料不再能在每一情形下满足现代燃气轮机的高要求，特别是关于高温性能方面的要求，例如蠕变/持久强度的要求。
从US 5906791看来，硼钢(Borstahl)和稀土金属钢是公知的，其能用于制造涡轮机的元件。其具有很好的物理和热学性能，例如具有很高的抗脆化，抗氧化和抗蠕变作用。这种高合金的8-13％-铬-钢除了高铬含量等以外，还还含0.001-0.04重量％硼，0.01-2.00重量％的来自元素Re以及Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pa(铂族贵金属)中的至少一种元素；此外还含有0.01-0.50重量％的至少一种稀土金属，例如Y、La、C。为了使钢具有良好的韧性，应使该钢例如尽可能地含有不多于0.01重量％的Si和0.05％重量的Mn，因为按此种方式将会减少离析作用和第二相的形成。这些稀土金属在给定的范围内能减少老化脆化，其中某些金属例如La，也会减少离析作用的形成。为此先决条件就是低的杂质水平。Re和上述的铂族金属起着混晶硬化剂(Mischkristallverfestiger)的作用。后者还能改进抗氧化作用，而缺点是提高了材料成本。
【发明内容】
本发明的目的是避免上述现有技术的缺点。本发明基于如下任务：开发耐高温的钢基焊接添加料，其与上述已知的焊接添加料相比，在焊接时具有改善的熔化能力和在固化后的具有更高的持久强度。
根据本发明，该任务通过如下方式解决：钢铁具有下列化学组成(以重量％给出)：
0.05-0.14C，
8-13Cr，
1-2.6Ni，
0.5-1.9Mo，
0.5-1.5Mn，
0.15-0.5Si，
0.2-0.4V，
0-0.04B，
2.1-4.0Re，
0-0.07Ta，
0-最多60ppm Pd，
余量的Fe和制造引起的不可避免的杂质。
与迄今已知并用作焊接添加料的材料SZW 3001相比，根据本发明的材料具有提高的持久强度和在其它方面好的相关机械性质，以及好的抗氧化性。这归因于在给定范围内合金成分的组合，特别是加入给定范围的Re，以及与B和Ta的另外的微量合金化。
Re是这样的元素，该元素以2.1-4.0，优选3.0重量％的给定量对混晶的强化非常有利，由此得到了好的强度值，特别是得到了好的持久强度值。
B是这样的元素，该元素以至多0.04，优选0.01重量％的给定量强化了晶界。此外它还使碳化物稳定。更高的硼含量是受批评的，因为这会导致不希望的硼的离析，这种离析具有脆化效应。硼与其它成分，特别是与Ta(在0.01-0.07重量％的范围内)的组合作用将得到良好的强度值，特别是在蠕变中。
根据本发明的材料具有最多0.07，优选0.01重量％的Ta。Ta起着离析强化剂的作用，并提高了高温强度。如果使用多于0.07重量％的Ta，那么反而会有害地降低抗氧化作用。
Cr是碳化物形成元素，它在8-13重量％，优选地12重量％的给定范围内能提高耐氧化性，其中更高的Cr值会导致不希望的离析作用，离析将会有害地引起材料的脆化。
Si是这样的元素，该元素在0.15-0.5重量％，优选0.3-0.5重量％，特别优选0.4重量％的给定范围内，能使钢具有改善的熔化能力(Schmelzfahigkeit)。因此，在使用根据本发明的钢作为焊接添加料时，焊缝金属(Schwessgut)成为液态的，焊接可简单地进行。还能提高抗氧化作用，当然其缺点是由于Si的添加，增加了不希望的脆性相在钢中的形成。
Mn和Ni是奥氏体稳定元素，在给定量的范围内(1-2.6重量％Ni和0.5-1.5重量％Mn，优选1重量％Mn)，它们提高钢的韧性。
Mo和V同样也是碳化物形成剂，在要求保护的范围内(0.5-1.9重量％Mo，优选1.7重量％Mo，0.2-0.4重量％V，优选0.35重量％V)添加时，它们都会有益地产生抗氧化作用。
最后，极少量的Pd(最高60ppm，优选50ppm)有助于提高强度(Pd是混晶硬化剂)和改进耐氧化性。
【附图说明】
在附图中对本发明的工作实施例进行说明。其为：
图1以柱形图的形式表示研究合金的屈服点(Streckgrenze)和抗拉强度；
图2以柱形图的形式表示研究合金的断裂延伸率和
图3以柱形图的形式表示研究合金在600℃/160MPa下的断裂时间。
【具体实施方式】
下面将根据实施例和附图详细地阐述本发明。
对由现有技术已知市售合金SZW 3001和试验合金SZWX1，SZWX2和SZWX3进行研究，表1列出了它们以重量％计的化学组成。
Fe Cr Ni Mn Si C Mo V B Re Ta Pd
SZW 3001 余量 12 2.3 1 0.4 0.12 1.7 0.35 - - 0 0
SZW X1 余量 12 2.3 1 0.4 0.12 1.7 0.35 0.01 - 0.01 0
SZW X2 余量 12 1 1 0.4 0.12 1.7 0.35 0.01 3 0.01 0
SZW X3 余量 12 2.3 1 0.4 0.12 1.7 0.35 - 3 0.01 50 ppm
表1研究合金的化学组成
根据本发明的合金制造如下：将它们作为直径约50毫米的块体在电弧炉中熔化数次。接着进行去应力退火(Spannungsarmglühung)(610℃/6小时/炉内冷却)。然后由其制造常规拉力试样(Zugprobe)和持久强度试样(Zeitstandprobe)。
在图1和图2中表示在室温下四个不同研究材料的拉伸试验的结果。
图1在每一情况下以柱形图的形式示出屈服点(水平阴影线)和抗拉强度(对角阴影线)。明显可见，根据本发明的合金SZWX2与迄今所用的焊接添加料SZW 3001相比，具有显著改善的强度值。例如屈服点由914提高到970MPa(提高量约6％)，抗拉强度由1147提高到1205MPa(提高量约5％)。这归因于所有合金元素在给定范围内共同作用的结果，尤其归因于Re、B和Ta的加入。虽然组成在Re、Ta和Pd方面差别很大，但是根据图1研究的合金SZWX3与比较合金相比，具有不变的强度值。
图2示出测得的断裂延伸率值。与已知的现有技术相比，特别是关于合金SZWX2，虽然断裂延伸率存在根据预期的微小变坏，但在根据本发明的材料(转子焊接时的焊接添加料)预定使用的情况下，这种情况不会是严重的。
图3示出了蠕变性能。这里以柱形图的形式表示在600℃，160MPa负荷的情况下研究材料的断裂时间。与由现有技术已知的SZW3001相比，所有研究的合金都有利地具有显著更好的持久强度。在SZWX2合金情况下，这种优点表现得非常显著。正如图3的箭头所表明的那样，由这种材料制作的样品在超过1200小时后，本身还没有断裂。
通过各种合金元素的给定组合获得了这种很好的性质。特别是合金SZWX2具有非常优越的性质组合，这很大部分归因于除了由现有技术已知的焊接添加料SZW 3001的成分外，一方面本合金还含有3重量％Re，另一方面还含有0.01重量％B。铼在这里起着很好的混晶硬化剂的作用，而硼使碳化物稳定，并降低碳化物的粗化作用两种机制都能改进焊缝金属的持久强度。
所有研究的材料都具有很好的熔化能力。因此在使用根据本发明的钢作为焊接添加料时，焊缝金属成为液态，焊接可简单地进行。还有利地具有提高的抗氧化性。因此根据本发明明的材料优选用于燃气轮机转子(Gasturbinenrotor)的焊接。
当然本发明不限于所述的实施例。