CN109175786A - 一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条，属于焊接材料技术领域。其化学元素以质量百分比计含有：C：0.06‑0.10％，Si：0.45‑0.64％，Mn：0.60‑0.90％，P≤0.020％，S≤0.015，Ni：3.0‑5.0％，Cr：1.10‑1.50％，Cu：0.15‑0.35％，Ti：0.06‑0.15％，V：0.01‑0.05％，余量为铁及不可避免的杂质。优点在于：本发明的盘条制成的焊丝所得熔敷金属及焊接接头在焊态条件下，得到了以针状铁素体组织为主的熔敷金属金相组织，并具有良好的综合力学性能及良好的耐候性，其中抗拉强度：≥650MPa，伸长率：≥17％，‑40℃条件下A_kv大于47J。

Description

一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条。

背景技术

为适应铁路货车大载重、轻量化、可靠性的发展，进一步提高铁路货车车体的耐腐蚀性能，宝钢开发了第三代铁道车辆用新型高耐蚀性耐候钢(S450EW)及其配套焊材，S450EW合金含量属于中合金，主要特点就是通过适当增加Cr含量，使耐腐蚀性能较之前的第二代Q450NQR1型高强度耐候钢提高约30-50％，并在C70E型运煤敞车、C70C型焦炭运输车、80吨级通用敞车和棚车以及80吨级漏斗车等车型上成功应用。与S450EW配套的焊材，在专利和文献中可查到部分信息，表1和表2分别列出了已公布与S450EW配套的焊材专利中的耐候气保焊丝及盘条化学成分和熔敷金属性能要求。

表1

表2

注：相对腐蚀率＝100％×(母材失重速率-熔敷金属失重速率)/母材失重速率

由表可见，CN201210553022.1、CN201110104281.1和CN201610594463.4产品为低碳的Ni-Cr-Mn-Cu-Ti合金体系，它可以通过固溶强化、析出强化、细晶强化等手段实现焊缝强度和低温韧性的优化；但也给盘条的生产带来了合金量大这一技术难点；此外，碳含量要求较低，这对于目前焊线原料冶炼的产线工装条件及冶炼工艺要求较严，同时大大增加生产成本。因此，本发明利用中试条件进行了成分调整的试验探索，主要目标是调整碳含量至首钢产线可实现的范围，了解碳含量升高后对焊缝性能的影响，并调整其他元素，使焊缝的力学性能，耐蚀性能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条，解决了现有产品生产难度大，生产成本高的问题。本发明的产品虽然降低了成本，但焊缝力学性能、耐候性能优良，适用于第三代铁道车辆用高耐蚀耐候钢的焊接。焊接状态下，焊缝力学性能满足S450EW级别要求，抗拉强度≥650MPa，-40℃的冲击韧性≥47J。焊缝的耐候性能也满足要求。

一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条，其化学元素以质量百分比计含有：C：0.06-0.10％，Si：0.45-0.64％，Mn：0.60-0.90％，P≤0.020％，S≤0.015，Ni：3.0-5.0％，Cr：1.10-1.50％，Cu：0.15-0.35％，Ti：0.06-0.15％，V：0.01-0.05％，余量为铁及不可避免的杂质。

所述盘条的成分中，Ni的优选范围为：3.4-4.5％，V的优选范围为：0.03-0.05％。

所述盘条的生产方法，具体步骤及参数如下：

1、钢坯生产工艺

用电炉或转炉生产钢坯，经LF炉外精炼后，由小方坯连铸机生产铸坯，断面规格：130mmmm×130mm～160mm×160mm；所需Ni合金由炉前随废钢一起配加，所需Si、Mn、Cr、Cu、V合金在出钢后配加，上述合金含量均在LF处理过程进行微调以达到成品的含量要求范围；所需Ti合金在LF处理后期配加；连铸中结晶器冷却强度为30-50℃/s，出结晶器坯壳厚度10mm～20mm，二冷区冷却强度＞1.8℃/s。二冷区冷却强度以铸坯1/4位置处计。

2、盘条轧制工艺

采用高速线材轧制，开轧温度为1000℃－1050℃，入精轧机温度为920℃－970℃；吐丝温度为850℃－900℃；过程温度可根据环境气温的变化和成品盘条理化性能水平进行微调；各段水箱均匀给水，根据轧制速度，加热情况的变化，随时修正调整，确保温度符合要求。

3、盘条控制冷却工艺

采用斯泰尔摩线冷却，冷却过程中采用保温罩缓冷，配合辊道速度配比，确保在保温罩内的缓冷时间≥10min，控制盘条在保温罩内冷速≤0.5℃/s。

加工得到的气保焊丝在焊态下所得熔敷金属均具有良好的综合力学性能，焊缝抗拉强度≥650MPa，-40℃时V型缺口试样冲击功≥47J。

在本发明化学成分设计中：

C:C含量增加，强度增加，但会使盘条的塑性变形能力变差，焊丝的冷裂倾向增加。但碳含量过低，增加了生产工艺成本及生产难度。综合考虑生产成本、生产难度，以及碳含量对焊缝性能的影响，碳含量对盘条强度和塑性的影响，确定本发明C的选择范围是0.06-0.10％。

Si:Si固溶于铁素体和奥氏体中，有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，同时一定量的Si可以增加焊缝金属的流动性，改善焊接工艺性能，但Si含量过高，会导致焊缝金属的韧性下降，并会增加焊缝裂纹敏感性，所以Si含量不宜过高，确定本发明Si的选择范围在0.45-0.64％。

Mn:Mn通过细化焊缝组织，有利于增加焊缝金属的强度和韧性。同时Mn具有焊缝脱氧作用。但过高的Mn含量并增加焊缝的裂纹敏感性，为保证焊缝具有良好的强韧性及低的裂纹敏感性，确定本发明Mn含量的选择范围在0.60-0.90％。

Ni：Ni元素扩大奥氏体区，高温焊缝冷却过程中，完全固溶在奥氏体中的Ni可以大大降低奥氏体向铁素体的转变温度，从而抑制了先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，而有利于形成针状铁素体，较低的相变温度也可保证析出的针状铁素体均匀细小，提高了焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性。同时，Ni与Cr、Mo等元素共同作用，形成致密的钝化膜从而提高耐蚀性。但是过高Ni含量会降低焊缝金属流动性，Ni元素合金成本高，因此，确定本发明Ni的选择范围在3.0-5.0％。

Cu：Cu元素有利于抑制焊缝金属的氢脆，而且Cu也是增加耐候性的主要元素之一。但含量过高来同时提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性而且增加焊缝的热脆性，因此，确定本发明Cu的选择范围在0.15-0.35％。

Cr:Cr是明显提高淬透性的元素，提高焊缝金属中针状铁素体组织，从而提高强度韧性。而且Cr能提高钢的耐点蚀性能，形成Cr富集的钝化层，从而提高焊缝的耐候性能。但过高的Cr含量会提高焊缝的冷裂敏感性。因此，确定本发明Cr的选择范围在1.10-1.50％。

Ti:Ti是强脱氧剂，适量Ti在熔池中与O₂形成弥散分布的化合物TiO2质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，增加焊缝的强韧性；焊接过程中，有利于改善焊接工艺性减少飞溅。但较高的Ti含量会使钢液粘稠，增加浇注过程中的难度，同时也不利于焊缝在熔化状态时的流动性，因此，确定本发明Ti的选择范围在0.06～0.15％。

V:对于超高强气保焊丝来说，添加微合金化Ti、V等元素，可以达到改善焊缝组织韧性。本发明的技术方案中采用了V进行微合金化。V在奥氏体区相对其他微合金元素具有更高固溶度，固溶在奥氏体中的微合金元素才会增加过冷奥氏体的稳定性，降低相变温度，促进针状铁素体相变，提高了焊缝韧性。同时V在铁素体区的形成大量的碳化物，能提高焊缝的高温回火抗力，这样对于焊后需要热处理的结构钢件来说，可以在更高的温度下进行回火，有利于原奥氏体晶内更大量的细小碳化物均匀弥散析出，从而达到细化晶粒、抑制扩散氢、提高焊缝韧性的目的，而且还保证了焊缝的强度不受明显损失。但V含量过高，会降低焊缝的塑性和韧性。因此，确定本发明V的选择范围在:0.01-0.05％。

较之现有技术，本发明采用V进行微合金化，添加量较少，而没有添加Mo元素，也降低了合金成本。

P、S:杂质元素含量越低，钢质纯净度越高，韧性会越好，结合企业的工装工艺能力，确定本发明P、S的选择范围在P≤0.020％，S≤0.015％。

本发明中，高强耐候气体保护焊丝用钢可采用转炉冶炼加炉外精炼冶炼生产，也可采用电炉冶炼加炉外精炼冶炼生产，只要最终的化学成分能满足以上的发明内容的要求即可。

高速线材厂采用控温轧制，控制缓冷工艺，轧制出φ6.5mm规格盘条，盘条表面光滑，没有裂纹、折叠、耳子、结疤、分层及夹杂，等表面缺陷。盘条在焊材厂经退火处理、酸洗、拉丝、镀铜、绕盘等工序制成焊丝。

本发明的优点在于：

1、本发明的盘条制成的焊丝所得熔敷金属及焊接接头在焊态条件下，得到了以针状铁素体组织为主的熔敷金属金相组织。并具有良好的综合力学性能及良好的耐候性，其中抗拉强度：≥650MPa，伸长率：≥17％，-40℃条件下A_kv大于47J。熔敷金属金相组织见图1。

2、本发明的盘条制成的焊丝所得熔敷金属腐蚀性能与母材的相对腐蚀速率为＜10％，熔敷金属锈层中具有更高含量的FeOOH相，表明本发明盘条制成的焊丝具有良好的耐候性能，可用于高耐候钢的焊接。

附图说明

图1为熔敷金属金相组织图。

具体实施方式

根据本发明的化学成分范围，采用了电炉+炉外精炼，转炉+炉外精炼的冶炼方式，在高速线材厂热轧成φ6.5mm规格盘条。

实施例1-5

高强度耐候气体保护焊丝用盘条，其化学元素以质量百分比见表4所示：

表4

	C，％	Si，％	Mn，％	P，％	S，％	Cr，％	Ni，％	Cu，％	Ti，％	V，％
											实施例1	0.10	0.46	0.7	0.006	0.008	1.13	3.69	0.12	0.07	0.030
实施例2	0.08	0.49	0.85	0.008	0.0028	1.18	3.64	0.16	0.09	0.040
											实施例3	0.06	0.60	0.64	0.011	0.006	1.23	4.7	0.24	0.12	0.050
实施例4	0.09	0.54	0.76	0.009	0.010	1.45	4.2	0.35	0.14	0.020
											实施例5	0.07	0.51	0.81	0.007	0.004	1.38	3.2	0.20	0.10	0.015

所述盘条的生产方法，具体步骤及参数如下：

1、钢坯生产工艺

表5

	坯型	结晶器冷却强度	坯壳厚度	二冷区强度
					实施例1	130mm×130mm	35℃/s	16mm	1.9℃/s
实施例2	130mm×130mm	42℃/s	18mm	2.0℃/s
					实施例3	150mm×150mm	41℃/s	15mm	2.4℃/s
实施例4	160mm×160mm	49℃/s	14mm	2.3℃/s
					实施例5	150mm×150mm	45℃/s	13mm	2.2℃/s

2、盘条生产轧制

表6

	开轧温度	入精轧温度	吐丝温度
				实施例1	1020℃	930℃	850℃
实施例2	1040℃	940℃	900℃
				实施例3	1000℃	920℃	860℃
实施例4	1030℃	950℃	880℃
				实施例5	1050℃	960℃	890℃

3、盘条控制冷却：

表7

	缓冷时间	罩内冷速
			实施例1	10.5min	0.47℃/s
实施例2	11.0min	0.45℃/s
			实施例3	11.5min	0.40℃/s
实施例4	12.5min	0.38℃/s
			实施例5	13.0min	0.35℃/s

生产成φ6.5mm规格再进行粗拉拔、退火、精拉拔和镀铜工艺制成φ1.2mm。

焊接试板采用S450EW钢，板厚20mm，过程中采用富氩的混合气体(80％Ar+20％CO2)作为保护气体，控制层间温度低于120℃，焊接电流220A～260A，焊接电压为31V，焊接速度0.33～0.5cm/s。焊接试验表明，本发明焊丝焊接工艺性能良好，飞溅少，焊缝成形性好。

焊后，在焊接接头切取熔敷金属的拉伸试样和冲击试样，进行性能测试，其结果列于表8。数据满足抗拉强度：≥650MPa，伸长率：≥17％，-40℃条件下A_kv大于47J的力学性能要求。

按照TB/T2375《铁路用耐候钢周期浸润试验方法》标准对本发明的实施例进行焊丝熔敷金属的周浸试验，腐蚀溶液为0.01mol/LNaHSO3溶液，周浸时间为72h。实验温度45℃，湿度70％。腐蚀试验结果列于表9。本发明焊丝的熔敷金属腐蚀性能与SW450的相对腐蚀速率为3.4～9.4％，小于10％。本发明焊丝可用于高耐候耐候钢的焊接。

进一步的，对完成了周浸试验的熔敷金属和SW450钢对比试样，用D8advance X射线衍射仪(XRD)定量测量试样表面锈层的相组成。试样结果列于表10。大气环境下内锈层的成分主要以α-FeOOH和Fe3O4为主，α-FeOOH晶体枝晶尺寸纤细，含有更多α-FeOOH相的锈层更致密，具有对基体的保护作用，因此，具有更好的耐蚀性。本发明焊丝的熔敷金属腐蚀锈层中含有更高含量的FeOOH相，表明本发明焊丝的熔敷金属的耐蚀性能优良。

本发明的耐候气保焊丝适用于抗拉强度级别为650MPa以上的高强耐候钢的气保焊接。适用于铁道车辆，桥梁等领域。

表8

表9

	腐蚀率W(g/m<sup>2</sup>·h)	相对腐蚀率,％
			实施例1	1.923	9.4
实施例2	1.845	5.0
			实施例3	1.801	2.5
实施例4	1.881	7.0
			实施例5	1.817	3.4
SW450	1.757	/

表10

Claims (6)

1.一种高强度耐候气体保护焊丝用盘条，其特征在于，化学元素以质量百分比计含有：C：0.06-0.10％，Si：0.45-0.64％，Mn：0.60-0.90％，P≤0.020％，S≤0.015，Ni：3.0-5.0％，Cr：1.10-1.50％，Cu：0.15-0.35％，Ti：0.06-0.15％，V：0.01-0.05％，余量为铁及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的盘条，其特征在于，所述的Ni：3.4-4.5％。

3.根据权利要求1所述的盘条，其特征在于，所述的V：0.03-0.05％。

4.根据权利要求1所述的盘条，其特征在于，所述的盘条的生产方法，具体步骤及参数如下：

1)钢坯生产工艺

用电炉或转炉生产钢坯，经LF炉外精炼后，由小方坯连铸机生产铸坯，断面规格：130mmmm×130mm～160mm×160mm；所需Ni合金由炉前随废钢一起配加，所需Si、Mn、Cr、Cu、V合金在出钢后配加，上述合金含量均在LF处理过程进行微调以达到成品的含量要求范围；所需Ti合金在LF处理后期配加；连铸中结晶器冷却强度为30-50℃/s，出结晶器坯壳厚度10mm～20mm，二冷区冷却强度＞1.8℃/s；

2)盘条轧制工艺

采用高速线材轧制，开轧温度为1000℃－1050℃，入精轧机温度为920℃－970℃；吐丝温度为850℃－900℃；过程温度根据环境气温的变化和成品盘条理化性能水平进行微调；各段水箱均匀给水，根据轧制速度，加热情况的变化，随时修正调整，确保温度符合要求；

3)盘条控制冷却工艺

采用斯泰尔摩线冷却，冷却过程中采用保温罩缓冷，配合辊道速度配比，确保在保温罩内的缓冷时间≥10min，控制盘条在保温罩内冷速≤0.5℃/s。

5.根据权利要求4所述的盘条，其特征在于，步骤1)中所述的二冷区冷却强度是以铸坯1/4位置处计。

6.根据权利要求4所述的盘条，其特征在于，加工得到的气保焊丝在焊态下所得熔敷金属的力学性能，焊缝抗拉强度≥650MPa，-40℃时V型缺口试样冲击功≥47J。