CN101249591A - 镍基焊丝及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍基焊丝，该材料配比的化学成分按质量百分比计含有：碳(C)0.047％；硅(Si)0.26％；锰(Mn)2.67％；磷(P)0.020％；硫(S)0.006％；镍(Ni)73.0％；铬(Cr)19.51％；钛(Ti)0.28％；铌(Nb)2.66％；铁(Fe)1.48％；铜(Cu)0.064％。本发明不仅具有良好的综合机械性能，而且还具有良好的工艺性能甚至好于进口焊丝，可取代进口UTP A 068HH焊丝。

Description

镍基焊丝及其制备工艺

技术领域：

本发明属于一种镍基焊丝及其制备工艺。

背景技术：

本公司与瑞士ALSTOM公司合作生产的大型水轮发电机定子水冷绕组线棒，在国内第一次采用新结构、新工艺及新材料。从ALSTOM公司进口的UTP A 068 HH镍基焊丝，相当于ASME SFA-5.14标准的ERNiCr-3，其焊接质量虽能达到产品的技术要求，但价格较高。为了降低产品制造成本，实现镍基焊丝国产化，开始对镍基焊丝进行了研制与相应的焊接工艺试验。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有良好的综合机械性能和工艺性能的镍基焊丝。本发明实现的途径如下：本发明为一种镍基焊丝，该材料配比的化学成分按质量百分比计含有：碳(C)0.047％；硅(Si)0.26％；锰(Mn)2.67％；磷(P)0.020％；硫(S)0.006％；镍(Ni)73.0％；铬(Cr)19.51％；钛(Ti)0.28％；铌(Nb)2.66％；铁(Fe)1.48％；铜(Cu)0.064％。

本发明的制备方法为：采用真空感应炉型号为：ZG-0.025，真空度小于0.1Pa，准备：质量百分比计含有：金属铬JCr99，碳(C)0.02％；铬(Cr)99.8％，电解镍DJNi，碳(C)0.001％；镍(Ni)99.9％，电解锰DJMn，碳(C)0.013％；锰(Mn)99.88％；磷(P)0.001％；硫(S)0.018％，海绵钛MHT-100，碳(C)0.02％；钛(Ti)99.8％，铌条Nb-1，铌(Nb)99.8％；碳(C)0.025％，硅钙合金Ca24Si60，碳(C)0.6％；硅(Si)58％；钙(Ca)26％，钢包要求烘烤到800℃以上；装料顺序要以元素不易烧损的铁合金，其加料顺序：电解镍DJNi、金属铬JCr99、电解锰DJMn、硅钙合金Ca24Si60、铌条Nb-1、海绵钛MHT-100，电解镍、金属铬先加，全部熔化以后，再添加易烧损元素的铁合金，电解金属锰及其它原料，通电熔化：炉料装好后即可送电，开始通电6-8分钟，待电流冲击停止后，随着炉料的熔化，把未装完的炉料陆续装入，直至炉料全部化清，测温精练：温度1600℃±10℃，时间：≥10分，出钢：降功率，出炉前2分钟加海绵钛，并充分搅拌，出钢温度1590±10℃，停机后立即出炉，钢渣混出；浇注：钢包要求烘烤到800℃以上烘烤2小时以上，出炉后立即浇注，浇注温度1560±10℃，先小流后大流浇注；脱模：浇注结束1分钟后迅速脱模，电极棒按炉号集中平堆放，凉后精整，打号，于棒锭端头取成品样，钢丝经过锻造、轧制工艺制成成品焊丝。

本发明的牌号确定为HSNiCr-3，达到了ASME SFA-5.14标准的ERNiCr-3化学成分的标准，同时也达到了UTP A 068 HH的各项技术性能。具体对比情况如下：

焊丝化学成份对照(％)

焊丝	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Ti	Nb	Fe	Cu
												ERNiCr-3标准值	≤0.10	≤0.50	2.50～3.50	≤0.030	≤0.015	≥67.0	18.0-22.0	≤0.75	2.0-3.0	≤3.0	≤0.50
HSNiCr-3本发明实测值	0.047	0.26	2.67	0.020	0.006	73.0	19.51	0.28	2.66	1.48	0.064
												UTP A 068HH本发明实测值	0.012	0.32	2.91	0.019	0.0017	74.02	19.74	0.22	2.41	0.52	0.10

在HSNiCr-3焊丝的研制中，抓住焊缝金属的抗拉强度这一关键环节，且考虑到镍基合金焊丝由于导热性差，易发生过热而引起晶粒长大，降低接头性能，以及在焊接中易出现热裂纹等主要因素，采取了一些技术措施：在对化学成份分析论证的基础上，对其进行了重新调整。具体做法是，降低C、P、S的化学成份。由于镍合金中的S在焊缝金属中偏析与Ni形成低熔点共晶物Ni₃S₂，在晶界形成一层液态薄膜，在焊接拉应力作用下易形成结晶裂纹，故应严格控制其含量；P同样会引起结晶裂纹，其含量也应严格控制。为了提高焊丝熔敷金属的抗热裂能力，添加2.67％锰(Mn)和2.66％铌(Nb)，及0.28％钛(Ti)。锰(Mn)提高强度，是一种良好的脱氧剂，又是很好的脱硫剂，并改善硫化物的形状和分布，减弱硫的危害，减小“热脆”和降低焊接热裂敏感性，硫增加晶粒长大倾向。铌(Nb)能与碳形成碳化物，与铁形成金属间化合物，从而析出强化铁素体，能细化晶粒阻碍晶粒长大。钛(Ti)主要细化晶粒元素之一，提高钢的强度。钛(Ti)是强烈地形成碳化物元素，由于与碳的亲和力大，所以常用来作为稳定剂，防止铬镍奥氏体在高温下或焊接后产生晶粒腐蚀，明显的细化晶粒，降低过热敏感性。

焊接工艺试验中控制焊接的线能量，即焊接电流不宜过大，焊速不宜过慢，焊接规范为：采用钨极氩弧焊的焊接方法，电流种类及极性为直流正接，焊接电流(A)100-150，电弧电压(V)12-16，气体流量(l/min)8-12，气体保护99.99％Ar，焊接速度(mm/min)60-80。多层焊(熔敷两个以上焊层完成整条焊缝所进行的焊接为多层焊)时注意层间温度，层间温度不高于150℃；以减小焊接接头过热。焊接结束时要注意缓慢收弧，填满弧坑。

本发明国产镍基焊丝HSNiCr-3主要适用于：钨极氩弧焊(其中包括手工钨极氩弧焊和半自动钨极气体保护焊)、熔化极氩弧焊、等离子弧焊的镍基焊丝，可用于焊接不锈钢同种金属，不锈钢与镍基合金、不锈钢与铜金属材料、镍基合金与铜金属材料的异种金属焊接或堆焊，适用于做填充丝和焊丝。试验结果：通过对其进行可焊性试验，结果表明：HSNiCr-3焊丝是较为理想的焊接材料，其不仅具有良好的综合机械性能，而且还具有良好的工艺性能甚至好于进口焊丝。因此，可用HSNiCr-3焊丝取代进口UTP A 068 HH焊丝。随着新镍基焊丝的研制成功，它标志着我国大型水轮发电机焊接材料达到了国外的先进技术水平。由于本发明的HSNiCr-3镍基焊丝，已在多台产品中得到应用且效果良好，因此，水轮发电机的制造成本得到了一定的降低。

附图说明：

图1为锻造工艺热电偶显示温度加热曲线图

图2为轧制工艺热电偶显示温度加热曲线图

具体实施方式：

本发明材料配比的化学成分按质量百分比计含有：碳(C)0.047％；硅(Si)0.26％；锰(Mn)2.67％；磷(P)0.020％；硫(S)0.006％；镍(Ni)73.0％；铬(Cr)19.51％；钛(Ti)0.28％；铌(Nb)2.66％；铁(Fe)1.48％；铜(Cu)0.064％。经过对国外镍基焊丝多方调研才确定本发明的焊丝化学成分。在调试化学成分中尽量降低P、S的含量，原因是：P能提高强度，但却能增加冷脆和热脆倾向；S能提高切削加工性，但却能增加结晶裂纹的倾向。适当降低C含量，因为C能明显降低焊缝韧、塑性，也是影响结晶裂纹的主要元素。同时填加Ti和Nb，因其优先与C结合而防止C与Cr结合，从而避免缺Cr现象发生，防止晶间腐蚀。加入Ni来保持良好的塑、韧性，细化晶粒。加入Mn来脱氧、脱硫，降低热裂敏感性，最终确定以Ni-Cr为合金系统。

本发明制备工艺：采用真空感应炉型号为：ZG-0.025，真空度小于0.1Pa，准备：质量百分比计含有：金属铬JCr99，碳(C)0.02％；铬(Cr)99.8％，电解镍DJNi，碳(C)0.001％；镍(Ni)99.9％，电解锰DJMn，碳(C)0.013％；锰(Mn)99.88％；磷(P)0.001％；硫(S)0.018％，海绵钛MHT-100，碳(C)0.02％；钛(Ti)99.8％，铌条Nb-1，铌(Nb)99.8％；碳(C)0.025％，硅钙合金Ca24Si60，碳(C)0.6％；硅(Si)58％；钙(Ca)26％，钢包要求烘烤到800℃以上；装料顺序要以元素不易烧损的铁合金，其加料顺序：电解镍DJNi、金属铬JCr99、电解锰DJMn、硅钙合金Ca24Si60、铌条Nb-1、海绵钛MHT-100，电解镍、金属铬先加，全部熔化以后，再添加易烧损元素的铁合金，电解金属锰及其它原料，通电熔化：炉料装好后即可送电，开始通电6-8分钟，待电流冲击停止后，随着炉料的熔化，把未装完的炉料陆续装入，直至炉料全部化清，测温精练：温度1600℃±10℃，时间：≥10分，出钢：降功率，出炉前2分钟加海绵钛，并充分搅拌，出钢温度1590±10℃，停机后立即出炉，钢渣混出；浇注：钢包要求烘烤到800℃以上烘烤2小时以上，出炉后立即浇注，浇注温度1560±10℃，先小流后大流浇注；脱模：浇注结束1分钟后迅速脱模，电极棒按炉号集中平堆放，凉后精整，打号，于棒锭端头取成品样，钢丝经过锻造、轧制工艺制成成品焊丝。

本发明具体实施工艺要求如下：

1.真空冶炼工艺

1.1材料要求：

材料名称	原料牌号	执行标准	主要化学成分，％
				金属铬	JCr99	GB3211-1987	Cr≥99，C≤0.02
电解镍	DJNi99.9	GB6516-1997	Ni≥99.5，C≤0.02，P，S≤0.003
				电解金属锰	DJMn99.7	YB/T051-93	Mn≥99.7，C≤0.04，P≤0.005，S≤0.05
海绵钛	MHT-100	CB2524-2002	Ti≥99.7，C≤0.02
				硅钙合金	Ca24Si60	YB/T5051-1997	Si55-65，Ca≥24，C≤0.8
铌条	Nb-1	Gb/T6896-1998	Nb≥99.456，Ta≤0.25，C≤0.03

1.2配料计算

化学成份％

	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Ti	Nb	Fe	Cu
												标准成分	≤	≤0.50	2.50-	≤	≤	≥	18.0-	≤	2.0-	≤	≤

	0.10		3.50	0.030	0.015	67.0	22.0	0.75	3.0	3.0	0.50
												内控成分	0.05	0.3	2.6-3.3	0.020	0.01	70.0	19.5-20.5	0.5	2.3-2.7	1.5	0.4

原材料成分质量(％)

原料牌号	原材料主要成分
		JCr99	Cr 99.8，C 0.02
DJNi99.9	Ni 99.9，C 0.001，P 0.0026，S 0.002
		DJMn99.7	Mn 99.88，C 0.013，P 0.001，S 0.018
MHT-100	Ti 99.8，C 0.02，
		Ca24Si60	Si 58，Ca 26，C 0.6
Nb-1	Nb 99.8，C 0.025

1.3熔炼工艺

真空感应熔炼炉型号为ZG-0.025，真空度小于0.1Pa。

2.电渣重熔工艺

3.锻造工艺

开锻温度1100℃-1200℃

终锻温度≥900℃

冷却方式空冷

锻造火次1次(≤35Kg)，具体加热曲线见附图1

4.轧制工艺

开轧温度1100℃-1200℃

终轧温度≥900℃

冷却温度空冷，具体加热曲线见附图2

5.拔丝工艺

5.1工艺流程

φ8.0mm盘条→固熔处理、酸洗→精整检查、烘干→冷拔I、固熔处理(井)、酸洗→精整检查、烘干→冷拔II、固熔处理(连)→冷拔III、固熔处理(连)→成品、在线清洗→绕盘、取样检查→包装→入库

5.2退火工艺

5.2.1井式炉退火

类别	直径mm	温度℃	保温时间min	冷却方式
					盘条退火	≥8.0	1050	60	水冷
中间退火	≥3.0	1050	90	水冷

5.2.2连续光亮退火

焊接工艺试验：选择试验母材。因发电机水冷绕组定子线棒的加强块材料为进口Ni300镍合金、连接板材料为T2紫铜和1Cr18Ni9Ti不锈钢，故选择这三种材料(板厚均为8mm)为试验母材。选择焊材：采用直焊丝，直径为φ2.0mm，长1000mm的进口UTP A 068HH焊丝与新研制的HSNiCr-3焊丝。选择焊接工艺规范：采用钨极氩弧焊的焊接方法，电流种类及极性为直流正接，钨极直径为φ3mm，喷嘴直径为φ10mm，预热温度不低于20℃，层间温度不大于150℃，焊接电流(A)100-150，电弧电压(V)12-15，气体流量(l/min)10-12；气体保护99.99％Ar；焊接速度(mm/min)60-80。镍基焊丝的工艺性能、机械性能要求：焊丝要求工艺性能较好，成型美观，焊缝金属的抗拉强度应达到бb(Mpa)≥550。

具体试验内容为：熔敷金属的化学成份和机械性能试验：试验结果表明：国产焊丝与进口焊丝熔敷金属化学成份、机械性能试验复验结果都合格，满足标准值要求。试验结果如下：

熔敷金属化学成份对比(％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Nb	Ti	Cu	Fe
												0.050	0.22	2.94	0.022	0.006	19.50	71.872	2.6	0.26	0.09	2.77	HSNiCr-3
0.044	0.31	2.93	0.03	0.005	20.06	73.26	2.17	0.24	0.20	0.75	UTP A 068  HH

熔敷金属机械性能对比

бbN/mm2	бsN/mm2	δ％	AKV(J)20℃
					650	475	20.5	155、113、123、138、123	HSNiCr-3
635	422	26.5	185、180、181、176、198.	UTP A 068 HH

镍基焊丝的化学成份分析试验：进行焊丝的化学成分分析试验。在国产焊丝与进口焊丝上抽样进行化学分析，试验结果表明：新研制的HSNiCr-3焊丝与进口焊丝都满足ASME SFA-5.14ERNiCr-3焊丝化学成份标准值。结果如下：

焊丝	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Ti	Nb	Fe	Cu
												ERNiCr-3标准值	≤0.10	≤0.50	2.50～3.50	≤0.030	≤0.015	≥67.0	18.0-22.0	≤0.75	2.03.0	≤3.0	≤0.50
HSNiCr-3哈电机厂实测值	0.047	0.26	2.67	0.020	0.006	73.0	19.51	0.28	2.66	1.48	0.064
												UTP A 068 HH哈电机厂实测值	0.012	0.32	2.91	0.019	0.0017	74.02	19.74	0.22	2.41	0.52	0.10

国产焊丝与进口焊丝工艺性能对比试验：用1Cr18Ni9Ti不锈钢板6mm厚进行对接焊缝焊接。通过对比可以看出：可全位置焊接，国产焊丝HSNiCr-3与进口UTP A 068 HH焊丝工艺性能相当甚至好于进口焊丝。具体情况如下：

电流	130-150A	130-150A	100-120A	100-120A	110-130	110-130
							电压	11-13V	11-13V	1012V	10-12V	1012V	10-12V
	国产HSNiCr-3平焊、横焊	进口UTP A 068HH平焊、横焊	国产HSNiCr-3立焊	进口UTP A068 HH立焊	国产HSNiCr-3仰焊	进口UTP A 068HH仰焊
							焊接电弧燃烧稳定性	电弧柔和、平静	电弧柔和、平静	电弧柔和、平静	电弧柔和、平静	电弧柔和、平静	电弧柔和、平静
引弧	容易	容易	容易	容易	容易	容易
							表面成型	良好	良好	良好	良好	良好	良好
气孔、夹渣裂纹、未焊透	平焊良好(四组)横焊良好(四组)	平焊良好(四组)横焊良好(三组)有一组收弧有微裂纹	四组良好	有一组收弧有微裂纹其它三组良好	四组良好	四组良好

镍合金Ni300与紫铜T2的角焊缝焊接试验：焊接时紫铜连接板预热到最低600℃，在焊接过程中如紫铜连接板温度低于600℃时再加热到最低600℃后再继续焊接，预热温度最低(T2)600℃、层间温度700℃、焊接电流160-190A，电弧电压16-18V、保护气体99.99％Ar、焊接速度60-80mm/min，钨极Φ3.0mm、喷嘴Φ10.0mm。电流种类及极性为直流正接，靠近T2铜板处焊接电流取上限、靠近Ni300板处焊接电流取下限。对于焊接质量采用宏观检查方法，其结果如下：

角焊缝的焊接工艺评定结果

焊丝	预热温度最低℃(T2)	焊缝根部熔合情况5件	焊缝金属裂纹情况5件	热影响区裂纹情况5件
					HSNiCr-3	600	熔合	无裂纹	无裂纹
UTP A 068 HH	600	熔合	无裂纹	无裂纹

镍合金Ni300与不锈钢板1Cr18Ni9Ti的角焊缝焊接试验：镍合金Ni300加强块与1Cr18Ni9Ti不锈钢都是奥氏体组织，易出现热裂纹倾向。采用减小焊接电流以减少熔池过热，提高了焊缝抗热裂性能。焊接材料选用进口UTP A 068 HH直焊丝与国产HSNiCr-3直焊丝，试板厚t＝8mm，气体流量8-12l/min、焊接电流90-110A、电弧电压10-12V、钨极Φ3.0mm、喷嘴Φ10.0mm。焊后宏观检查结果合格。

角焊缝的焊接工艺评定结果

焊丝	预热温度最低℃	焊缝根部熔合情况5件	焊缝金属裂纹情况5件	热影响区裂纹情况5件
					HSNiCr-3	20	熔合	无裂纹	无裂纹
UTP A 068 HH	20	熔合	无裂纹	无裂纹

镍合金Ni300板与紫铜T2板的对接焊接机械性能试验：

在焊接过程中如紫铜板温度低于600℃时再加热到最低600℃后再继续焊接，层间温度控制在700℃。焊接电流190-210A，电弧电压18-20V。在T2紫铜板坡口上进行堆焊，堆焊厚度5mm再与Ni300板一起对接焊。在T2紫铜板上加堆焊层再与Ni300板对焊接，这样很容易焊接。由于紫铜的导热系数大，热散失快，热输入不足时焊接接头可能发生不熔合或未焊透。靠近T2铜板处焊接电流取上限、靠近Ni300板处焊接电流稍取下限。焊接规范如下，预热温度最低20℃、层间温度150℃、保护气体99.99％Ar、气体流量8-12l/min、焊接电流130-140A、电弧电压13-15V，背面清根。试验结果表明：焊接材料为HSNiCr-3焊丝，母材Ni300板与紫铜T2板焊接接头的机械性能可达到标准要求，断口在母材T2紫铜板上，且断口抗拉强度σ_b＞T2紫铜板抗拉强度σ_b为195Mpa，满足抗拉强度标准要求。正弯(2件)背弯(2件)d＝4a，180度完好，满足塑性要求。试验结果如下：

镍合金Ni300与紫铜T2板焊接接头的机械性能

焊接材料选	焊接状态	抗拉强度MPa	断口部位	正弯(2件)背弯(2件)d＝4a
					HSNiCr-3	焊态	240、220	断T2	180度完好

镍合金Ni300板与1Cr18Ni9Ti不锈钢板的对接焊接机械性能试验：试板材料为镍合金Ni300板与1Cr18Ni9Ti不锈钢板的焊接试验，试验试板、方法等同上。焊接规范：预热温度最低20℃、层间温度150℃、保护气体99.99％Ar、气体流量8-12l/min、焊接电流110A-140A，电弧电压12-14V，背面清根。试验结果表明：各项机械性能完全满足要求。

焊接材料	焊接状态	抗拉强度MPa	断口部位	正弯(2件)背弯(2件)d＝4a
					HSNiCr-3	焊态	645、660	断1Cr18Ni9Ti	180度完好

焊接接头金相组织分析：试样材质1Cr18Ni9Ti+Ni300焊接；Ni300+T2焊接。25mm×25mm×8mm的焊接接头试样进行抛光后，试样用10％的草酸电解腐蚀，放大200倍观察。分析结果：镍基合金为γ固溶体+第二相析出物，第二相析出物呈颗粒状沿杂质方向分布，晶粒度5级；焊缝、熔合线及热影响区未见裂纹及未熔合现象；焊缝为奥氏体，1Cr18Ni9Ti母材组织单相奥氏体，晶粒度8级。

T2紫铜母材组织a单向固溶体，晶粒特别粗大(没有评定标准)；焊缝、熔合线及热影响区未见裂纹及未熔合现象；焊缝为奥氏体，镍基合金为γ固溶体+第二相析出物，第二相析出物呈颗粒状沿杂质方向分布，晶粒度5级。

产品模拟试验：在水冷绕组定子线棒模型上，按照产品的技术要求和焊接工艺规范，以及各种质量等要求，进行了产品模拟试验。试验表明：新研制的国产HSNiCr-3焊丝完全能够满足产品各种制造要求。

Claims (2)

1. 一种镍基焊丝，其特征是：该材料配比的化学成分按质量百分比计含有：碳(C)0.047％；硅(Si)0.26％；锰(Mn)2.67％；磷(P)0.020％；硫(S)0.006％；镍(Ni)73.0％；铬(Cr)19.51％；钛(Ti)0.28％；铌(Nb)2.66％；铁(Fe)1.48％；铜(Cu)0.064％。

2. 按照权利要求1所述的一种镍基焊丝的制备工艺，其特征是：采用真空感应炉型号为：ZG-0.025，真空度小于0.1Pa，准备：质量百分比计含有：金属铬JCr99，碳(C)0.02％；铬(Cr)99.8％，电解镍DJNi，碳(C)0.001％；镍(Ni)99.9％，电解锰DJMn，碳(C)0.013％；锰(Mn)99.88％；磷(P)0.001％；硫(S)0.018％，海绵钛MHT-100，碳(C)0.02％；钛(Ti)99.8％，铌条Nb-1，铌(Nb)99.8％；碳(C)0.025％，硅钙合金Ca24Si60，碳(C)0.6％；硅(Si)58％；钙(Ca)26％，钢包要求烘烤到800℃以上；装料顺序要以元素不易烧损的铁合金，其加料顺序：电解镍DJNi、金属铬JCr99、电解锰DJMn、硅钙合金Ca24Si60、铌条Nb-1、海绵钛MHT-100，电解镍、金属铬先加，全部熔化以后，再添加易烧损元素的铁合金，电解金属锰及其它原料，通电熔化：炉料装好后即可送电，开始通电6-8分钟，待电流冲击停止后，随着炉料的熔化，把未装完的炉料陆续装入，直至炉料全部化清，测温精练：温度1600℃±10℃，时间：≥10分，出钢：降功率，出炉前2分钟加海绵钛，并充分搅拌，出钢温度1590±10℃，停机后立即出炉，钢渣混出；浇注：钢包要求烘烤到800℃以上烘烤2小时以上，出炉后立即浇注，浇注温度1560±10℃，先小流后大流浇注；脱模：浇注结束1分钟后迅速脱模，电极棒按炉号集中平堆放，凉后精整，打号，于棒锭端头取成品样，钢丝经过锻造、轧制工艺制成成品焊丝。

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