CN113319469B

CN113319469B - 高强度耐热钢气体保护焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN113319469B
Application number: CN202110731938.0A
Authority: CN
Inventors: 刘运强; 叶东; 张文凤; 宋小辉; 刘忠
Original assignee: Guilin University of Aerospace Technology
Current assignee: Guilin University of Aerospace Technology
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113319469A

Abstract

本发明涉及一种高强度耐热钢气体保护焊丝及其制备方法，其特征在于，其化学元素质量百分比为:C:0.05‑0.12%、Si:0.55‑0.75%、Mn:1.5‑2.0%、Ti:0.02‑0.05%、Mo:0.4‑0.8%、Cr:0.5‑2.0%、Nb:0.5‑1.5%、Zr:0.1‑0.4%、Co:0.01‑0.05%、La:0.01‑0.05%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。本发明高强度耐热钢气体保护焊丝焊接后熔敷金属的综合力学性能良好，同时焊缝组织具有高强度、高抗裂性和高韧性；适用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等结构件的焊接。

Description

高强度耐热钢气体保护焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种高强度耐热钢气体保护焊丝及其制备方法。

背景技术

耐热钢是指在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢（或称高温不起皮钢）和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。耐热钢的性能正向高强度、高耐热的方向发展，以降低材料消耗，减轻结构重量、提高结构性能和安全性。这将对耐热钢焊接接头的强韧性，进而对焊接材料和焊接工艺提出了更高的要求。

但目前与高强度耐热钢匹配的焊接材料研制相对滞后，导致高强度耐热钢的推广及应用受到制约。同时高强耐热钢强度不断提高，焊接问题也日益突出，如高强耐热钢焊接接头易出现裂纹敏感性增加，接头区性能恶化等严重问题。因此迫切需要研制具有优良焊接工艺性的高强度、耐热性且抗裂性良好的气体保护焊丝。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种焊丝熔敷金属的综合力学性能良好，同时焊缝组织具有高强度、高抗裂性和高韧性的高强度耐热钢气体保护焊丝及其制备方法，适用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等结构件的焊接。

本发明是这样实现的：

一种高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为:

C:0.05-0.12%、Si:0.55-0.75%、Mn:1.5-2.0%、Ti:0.02-0.05%、Mo:0.4-0.8%、Cr:0.5-2.0%、Nb:0.5-1.5%、Zr:0.1-0.4%、Co:0.01-0.05%、La:0.01-0.05%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

进一步优选，所述高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为:

C:0.06-0.08%、Si:0.60-0.70%、Mn:1.8-2.0%、Ti:0.03-0.04%、Mo:0.4-0.8%、Cr:0.5-2.0%、Nb:0.5-1.5%、Zr:0.2-0.3%、Co:0.02-0.04%、La:0.02-0.04%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

本发明各化学成分主要作用如下：C可以提高焊接组织的强度，但在高强耐热钢焊缝中也是致脆元素，影响焊缝金属的抗裂性能和冲击韧性；Si作为脱氧元素，可以防止铁与氧化合，并可在熔池中还原FeO；Mn是良好的脱氧剂，能提高焊缝组织的强度和耐磨性；Ti是一种强烈的脱氧元素，能细化晶粒，改善焊接性能；Mo能提高焊缝组织的高温强度、耐磨性、蠕变强度及持久强度，改善焊缝组织的耐腐蚀性；Cr能提高焊缝组织的强度和硬度而塑性和韧性降低不大，具有很强的耐蚀、耐酸的能力；Nb能细化晶粒和降低熔敷金属的过热敏感性及回火脆性，提高强度；Zr可以提高熔敷金属低温冲击韧性和冲击韧性的稳定性；Co 能够提高焊缝组织的耐热性及抗裂性；La能够改善焊缝组织的韧性和抗拉强度。

本发明高强度耐热钢气体保护焊丝的制备方法，包括如下步骤：

（1）真空冶炼：按配比依次将金属铁、石墨、金属硅、电解锰、钛铁、金属钼、金属铬、金属铌、金属锆、铁钴和镧铁投入到真空感应炉中进行熔炼，然后抽真空至10-15Pa，接着升温熔化，熔化温度为1530℃-1560℃，待原料充分熔化后，向真空熔炼室通入惰性气体进行精炼，精炼温度为1580℃-1620℃，精炼时间为10-20min；

（2）浇注：精炼完成后，将钢液从真空感应炉内出钢浇注，出钢温度为1560℃-1600℃，浇注时将钢液从真空感应炉内匀速流出，并在钢液浇注过程中加入钢液重量的0.01%-0.04%的复合脱氧剂进行脱氧作业，钢液沿浇道溜槽注入铸型模具内制成钢锭；

（3）锻造：将钢锭升温至1120℃-1150℃进行锻造，将钢锭锻成方坯；

（4）轧制：将方坯加热到1100℃-1130℃，保温20-30分钟，然后轧制成直径8mm的盘条；

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为600℃-650℃，保温时间为20-30分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝。

进一步优选，所述步骤1中的惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为4-6:3-4，惰性气体的流量为0.35-0.40min/L，通入惰性气体的时间为5-10min。

进一步优选，所述步骤2中的复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为5-6:0.5-1:2-3:1-2:0.1-0.5。

进一步优选，所述骤5中拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。

采用本发明高强度耐热钢气体保护焊丝在焊接时，保护气体采用80%Ar+20%CO₂混合气体或者95%Ar+5%CO₂混合气体。

本发明的突出的实质性特点和显著的进步是：

1、本发明高强度耐热钢气体保护焊丝通过对合金中成分进行科学研究试验、合理优化合金中各元素的含量，并通过研究调整制备过程中真空冶炼、浇注、锻造、轧制、拉拔等工艺参数，确定了Si-Mn-Cr-Mo-Nb-Zr主合金体系，本发明焊丝焊接时熔敷金属组织由贝氏体和板条马氏体组成，贝氏体铁素体板条细小且交错，焊缝金属组织强度高、韧性好、抗高温裂性好。

2、本发明采用真空冶炼技术，通过大量试验研究，调整真空冶炼工艺参数，严格控制焊丝中S、P及其他杂质元素和N、O、H气体元素含量，保证焊丝的高纯净化，降低不利因素对焊缝组织强度及韧性的有害影响。

3、本发明在钢液浇注过程中加入复合脱氧剂进行脱氧作业，能够大幅度降低钢液中的氧含量，从而降低钢液被氧化的程度，能够使钢液中氧的质量分数降低到1*10^-6以下，并且能减少钢液中夹杂物的数量和减小夹杂物的尺寸，提高焊丝的综合性能。

4、本发明采用复合脱氧剂，在保证良好脱氧效果的同时，脱氧过程形成钙铝酸盐、镁钙盐和碳酸钙分解的气泡结合，可快速排出钢液，解决了脱氧后脱氧产物难以去除的问题。

5、本发明加入微量的Nb、Co和La不仅能够晶粒细化处理，还能提高耐热钢焊缝组织的高温性能、净化焊缝组织、变性夹杂和微合金化作用，显著提高焊缝组织合金的强度、高温韧性和焊接稳定性等；Co能够提高焊缝组织的耐热性及抗裂性，加入La能够改善焊缝组织的韧性和抗拉强度，Nb元素与C元素相结合形成NbC析出相，大幅提高耐热钢的高温强度。

具体实施方式

实施例1

高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为:C:0.05%、Si:0.55%、Mn:1.5%、Ti:0.02%、Mo:0.4%、Cr:0.5%、Nb:0.5%、Zr:0.1%、Co:0.01%、La:0.01%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

（1）真空冶炼：按配比依次将金属铁、石墨、金属硅、电解锰、钛铁、金属钼、金属铬、金属铌、金属锆、铁钴和镧铁投入到真空感应炉中进行熔炼，然后抽真空至10-15Pa，接着升温熔化，熔化温度为1560℃，待原料充分熔化后，向真空熔炼室通入惰性气体进行精炼，精炼温度为1620℃，精炼时间为20min；所述惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为4:3，惰性气体的流量为0.35min/L，通入惰性气体的时间为5min；

（2）浇注：精炼完成后，将钢液从真空感应炉内出钢浇注，出钢温度为1560℃，浇注时将钢液从真空感应炉内匀速流出，并在钢液浇注过程中加入钢液重量的0.01%的复合脱氧剂进行脱氧作业，钢液沿浇道溜槽注入铸型模具内制成钢锭；所述复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为5:0.5:2:1:0.1；

（3）锻造：将钢锭升温至1120℃进行锻造，将钢锭锻成方坯；

（4）轧制：将方坯加热到1100℃，保温20分钟，然后轧制成直径8mm的盘条；

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为600℃，保温时间为20分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。

实施例2

高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为:C:0.12%、Si:0.75%、Mn:2.0%、Ti:0.05%、Mo:0.8%、Cr: 2.0%、Nb: 1.5%、Zr:0.4%、Co:0.05%、La:0.05%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

（1）真空冶炼：按配比依次将金属铁、石墨、金属硅、电解锰、钛铁、金属钼、金属铬、金属铌、金属锆、铁钴和镧铁投入到真空感应炉中进行熔炼，然后抽真空至10-15Pa，接着升温熔化，熔化温度为1530℃，待原料充分熔化后，向真空熔炼室通入惰性气体进行精炼，精炼温度为1580℃，精炼时间为10min；所述惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为5:3，惰性气体的流量为0.36min/L，通入惰性气体的时间为6min；

（2）浇注：精炼完成后，将钢液从真空感应炉内出钢浇注，出钢温度为1570℃，浇注时将钢液从真空感应炉内匀速流出，并在钢液浇注过程中加入钢液重量的0.02%的复合脱氧剂进行脱氧作业，钢液沿浇道溜槽注入铸型模具内制成钢锭；所述复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为6:1:3:2:0.5；

（3）锻造：将钢锭升温至1130℃进行锻造，将钢锭锻成方坯；

（4）轧制：将方坯加热到1110℃，保温25分钟，然后轧制成直径8mm的盘条；

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为620℃，保温时间为25分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。

实施例3

高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为: C:0.06%、Si:0.60%、Mn:1.8%、Ti:0.03%、Mo:0.4%、Cr:0.5%、Nb:0.5%、Zr:0.2%、Co:0.02%、La:0.02%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

（1）真空冶炼：按配比依次将金属铁、石墨、金属硅、电解锰、钛铁、金属钼、金属铬、金属铌、金属锆、铁钴和镧铁投入到真空感应炉中进行熔炼，然后抽真空至10-15Pa，接着升温熔化，熔化温度为1540℃，待原料充分熔化后，向真空熔炼室通入惰性气体进行精炼，精炼温度为1590℃，精炼时间为15min；所述惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为6:4，惰性气体的流量为0.38min/L，通入惰性气体的时间为8min；

（2）浇注：精炼完成后，将钢液从真空感应炉内出钢浇注，出钢温度为1580℃，浇注时将钢液从真空感应炉内匀速流出，并在钢液浇注过程中加入钢液重量的0.01%-0.04%的复合脱氧剂进行脱氧作业，钢液沿浇道溜槽注入铸型模具内制成钢锭；所述复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为5:0.8:2.5:1.5:0.2；

（3）锻造：将钢锭升温至1140℃进行锻造，将钢锭锻成方坯；

（4）轧制：将方坯加热到1120℃，保温28分钟，然后轧制成直径8mm的盘条；

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为630℃，保温时间为20-30分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。

实施例4

高强度耐热钢气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为: C:0.08%、Si:0.70%、Mn:2.0%、Ti:0.04%、Mo:0.8%、Cr: 2.0%、Nb:1.5%、Zr:0.3%、Co:0.04%、La:0.04%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

（1）真空冶炼：按配比依次将金属铁、石墨、金属硅、电解锰、钛铁、金属钼、金属铬、金属铌、金属锆、铁钴和镧铁投入到真空感应炉中进行熔炼，然后抽真空至10-15Pa，接着升温熔化，熔化温度为1550℃，待原料充分熔化后，向真空熔炼室通入惰性气体进行精炼，精炼温度为1600℃，精炼时间为18min；所述惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为5:4，惰性气体的流量为0.40min/L，通入惰性气体的时间为=10min；

（2）浇注：精炼完成后，将钢液从真空感应炉内出钢浇注，出钢温度为1600℃，浇注时将钢液从真空感应炉内匀速流出，并在钢液浇注过程中加入钢液重量的0.04%的复合脱氧剂进行脱氧作业，钢液沿浇道溜槽注入铸型模具内制成钢锭；所述复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为6:0.8:2.6:1.8:0.4；

（3）锻造：将钢锭升温至1150℃进行锻造，将钢锭锻成方坯；

（4）轧制：将方坯加热到1130℃，保温30分钟，然后轧制成直径8mm的盘条；

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为650℃，保温时间为30分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。

试验效果

实施例1-4制得的焊丝进行熔敷金属性能试验，熔敷金属焊接试板母材选用12Cr1MoV珠光体钢板，试板尺寸为200mm*100mm*20mm，坡口角度22.5℃，焊接方式为熔化及气体保护焊。

焊接工艺参数为：焊接电压为26-30V，焊接电流260-280A，焊接速度：0.55cm/s，气体流量18-20min/L，电流极性为直流反接(DCEP)m，保护气体采用95%Ar+5%CO₂混合气体。实施例根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T232-2010《金属材料弯曲试验方法》、GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》。进行试验，结果如下：

表1为本发明焊接后熔敷金属的力学性能：

由表1得知，本发明的高强度耐热钢气体保护焊丝焊接后的焊缝金属具有优异的强度、塑性以及韧性表现均较好，能更好地应用在工业生产中，能满足制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等结构件的焊接。

Claims

1.一种高强度耐热钢气体保护焊丝，其特征在于，其化学元素质量百分比为:

C:0.05-0.12%、Si:0.55-0.75%、Mn:1.5-2.0%、Ti:0.02-0.05%、Mo:0.4-0.8%、Cr:0.5-2.0%、Nb:0.5-1.5%、Zr:0.1-0.4%、Co:0.01-0.05%、La:0.01-0.05%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe；

所述的高强度耐热钢气体保护焊丝的制备方法，包括如下步骤：

（5）拉拔：拉拔前先将盘条进行酸洗，并在拉拔过程中对盘条进行中间退火，中间退火与拉拔循环进行，中间退火温度为600℃-650℃，保温时间为20-30分钟，拉拔速度为2.5-5.0m/s，连续经过多次拉拔，拉拔至直径1.2mm-2.4mm规格的高强度耐热钢气体保护焊丝；

所述步骤1中的惰性气体包括氩气和氦气，氩气和氦气的流量比为4-6:3-4，惰性气体的流量为0.35-0.40min/L，通入惰性气体的时间为5-10min；

所述步骤2中的复合脱氧剂由铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧混合后压制而成；铝粉，三氧化钼，氧化镁、碳酸钙和氧化镧的重量比为5-6:0.5-1:2-3:1-2:0.1-0.5。

2.根据权利要求1所述的高强度耐热钢气体保护焊丝，其特征在于：其化学元素质量百分比为:C:0.06-0.08%、Si:0.60-0.70%、Mn:1.8-2.0%、Ti:0.03-0.04%、Mo:0.4-0.8%、Cr:0.5-2.0%、Nb:0.5-1.5%、Zr:0.2-0.3%、Co:0.02-0.04%、La:0.02-0.04%；其它杂质元素单个含量≤0.05%，其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的高强度耐热钢气体保护焊丝，其特征在于：所述骤5中拉拔时每次拉拔延伸率为10%-20%。