一种高韧性耐热钢焊条的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高韧性耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮，药皮由干粉和粘接剂混合而成，药皮中干粉成分及含量占干粉总重量百分比如下：大理石40～48％，萤石17～25％，石英3～6％，天然金红石2～5％，三氧化二铝0.3～1.0％，金属铬3.5～5％，钼铁2.5～3.0％，45#雾化硅铁5～8％，电解锰2.0～3.5％，镁铝合金0.5～1.0％，铝铁0.6～1.3％，纯碱0.5～1.5％，石墨0.1～0.3％，铁粉2～10％；所述粘接剂加入量为干粉总重量的18～25％。该高韧性耐热钢焊条采用CaO?CaF2?SiO2?Al2O3新型渣系，并以少量金红石取代石英，从而形成短渣，改善了焊条的工艺性能，电弧稳定、飞溅小、脱渣优良，可进行全位置焊接；而且本发明提供的焊条具有良好的低温冲击韧性(?30℃冲击值≥180J)，且其低温冲击值稳定。
【专利说明】
一种高韧性耐热钢焊条
技术领域
[0001] 本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种高韧性耐热钢焊条，适合于1~ 1.25%Cr-0.5%Mo低合金耐热钢用。
【背景技术】
[0002] 1~1.25%Cr-0.5%Mo低合金耐热钢在电站锅炉、压力容器、石油化工等领域具有 广阔的应用市场，随着上述行业设备向大型化、高参数方向发展，对耐热钢材料及其配套的 耐热钢焊材也提出了更高的要求，除了对室温及高温力学性能有明确要求外，越来越重视 低温力学性能，特别是低温冲击韧性，以满足恶劣环境下的安装和使用要求。市场上成熟的 耐热钢焊条普遍存在着低温冲击韧性低或低温冲击功波动严重的问题，已无法满足承压设 备越来越严格的要求。
[0003] 目前，有关性耐热钢焊条的专利如下：
[0004] (1)超低氢高韧性低碳加钨耐热钢焊条(CN103240542A)，此专利公开的焊条适用 于12CrlMoV钢的焊接，其性能满足耐热钢高温持久性能及室温冲击韧性的要求，但并未涉 及低温冲击韧性。
[0005] (2)-种超临界新型铁素体耐热钢焊条(CN103008917A)，此专利涉及的焊条适用 于T/P92耐热钢的焊接，对焊缝金属室温冲击功进行了测试，但并未涉及低温冲击韧性。
[0006] (3)-种可耐退火正火处理的耐热钢焊条及使用方法(CN101342650A)，此专利公 开的焊条适用于15CrMo以及14CrlMo等耐热钢材料的焊接，该专利只涉及焊缝金属的强度 指标，并未对冲击韧性进行研究。
[0007] (4) 一种低强度高韧性耐热钢焊条(CN103878506A)，此专利涉及的焊条焊缝金属 虽然在-20 °C低温冲击功达到200J，但焊条药皮中含有约2 %钛铁，这将向焊缝金属中过渡 少量的Ti元素，加剧了低温冲击韧性的不稳定性，导致焊缝金属低温冲击韧性波动严重;此 外，此焊条药皮中含有1~3%稀土硅铁，严重增加了焊条的生产成本。最重要的是，此焊条 通过降低强度提高焊缝金属塑性和韧性，无法满足国家标准中关于抗拉强度大于550MPa规 定的同时具有良好的低温韧性。
[0008] (5)-种超临界耐热钢焊条及其生产方法(CN103737199A)，此专利公开的耐热钢 焊条涉及到室温冲击韧性，在20°C条件下，焊缝金属冲击功平均值约为50J，但未涉及到低 温冲击功。
[0009] (6)-种低氢型超临界铁素体耐热钢焊条(CN104117788A)，此专利中涉及的耐热 钢焊条通过添加稀土元素改善耐热钢焊条的室温冲击韧性，但未涉及到低温冲击韧性。
[0010] (7)-种高韧性合金系耐热钢焊条(CN104014949A)，此专利涉及的焊条通过优化 渣系和添加稀土等方法改善了耐热钢焊条的室温冲击韧性，但未涉及到低温冲击韧性。
[0011] (8)-种具有低温冲击韧性的耐热钢焊条(CN103264234A)，此专利涉及的耐热钢 焊条适用于2.25Cr-lMo耐热钢的焊接，焊条通过选用低硫、磷等杂质含量的焊芯并以钛铁 进行强脱氧，从而使焊缝金属在_30°C的低温冲击功大于130J，但是钛铁的添加增加焊缝金 属中形成粗大先共析铁素体或网状铁素体的几率，恶化耐热钢焊条脱渣性能，加剧焊缝金 属低温冲击韧性的波动，导致其低温力学性能不稳定。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是克服现有耐热钢焊条低温冲击功偏低以及冲击值不稳定的问题。
[0013] 为此，本发明提供了一种高韧性耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮， 所述药皮由干粉和粘接剂混合而成，所述药皮中干粉的成分及含量占干粉总重量的百分比 如下：大理石:40~48%，萤石：17~25%，石英：3~6%，天然金红石：2~5%，三氧化二铝： 0.3~1.0%，金属铬：3.5~5%，钼铁：2.5~3.0%，45#雾化硅铁：5~8%，电解锰：2.0~ 3.5%，镁铝合金 :0.5~1.0%，铝铁:0.6~1.3%，纯碱:0.5~1.5%，石墨：0.1~0.3%，铁 粉:2~10 % ;所述粘接剂以干粉总重为100 %计，其加入量为干粉总重量的18~25 %。
[0014]进一步地，上述药皮质量占焊条总质量的28%~30%。
[0015]进一步地，上述粘接剂为高模纯钠水玻璃，该高模纯钠水玻璃的模数为3.0~3.2。 [0016] 进一步地，上述焊芯为低碳钢焊芯H08E，该焊芯中所含元素及各元素在焊芯中的 质量百分比为：C< 0.10%，Mn:0.35~0.60%，Si <0.03%，Cr< 0.20%，Ni <0.30%，Cu< 0.20%，S< 0.020%，P< 0.020%，余量为Fe。
[0017]进一步地，上述镁铝合金中Mg和A1的质量分数各占50%，铝铁中A1的质量百分比 为 50%。
[0018] 进一步地，上述铝铁和镁铝合金中A1的总质量占药皮干粉总质量的0.7~0.9%。
[0019] 优选的一种实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量占干粉总重量的百分比如 下：大理石：40%，萤石：21 %，石英：3%，天然金红石：5%，三氧化二铝：1.0%，金属铬： 3.5%，钼铁:2.5%，45#雾化硅铁 :8%，电解锰:3.5%，镁铝合金:0.7%，铝铁:0.7%，纯碱： 0.8%，石墨:0.3%，铁粉:10%。
[0020] 优选的一种实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量占干粉总重量的百分比如 下:大理石:45%，萤石：17%，石英:5%，天然金红石:4%，三氧化二铝:0.8%，金属铬:5%， 钼铁:2.8%，45#雾化硅铁:6%，电解锰:3.2%，镁铝合金:1.0%，铝铁:0.6%，纯碱:1.5%， 石墨:0.1%，铁粉:8%。
[0021] 优选的一种实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量占干粉总重量的百分比如 下：大理石：48%，萤石：25%，石英：6%，天然金红石：2%，三氧化二铝：0.3%，金属铬： 4.2%，钼铁 :3.0%，45#雾化硅铁:5%，电解锰:2.0%，镁铝合金:0.5%，铝铁 :1.3%，纯碱： 0.5%，石墨:0.2%，铁粉:2%。
[0022]本发明高韧性耐热钢焊条中药皮配方的设计原理如下：
[0023]大理石的主要作用是造渣、造气、脱硫、脱磷，提高熔渣碱度，增加熔渣表面张力和 黏度，调节熔渣的熔点；当大理石加入量小于40%时，形成的熔渣覆盖不全，熔渣熔点较低， 焊条容易粘试板而短路断弧;其加入量大于48 %时药皮熔点高，形成的药皮套筒过深，容易 熄弧，铁水粘度增加而成形变差。
[0024]萤石的主要作用为造渣、稀渣和去氢作用，可调节熔渣的熔点和黏度等理化性能， 对熔池起到活化作用；当萤石的加入量小于17 %时，铁水黏度大，容易夹渣，熔敷金属的扩 散氢含量也偏高;其加入量大于25%时，熔渣流淌严重，电弧极不稳定且容易断弧。
[0025]石英作为造渣剂，可提高电弧电压，细化熔滴;当石英加入量小于3%时，熔渣流动 性变差而覆盖不全，焊缝成形变差，脱渣困难;其加入量大于6 %时，熔渣呈玻璃壳状，脱渣 困难。
[0026]金红石的主要作用为造渣、稳弧、调节熔渣的物理性能，改善焊缝成形；金红石加 入量小于2%时，难以实现全位置焊接;其加入量大于5%时，容易形成酸性氧化物夹杂并造 成焊缝增氧，恶化力学性能。
[0027]三氧化二铝作为造渣剂，可调节熔渣熔点和黏度;三氧化二铝加入量小于0.3 %时 效果不明显，其加入量大于1.0%时显著增加药皮熔点，电弧稳定性变差，飞溅增加。
[0028]金属铬和钼铁作为合金剂，向焊缝金属过渡必要的合金元素 Cr、Mo。
[0029] 45#雾化硅铁作为脱氧剂和合金剂，能加快焊条熔化速度，提高熔渣润湿铺展能 力;45#硅铁加入量低于5%时脱氧不足，焊缝力学性能低，焊缝凸度较大，成形变差;其加入 量大于8%时，焊缝中的合金元素 Si含量偏高，造成焊缝金属强度升高而塑性、韧性下降。 [0030]电解锰作为脱氧剂和合金剂，同时可起到脱硫的作用；药皮中加入电解锰小于 2.0%时，焊缝金属中的Mn含量偏低，形成粗大的先共析铁素体，力学性能差;其加入量大于 3.5%时，焊接烟尘增加，焊缝中Mn元素的含量偏高，虽然可使焊缝金属强度增加，但其塑性 与韧性则有所降低。
[0031 ]镁铝合金和铝铁作为强脱氧剂，用于净化焊缝金属，降低焊缝金属含氧量，同时与 三氧化二铝共同作用向焊缝金属过渡微量A1元素，以Al2〇3的形式作为形核质点细化晶粒。 [0032]纯碱用于稳弧，改善焊条压涂性能；药皮中纯碱加入量小于0.5%时作用不明显， 其加入量大于1.5 %时焊接烟尘增加。
[0033] 石墨用于稳弧，可提高药皮导电性能，增加电弧吹力；石墨加入量小于0.1%时无 明显效果，其加入量超过0.3 %时焊缝金属增碳严重，导致力学性能降低。
[0034]本发明的有益效果：
[0035] (1)本发明提供的这种高韧性耐热钢焊条采用Ca0-CaF2-Si02-Al 203新型渣系，并 以少量金红石取代石英，从而形成短渣，改善了焊条的工艺性能，电弧稳定、飞溅小、脱渣优 良，可进行全位置焊接。
[0036] (2)本发明提供的这种高韧性耐热钢焊条采用硫、磷含量较低的H08E焊芯，以药皮 方式向焊缝中过渡合金元素，该焊条具有良好的低温冲击韧性，在-30 °C条件下的低温冲击 值稳定在180J以上。
[0037] (3)本发明提供的这种高韧性耐热钢焊条用于1~1.25%Cr-0.5%Mo低合金耐热 钢的全位置焊接，解决了现有耐热钢焊条工艺性能与力学性能、高温及室温力学性能与低 温力学性能不能兼顾，特别是低温冲击功偏低及冲击值不稳定的问题。
[0038] (4)本发明提供的这种高韧性耐热钢焊条在药皮中同时添加 Al203、Mg和A1，添加的 Mg和A1-方面起到强脱氧的作用净化焊缝金属，另一方面向焊缝金属中过渡微量的A1，并 以Al2〇3的形式起到形核质点的作用从而细化晶粒，使焊条具有优异的力学性能，特别是优 良且稳定的低温冲击韧性。
【附图说明】
[0039]图1是实施例1的高韧性耐热钢焊条低温冲击试验后试样断口 5mm分辨率扫描电子 显微镜图。
[0040] 图2是实施例1的高韧性耐热钢焊条低温冲击试验后试样断口 20wii分辨率扫描电 子显微镜图。
【具体实施方式】
[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042] 实施例中高韧性耐热钢焊条药皮干粉成分及其重量百分比如表1所示，所添加的 粘接剂如表2所示。其中，焊芯与药皮的重量百分比采用焊材行业通用的比例，焊芯占焊条 总重量的70~72%，药皮占焊条总重量的28~30%，本实施例中选用焊芯占焊条总重量的 70 %，药皮占焊条总重量的30 %。优选的，所述粘接剂为高模纯钠水玻璃，该高模纯钠水玻 璃的模数为3.0~3.2，该纯钠水玻璃粘度高，可减少药皮干粉的搅拌时间，焊条压涂后药皮 低温强度高，不易变形，可减少焊条药皮破头和焊条粘接，提高焊条成品率;所述镁铝合金 中Mg和A1的质量分数各占50%，铝铁中A1的质量百分比约为50% ;且铝铁和镁铝合金中A1 的总质量占药皮干粉总质量的〇. 7~0.9% ;铝铁和镁铝合金除了起到强化脱氧净化焊缝金 属外，Mg与A1共同作用可促进少量的A1元素过渡进入焊缝金属起到细化晶粒的作用。
[0043]表1:药皮干粉实施例成分配比(wt. %)
[0045]表2:粘接剂实施例添加比例(wt. %)
[0047]采用上述实施例1~3制备的高韧性耐热钢焊条对耐热钢试板焊接，然后按照国家 标准规定对试板进行690°C/lh退火处理，对热处理后焊缝金属的化学成分与力学性能进行 测试，结果如表3和表4所示。
[0048]表3:实施例熔敷金属化学成分(wt. %)
[0050]表4:实施例熔敷金属力学性能
[0052] 根据表3所示的熔敷金属化学成分测试结果，本发明的高韧性耐热钢焊条熔敷金 属化学成分完全符合相关国家标准的规定。
[0053] 根据表4所示的熔敷金属力学性能测试结果，本发明的高韧性耐热钢焊条熔敷金 属抗拉强度、屈服强度及延伸率等力学性能完全符合相关国家标准的规定，熔敷金属低温 冲击韧性优异，低温冲击值波动小，_30°C条件下的低温冲击值稳定在180J以上。
[0054] 对实施例1~3的高韧性耐热钢焊条进行低温冲击测试。测试结果显示，冲击测试 后实施例1~3的冲击试样未完全断裂为两部分，试样根部位置仍然连接在一起，表明采用 本发明高韧性耐热钢焊条的焊缝金属材料具有优异的低温冲击韧性。
[0055] 对实施例1中低温冲击试验后的冲击试样断口通过分辨率为5mm和20wii的电子扫 描显微镜进行观察，其结果如图1和图2所示。由图1和图2可以看出，冲击试样断口表面存在 大量的韧窝，韧窝非常密集且深度较大，表明此冲击试样在冲击试验过程中产生了大量的 塑性变形，吸收了大量冲击功，即该高韧性耐热钢焊条熔敷金属在低温条件下具有优良的 塑性与韧性。
[0056]本发明提供的高韧性耐热钢焊条焊缝金属化学成分和力学性能均符合GB/T 5118-2012《热强钢焊条》中￡55156-1011、呢/^ 47018.2-2001《承压设备用焊接材料订货技 术条件》第二部分:钢焊条中E5515-B2的规定。
[0057]综上所述，本发明提供的这种高韧性耐热钢焊条采用Ca0-CaF2-Si02-Al 203新型渣 系，并以少量金红石取代石英，从而形成短渣，改善了焊条的工艺性能，电弧稳定、飞溅小、 脱渣优良，可进行全位置焊接;而且本发明提供的焊条具有良好的低温冲击韧性(_30°C冲 击值2 180J)，且其低温冲击值稳定。
[0058]以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡 是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高韧性耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮，其特征在于:所述药皮 由干粉和粘接剂混合而成，所述药皮中干粉的成分及含量占干粉总重量的百分比如下：大 理石：40~48%，萤石：17~25%，石英：3~6%，天然金红石：2~5%，三氧化二铝：0.3~ 1.0%，金属铬 :3.5~5%，钼铁:2.5~3.0%，45#雾化硅铁:5~8%，电解锰:2.0~3.5%，镁 铝合金:0.5~1.0%，铝铁:0.6~1.3%，纯碱:0.5~1.5%，石墨：0.1~0.3%，铁粉：2~ 1 〇 % ;所述粘接剂以干粉总重为1 〇〇 %计，其加入量为干粉总重量的18~25 %。2. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述药皮质量占焊条总质量的 28%~30%。3. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于：所述粘接剂为高模纯钠水玻 璃，该高模纯钠水玻璃的模数为3.0~3.2。4. 如权利要求1或2所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于：所述焊芯为低碳钢焊芯 H08E，该焊芯中所含元素及各元素在焊芯中的质量百分比为：CS 0.10%，Mn :0.35~ 0.60%，Si <0.03%，Cr< 0.20%，Ni <0.30%，Cu< 0.20%，S< 0.020%，P< 0.020%，余量 为Fe。5. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述镁铝合金中Mg和Al的质量 分数各占50%，铝铁中Al的质量百分比为50%。6. 如权利要求5所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述铝铁和镁铝合金中Al的总 质量占药皮干粉总质量的0.7~0.9%。7. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述药皮中干粉的成分及含量 占干粉总重量的百分比如下：大理石:40%，萤石:21 %，石英:3%，天然金红石:5%，三氧化 二铝：1.0%，金属铬：3.5%，钼铁：2.5 %，45#雾化硅铁：8%，电解锰：3.5%，镁铝合金： 0.7%，铝铁:0.7%，纯碱:0.8%，石墨:0.3%，铁粉：10%。8. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述药皮中干粉的成分及含量 占干粉总重量的百分比如下：大理石:45%，萤石：17 %，石英:5 %，天然金红石:4%，三氧化 二铝:0.8%，金属铬:5%，钼铁:2.8%，45#雾化硅铁:6%，电解锰:3.2%，镁铝合金：1.0%， 错铁:0.6%，纯喊:1.5%，石墨:0.1%，铁粉:8%。9. 如权利要求1所述的高韧性耐热钢焊条，其特征在于:所述药皮中干粉的成分及含量 占干粉总重量的百分比如下：大理石:48 %，萤石:25 %，石英:6 %，天然金红石:2 %，三氧化 二铝：0.3%，金属铬：4.2%，钼铁：3.0%，45#雾化硅铁：5%，电解锰：2.0%，镁铝合金： 0.5%，铝铁:1.3%，纯碱:0.5%，石墨:0.2%，铁粉:2%。
【文档编号】B23K35/365GK105880870SQ201610345929
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】宋昌宝, 王哲, 杨恒闯, 王玲艳, 周海龙
【申请人】武汉铁锚焊接材料股份有限公司