专利名称：焊丝用合金结构钢、线材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及结构钢领域，特别是涉及一种焊丝用合金结构钢的成分设计及其制造方法。此外，本发明还涉及一种由上述焊丝用合金结构钢制成的焊丝。
背景技术：
焊丝是一种作为焊接时填充金属或同时作为导电用的金属丝焊接材料。在气焊和钨极气体保护电弧焊时，焊丝用作填充金属；在埋弧焊、电渣焊和其他熔化极气体保护电弧焊时，焊丝既是填充金属，同时也是导电电极。焊丝可分为3类第一种是轧制焊丝，包括碳钢焊丝、低合金结构钢焊丝、合金结构钢焊丝、不锈钢焊丝和有色金属焊丝等；第二种是铸造焊丝；第三种是药芯焊丝。中国专利申请CN94101322.7公开了一种二氧化碳气体保护焊特细焊丝，其含有较低的Mn、Si，所以韧性优良，适合拉拔，但强度难以达到技术要求；中国专利申请 CNOl 128326. 2、CN01133651. X、CN02119591. 9、CN00114334. 4、CNOl 106520. 6 涉及添加钛、 硼等微量合金元素的合金钢焊丝，其中加入Ti的技术目的是保证焊缝中Ti含量能达到获得最佳的促进和细化针状铁素体的技术效果，加入B的技术目的是抑制先共析铁素体的转变、降低转变温度、细化组织以及固溶强化来提高强度；CN00110787. 9属于纯净钢系列，其对S、P、Sn、As等残余元素进行了限定，但其强韧性不良；CN0410025569. X中添加了 Cu，其技术目的是提高耐腐蚀性能。从以上分析可以看出，现有焊丝及其结构钢尚存在以下不足之处(1)强韧性不良；(2)采用Ti、B等微合金化提高强韧性，但实际焊接性能不良；(3)大多专利未对有害的残余元素进行限定，纯洁度不良。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种高纯洁度(低有害元素含量、低氧化物夹杂)、易于拉拔，且能使焊缝获得与母材相配合的强韧性的焊丝及其焊丝用合金结构钢。根据本发明的焊丝用合金结构钢，其化学成分的质量百分比是C :0. 08 0. 13 ； Mn 1. 20 1. 70 ；Si 0. 65 0. 90 ；Cr 彡 0. 10 ；Al 彡 0. 015 ；Mo 彡 0. 10 ；Ni 1. 30 1. 50 ;V ^ 0. 02 ；S 彡 0. 008 ；Cu 彡 0. 10 ;P 彡 0. 012 ；B ^ 0. 005 ；Ti 彡 0. 020 ；N 0. 0040 0. 0150 ；0 ^ 0. 0015 ；As 彡 0. 015 ；Sn 彡 0. 013 ；Sb 彡 0. 015 ；Ca ^ 0. 0004 ； 余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的焊丝用合金结构钢各主要化学成分元素在钢中的作用如下C :0. 08% 0. 13% ；C是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须有一定的碳含量。C控制在0. 08% 0. 13%之间，可以保证获得足够的强度，同时保证钢具有良好的强韧性。Mn 1. 20% 1. 70% ;Mn作为固溶强化元素，同时还可降低奥氏体-铁素体相变温度，能够有效地提高钢的淬透性。但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大的缺点，因此为了保证Mn能在本发明中发挥良好的作用将其含量控制在1. 20% 1. 70%。Si 0. 65% 0. 90% ；Si能显著提高铁素体的强度，改变回火过程中碳化物的析出的形态、数量和尺寸，提高钢的回火稳定性，间接促进沉淀强化。Si在一定程度上对钢的塑性和韧性有不良影响，但硅能促进相变过程中碳元素的再分配，提高残余奥氏体的稳定性，从而改善韧性。硅含量控制在0. 65% 0. 90%，可以在固溶强化的同时提高韧性。Ni 1. 30% 1. 50% ；Ni可以形成和稳定奥氏体，能显著改善钢材的韧性，本发明的钢将Ni的质量百分比控制在1.30% 1.50%，优选为1.35% 1.45%。N 0. 0040% 0. 0150% ;N能够扩大和稳定奥氏体，从而提高钢的强韧性。钢中含锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。本发明中氮的质量百分比为0. 0040% 0. 0150%，优选为0. 0120% 0. 0150%。钼、铬、钒、铝、铜、钛、硼、硫、磷、砷、锡、锑、氧、钙这些元素均被作为钢中的杂质元素，必须控制在一定含量之下。其中优选地，Ti的质量百分比为0.010% 0.020%。控制铝元素彡0. 015%、氧彡15ppm有利于控制氧化物夹杂；控制钛、硼含量有利于改善焊接性能；在钢结晶和加热时，硫、磷、铜、砷、锡、锑等杂质元素易在晶界偏析，对钢种整体质量有较大影响，特别是影响钢材的韧性；钼、铬、钒元素含量，一般作为合金元素添加，在本发明中作为残余元素控制，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量。控制钙元素< 0. 0004%有利于提高钢材的基体连续性，钙元素容易形成塑性的球状夹杂物，容易破坏钢材的基体连续性，应在技术条件下尽可能降低，在钢水精炼时禁止使用钙脱氧，同时应加强原辅材料中钛、钙、硼、硫、磷、铜、砷、锡、锑等有害元素的控制与检测。根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种上述焊丝用合金结构钢的制造方法，其采用三步法工艺流程第一步电弧炉冶炼-钢包炉真空精炼；第二步浇注；第三步轧制成线材。本发明的焊丝用合金结构钢的制造方法，包括以下步骤a.电弧炉冶炼，其中出钢条件[C]彡0. 04% ； [P]彡0. 006% ；出钢温度1620 1660 0C ；b.钢包精炼，其中采用Si进行沉淀脱氧，采用SWe粉和C粉进行渣面脱氧，真空脱气中在真空度彡66. 7Pa下保持15 40min ；c.浇注；d.轧制，采用轧钢机热加工轧制方法，先对钢坯进行加热，其中均热温度为 1070 1200°C，保温时间为100 160min，出炉温度为1050 1180°C，然后进行轧制，其中轧机的进口温度控制在780 850°C ；e.冷却，采用在线缓冷，冷却速度为40 80°C /h。优选地，所述步骤e中的冷却速度为40 65°C /h。本发明还提供一种采用上述焊丝用合金结构钢并采用上述方法步骤制成的线材或焊丝。
本发明具有以下有益效果1.根据本发明的结构钢具有高纯洁度夹杂物级别低(根据GB/T1056检测可满足硫化物AS 1.5，氧化物BS 1.5，硅酸盐CS 1，不变形夹杂物DS 1)；气体含量(氧 (15ppm, M1^ 1. 5ppm)。2.根据本发明的结构钢具有良好的拉拔性能，Φ 5. 5mm可以拉拔至0. 5 1. 5mm。3.根据本发明的结构钢具有良好的强韧性，纵向拉伸抗拉强度为760 890Mpa， 断面收缩率Z彡44%。4、根据本发明的结构钢经实施控制轧制与冷却后进行缓冷，获得珠光体+铁素体的组织，热轧线材的硬度在< 85HRB (采用洛氏硬度试验)。本发明的结构钢主要在锅炉、电站、压力容器等行业中用于超临界及超超临界容器的焊接及后续长时间的维修保养，还可以应用于垃圾焚烧等的锅炉行业。
具体实施例方式表1示出了本发明的焊丝用合金结构钢的不同实施例的化学成分的质量百分比；表2示出了本发明的焊丝用合金结构钢的不同实施例的具体实施例的工艺参数及其力学性能。下面详细描述本发明的焊丝用合金结构钢的制造方法。第一步，电弧炉冶炼-钢包精炼(1)电弧炉冶炼采用优质纯净废钢，EBT出钢口必须完好，以确保出钢钢流顺畅。熔化期提前造渣， 避免钢液从大气中吸氮。氧化过程要确保一定的脱碳量和脱碳速度，去除气体和夹杂，最大限度降低磷，并用适量碳球造好泡沫渣。出钢条件[C] ^0. 04% ； [P]彡0.006%，此出钢条件与成品化学成分中的P含量有直接关系，P的去除只能在电弧炉(氧化性气氛)中进行，后道工序(还原性气氛)的P含量只可能增加不可能减少。出钢温度1620 1660°C。 EBT出钢采用留钢留渣操作，炉内留钢10%，防止氧化渣进入钢包。(2)钢包精炼精炼过程采用硅沉淀脱氧，采用SiFe粉和C粉渣面脱氧，确保炉渣流动性良好和渣色变白。在钢包进入真空脱气前定氧，根据氧活度情况加入结晶硅，加入量按成品中的硅含量要求中限配加，并结合定氧值，判断脱氧效果，决定是否再进行结晶硅用量调整。进真空脱气前温度根据钢种情况加热到合适值，必须保证真空过程降温、软吹氩过程降温量及浇注过程降温，真空后不再重复加热。真空过程在真空度彡66. 7pa下保持时间15 40min 以上。第二步浇注按现有技术采用模铸或连铸工艺浇注钢液。第三步轧制采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的坯料表面进行清理，再将其加热，然后轧制至成品盘条。其中，钢加热温度为1070 1200°C，保温时间100 160min，出炉温度 1050 1180°C。加热均勻的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机，轧机进口温度(K0CKS减定径轧制机组进口温度)780 850°C。
轧成盘条后在线缓冷，冷却速度40 80°C /h,不得吹风。根据表2中所列的不同实施例的具体成分设计，结合表3中所列的不同实施例的具体工艺参数可以得到本发明的焊丝用合金结构钢。再如表3所示，本发明的结构钢具有良好的强韧性，纵向拉伸抗拉强度为760 890Mpa，断面收缩率Z > 44%。经实施控制轧制与冷却后进行缓冷，获得珠光体+铁素体的组织，热轧线材的硬度在< 85HRB左右。根据本发明的结构钢还具有良好的拉拔性能能力，Φ5. 5mm可以拉拔至0. 5 1. 5mm。另外，根据GB/T 1056检测，本发明的结构钢具有高纯洁度硫化物ASl. 5，氧化物5，硅酸盐C彡1，不变形夹杂物D彡1，气体含量氧彡15ppm，氢彡1. 5ppm。本发明的结构钢主要在锅炉、电站、压力容器等行业中用于超临界及超超临界容器的焊接及后续长时间的维修保养，还可以应用于垃圾焚烧等的锅炉行业。
权利要求
1.一种焊丝用合金结构钢，其化学成分质量百分比为 C 0. 08 0. 13 ；Mn :1. 20 1. 70 ；Si :0. 65 0. 90 ；Cr 彡 0. 10 ；Al 彡 0. 015 ；Mo 彡 0. 10 ；Ni 1. 30 1. 50 ； V 彡 0. 02 ；S 彡 0. 008 ；Cu 彡 0. 10 ；P 彡 0. 012 ；B 彡 0. 005 ； Ti 彡 0. 020 ；N 0. 0040 0. 0150 ；0 彡 0. 0015 ；As 彡 0. 015 ； Sn 彡 0. 013 ； Sb 彡 0. 015 ；Ca 彡 0. 0004 ； 余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊丝用合金结构钢，其特征在于，所述N的化学成分质量百分比为 0. 0120 0. 0150。
3.根据权利要求1或2所述的焊丝用合金结构钢，其特征在于，所述M的化学成分质量百分比为1. 35 ~ 1.45。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的焊丝用合金结构钢，其特征在于，所述Ti的化学成分质量百分比为0. 010 0. 020。
5.一种焊丝用合金结构钢的线材，其采用权利要求1-4中任一项所述的焊丝用合金结构钢制成。
6.根据权利要求5所述的焊丝用合金结构钢的线材的制造方法，其特征在于，包括步骤a.电弧炉冶炼，其中出钢条件[C]彡0.04% ； [P]彡0. 006 % ；出钢温度1620 1660 0C ；b.钢包精炼，其中采用Si进行沉淀脱氧，采用Sii^e粉和C粉进行渣面脱氧，真空脱气中在真空度彡66. 7Pa下保持15 40min ；c.浇注；d.轧制，其中钢坯的均热温度为1070 1200°C，保温时间为100 160min，出炉温度为1050 1180°C，轧机的进口温度为780 850°C ；e.冷却，采用在线缓冷，冷却速度为40 80°C/h。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤e中的冷却速度为40 65 0C /h。
全文摘要
焊丝用合金结构钢，其中C0.08～0.13；Mn1.20～1.70；Si0.65～0.90；Cr≤0.10；Al≤0.015；Mo≤0.10；Ni1.30～1.50；V≤0.02；S≤0.008；Cu≤0.10；P≤0.012；B≤0.005；Ti≤0.020；N0.0040～0.0150；O≤0.0015；As≤0.015；Sn≤0.013；Sb≤0.015；Ca≤0.0004；余量为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包括a.电弧炉冶炼，出钢条件[C]≥0.04％；[P]≤0.006％；出钢温度1620～1660℃；b.钢包精炼，采用Si沉淀脱氧，采用SiFe粉和C粉渣面脱氧；c.浇注；d.轧制，均热温度1070～1200℃，保温时间100～160min，出炉温度1050～1180℃，进口温度780～850℃；e.冷却，在线缓冷，冷却速度40～80℃/h。该结构钢具有高纯洁度、良好的拉拔性能和强韧性。
文档编号C22C38/60GK102296251SQ20101020790
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者刘桢, 刘湘江, 江运宏 申请人:宝山钢铁股份有限公司