一种用于焊接1Ni9钢的焊条及其制备方法
【专利摘要】一种用于焊接1Ni9钢的焊条，包括药皮和焊芯，药皮按质量百分比由以下组分制成：34-48%碳酸盐，17-24%萤石，2-6%锆英砂，1-4%硅铁，5-12%钛铁，3-5%中碳锰铁，2-5%钛白粉，2-5%金红石，2-6%云母，0.7-1%碱，1-3%混合稀土，2-6%金属锰，1-3%铌铁，上述各组分质量百分比之和为100%。制备方法为：将各组分材料和粘结剂放入混料机中混合后在压团机中压成药团；然后在焊条压涂机中将该药团压涂在合金ERNiCrMo-3焊芯上，放入箱式炉中逐级升温烘干，制成焊条。本发明解决了现有焊接1Ni9钢的焊条从国外进口价格昂贵且工艺性能较差的问题，原料易得，焊缝性能良好。
【专利说明】一种用于焊接1Ni9钢的焊条及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种用于焊接lNi9钢的焊条，本发明还涉及该焊条的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着风机行业的迅猛发展，发展低温、高温、腐蚀工况下的风机需要一大批高质量的叶轮，而现在风机叶轮通常是通过焊接连接轮盘和叶片，叶轮的焊接质量是影响风机使用寿命的关键问题之一。相比较于优良的不锈钢和低温用铝合金，lNi9钢在-196°C不仅具有合金含量少、价格便宜、许用应力大、热膨胀率小的优点，而且具有优良的强韧性和焊接性，被广泛应用在风机行业等领域。为了保证风机叶轮的焊接质量，需要大量和lNi9钢相匹配并且焊缝具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，低温性能的焊接材料。而现有用于焊接1Ν?9钢的焊条主要依靠从国外高价进口，且进口的ERNiCrMo-3焊条工艺性能较差。因此发展马氏体低温钢lNi9的专用焊接材料具有广阔的市场前景。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于焊接lNi9钢的焊条，解决了现有用于焊接lNi9钢的焊条从国外进口价格昂贵且工艺性能较差的问题。
[0004]本发明的另一个目的是提供上述焊条的制备方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种用于焊接lNi9钢的焊条，包括药皮和焊芯，药皮按质量百分比由以下组分组成:34%-48%的碳酸盐，17%-24%的萤石，2%_6%的锆英砂，1%-4%的硅铁，5%-12%的钛铁，3%-5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%_5%的金红石，2%_6%的云母，0.7%-1%的碱，1 %-3%的混合稀土，2%-6%的金属锰，1%-3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100%。
[0006]本发明的特点还在于，
[0007]碳酸盐为白云石、大理石其中的一种或两种。
[0008]混合稀土为20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物。
[0009]本发明所采取的另一个技术方案是，上述焊条的制备方法，包括以下步骤:
[0010]步骤1，
[0011 ] 按质量百分比称取以下各组分:34%_48%的碳酸盐，17%-24%的萤石，2%_6%的锆英砂，1%-4%的硅铁，5%-12%的钛铁，3%-5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%_5%的金红石，2%-6%的云母，0.7%-1%的碱，1%-3%的混合稀土，2%-6%的金属锰，1%_3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100%;
[0012]将上述称取的各组分材料和粘结剂一起放入混料机中混合15分钟，然后将混合后的药粉放入压团机中压成圆柱形药团；
[0013]步骤2，
[0014]在焊条压涂机中加入步骤I中的圆柱形药团，并将药团压涂在合金ERNiCrMo-3焊芯上，然后放入箱式炉中进行逐级升温烘干，制成焊条。
[0015]本发明的特点还在于，
[0016]步骤I中碳酸盐为白云石、大理石其中的一种或两种。
[0017]步骤I中混合稀土为20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物。
[0018]步骤I中粘结剂为模数为2.8的钾钠混合水玻璃。
[0019]步骤I中粘结剂的加入量为药皮质量的30%_33%。
[0020]步骤2中逐级升温烘干步骤为:先以60°C进行低温烘干10h，然后依次以120°C烘干 lh、180°C烘干 lh、250°C烘干 lh、350°C烘干 lh。
[0021]本发明的有益效果是:本发明一种用于焊接lNi9钢的焊条，解决了现有用于焊接1Ν?9钢的焊条从国外进口价格昂贵且工艺性能较差的问题；焊条药皮与合金ERNiCrMo-3焊丝匹配，通过药皮与焊丝相结合的合金元素过渡，焊接接头的性能达到了企业所需；制作出的焊条，稳弧性能良好，熔池流动性好，飞溅颗粒细小，焊后脱渣容易，熔渣覆盖均匀，焊缝成型细致美观；而且具有成本低，焊接时无药皮发红开裂现象和可进行全位置操作的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本 发明实施例1制作的焊条焊接后焊缝中心的金相组织图；
[0023]图2是本发明实施例2制作的焊条焊接后焊缝中心的金相组织图；
[0024]图3是本发明实施例3制作的焊条焊接后焊缝中心的金相组织图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0026]本发明用于焊接lNi9钢的焊条，包括药皮和焊芯，药皮按质量百分比由以下组分组成:34%-48%的碳酸盐，17%-24%的萤石，2%_6%的锆英砂，1%_4%的硅铁，5%_12%的钛铁，3%-5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%-5%的金红石，2%-6%的云母，0.7%_1%的碱，1%_3%的混合稀土，2%-6%的金属锰，1%-3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100% ;焊芯采用ERNiCrMo-3 焊芯。
[0027]碳酸盐为白云石、大理石其中的一种或两种。
[0028]混合稀土为20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物。上述焊条的制备方法，包括以下步骤:
[0029]步骤1，
[0030]按质量百分比称取以下各组分:34%_48%的碳酸盐(白云石、大理石其中的一种或两种)，17%-24%的萤石，2%-6%的锆英砂，1%-4%的硅铁，5%-12%的钛铁，3%_5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%-5%的金红石，2%-6%的云母，0.7%-1%的碱，1%_3%的混合稀土(20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物)，2%-6%的金属锰，1%-3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100% ；
[0031]将上述称取的各组分材料和模数为2.8的钾钠混合水玻璃一起放入混料机中混合15分钟，然后将混合后的药粉放入压团机中压成圆柱形药团；钾钠混合水玻璃的加入量为药皮质量的30%-33% ；[0032]步骤2，
[0033]在焊条压涂机中加入步骤I中的圆柱形药团，并将药团压涂在合金ERNiCrMo-3焊芯上，然后放入箱式炉中先以60°C进行低温烘干10h，然后依次以120°C烘干lh、180°C烘干lh、250°C烘干lh、350°C烘干Ih进行逐级升温烘干，制成焊条。
[0034]药皮各个组分的作用:
[0035]碳酸盐的加入形式主要以白云石和大理石为主，白云石的主要成分为CaMg(CO3)2,在焊接过程中，其主要的氧化产物Ca0、Mg0，可在焊缝金属中起到有效的脱硫、磷的作用。其在焊接过程脱硫、磷反应式如下:
[0036][FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)
[0037][FeS] + (MgO) = (MgS) + (FeO)
[0038]2 [Fe3P] +5 (FeO) +3 (CaO) = ((CaO) 3.P2O5) +11 [Fe]
[0039]2 [Fe3P] +5 (FeO) +4 (CaO) = ((CaO) 4.P2O5) +11 [Fe]
[0040]氧化产物MgO除上述作用外，还可以起到提高熔渣透气性的作用，从而使熔池中的气体在其凝固的过程中更容易溢出，减少气孔形成的倾向，降低扩散氢的含量，还可起到增加熔渣表面张力的作用，对焊条脱渣性也有利。大理石的主要化学成分是CaCO3，在焊条药皮中的主要作用是造渣和造气，大理石分解出的CaO既能稳定电弧，又有良好的脱硫能力。但是大理石用量过多会增加药粉熔点，减慢焊接速度，使焊缝成型粗糙，并使熔渣粘度增加，易致焊缝产生内气孔。本发明中碳酸盐的含量控制在34%-48%。
[0041]萤石的主要化学成分是CaF2，其熔点较低，具有稀释熔渣的作用，会降低熔渣的熔点，从而提高熔渣的导电性和流动性。在焊接过程中萤石主要提供玻璃相中钙离子，萤石含量越多，形成的钙玻璃含量越多，脱渣率提高，另一方面萤石具有一定的除氢作用，萤石含量越多，除氢效果越明显，脱渣率提高；钙含量过多，形成的玻璃相具有较高热膨胀系数，焊接工艺结束后，玻璃相强度也会降低。在本发明中CaF2的含量控制在20%-25%之间。
[0042]锆英砂主要成分为锆英石(ZrSiO4),锆英砂的加入一方面有助于玻璃相的形成，另一方面，锆英砂的加入起到析晶作用，随着锆英砂含量增加，玻璃相含量增加，脱渣率提闻。并且错英砂具有两种变体，一种是100CTC以下稳定的单斜晶体，另一种为闻于100CTC时稳定的正方晶体，由一种晶体转变为另一种晶体时体积发生约7%的变化，利用这一性能也可以改善焊条的脱渣性能，有利于脱渣。本发明中锆英砂的加入量控制在2%-6%。
[0043]钛酸盐的加入主要以金红石和钛白粉为主，金红石和钛白粉一方面起到析晶强化目的；另一方面降低焊料玻璃相与金属间润湿性，强化界面，而脱渣率高低主要与析出的晶体数量和类型有关，因而添加量越多，析出的晶体含量增加，脱渣率提高。钛白粉能够使焊条药皮具有较好的塑性，可以改善焊条的压涂工艺性能，但其用量不能太高，否则不仅增加成本还会使焊条药皮在焊接过程发红严重。金红石可以使焊条药皮在焊接熔化的过程中实现“短渣”的特性，由于TiO2在焊接高温下粘度较低，对焊缝熔态金属的铺展十分有利，而当电弧移开某一区域，这一区域TiO2的粘度将急剧增加，从而可以有效保证焊条对全位置立向下的焊接的适应性；同时，金红石还可以起到稳定电弧的作用。在焊条药皮中，当1102含量较少时，会造成焊接时电弧不稳定，但是其含量过多，又会造成电弧吹力的下降。在大量的生产实际中还发现，在焊条药皮中TiO2的含量控制的合理时，其不仅稳弧，而且减少焊接飞溅，还能促进熔池金属的铺展，使焊缝成型良好以减少焊缝中气孔的形成。本发明中钛白粉的含量控制在2%-5%，金红石的含量控制在2%-5%。
[0044]钛铁、硅铁和锰铁是常用的脱氧剂，并且也起到合金化的作用。钛铁、硅铁和锰铁加入主要目的一方面改善焊料玻璃相脆性；另一方面在界面附近可以有效地和金属间形成连接，强化界面，因而随着这三者含量增加，脱渣率降低。另外，这三者也和玻璃相之间存在润湿性不匹配的问题，含量过多，造成玻璃相强度大大降低。
[0045]钛铁是主要的脱氧剂，脱氧后的产物TiO2有一定的稀渣作用，钛铁对改善焊条的工艺性能有利，本发明中钛铁的加入量控制在5%-12%。
[0046]娃铁通常米用低度娃铁,含Si量约45%, —般娃铁用量小于5%,过量的娃铁会加剧熔池中的冶金反应，使爆炸性飞溅增大，熔渣流动性增加，成形变差，且还会导致焊缝金属的硅含量增加。低度硅铁压涂性能好，烘干焊条过程中药皮一般不会起泡。因此本发明中硅铁的含量控制在1%_4%之间。
[0047]中碳锰铁的用量一般小于8%，过量的锰铁会增加MnO的量，使熔渣碱度增大，导致熔渣流动性变差，焊缝成形不良，脱渣困难。本发明中中碳锰铁的含量控制在3%-5%之间。
[0048]云母的主要化学成分是 Al2O3.ηΗ20和SiO2，其主要作用是改善涂料的压涂性能和造渣，并有助于提高稳弧性。云母粉是一种高结晶水硅铝酸盐，其在焊条烘干温度350°C时基本没有脱去结晶水，从500°C时才开始脱去结晶水，且数量有限，这样就保证了在焊条熔化的过程中，能使药皮拥有较高的残余水分，从而达到消除气孔的目的；同时由于结晶水的均匀释放，保证了焊接工艺的稳定性。本发明中云母的含量控制在2%-6%。
[0049]混合稀土可显著提高焊缝金属的低温冲击韧性。稀土在焊接冶金过程中与硫、氧反应，可产生稀土硫化物、稀土氧化物和稀土硫氧化物，大部分上浮到熔渣中，有效地净化了焊缝；还能够显著改善焊缝金属组织，细化晶粒；可明显改善焊缝金属中夹杂物的形态大小及分布，使夹杂物数量减少，尺寸减小。本发明中混合稀土由20%的氧化钇，20%的氧化铈和60%的氧化镧组成，其加入量控制在1%_3%。
[0050]锰是钢中重要的合金元素，也是重要的淬透性元素，它对钢材及焊缝金属的韧性有很大的影响。当《_低于0.05%时，焊缝金属的韧性很高，可达30(/(2;而高于3%时，材料又很脆；当在0.6%-1.8%时，钢材及焊缝金属有较高的强度和韧性，并且当ω.为1.5%时韧性最好。虽然在传统的马氏体时效钢中，锰被认为是杂质元素，其含量受到严格控制。但由于在Fe-Ni系合金中，可以在较宽的冷却速度内形成板条和块状马氏体组织，所以Fe-Mn系合金也在为时效强化提供了良好的基础。因此，我们可以加入锰取代部分镍和钴，质量分数为1%的锰可以取代质量分数为3%的镍，但锰取代镍后韧性会有所下降。因此，锰取代镍的质量分数不能超过6%，最佳的N1-Mn配合比约为12.5: 2，因此本发明中金属锰的含量控制在2%-6%之间。
[0051]铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性会有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能，在奥氏体不锈钢中加铌，可优先与碳结合而防止碳与Cr结合，从而避免缺Cr现象发生，可防止晶间腐蚀现象。适量的Nb和V可以提高焊缝的冲击韧性，Nb=0.03%-0.04%, V=0.05%-0.1%可使焊缝金属具有良好的韧性。因此本发明中铌铁的含量控制在1%_3%之间。
[0052]本发明一种用于焊接lNi9钢的焊条，解决了现有用于焊接lNi9钢的焊条从国外进口价格昂贵且工艺性能较差的问题，具有以下优点:
[0053]1.本发明的原料易于获得，原料来源渠道多，所需原料都是国内储备较丰富的原料；
[0054]2.焊条药皮与合金ERNiCrMo-3焊芯匹配，用于焊接国产lNi9钢得到的焊缝性能如下:
[0055]I)在_196°C时，焊缝的抗拉强度ob> 1134MPa，低温冲击韧性平均值≥56J，延伸率平均值> 32%，断面收缩率> 59% ；
[0056]2)焊缝的组织主要为单一奥氏体，这种组织相主要由Y相固溶体和析出相组成，结晶形态为树枝晶，有一定的方向性，并在结晶过程中发生枝晶偏析或晶界偏析，因此具有良好的低温韧性；
[0057]3)本发明与合金ERNiCrMo-3焊丝匹配，具有良好的工艺性能:引弧及稳弧性能优良，焊接过程中烟尘和飞溅较小，脱渣性能良好，焊道成型均匀美观，无气孔。
[0058]实施例1
[0059]按照质量百分比分别称取440g(44%)的大理石，220g(22%)的萤石，40g(4%)的锆英砂，20g(2%)的硅铁，60g(6%)的钛铁，40g(4%)的中碳锰铁，40g (4%)的钛白粉，50g(5%)的金红石，30g(3%)的云母，10g(l%)的碱，20g(2%)的混合稀土(20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物)，20g(2%)的金属锰，IOg(1%)的铌铁；将上述药粉材料和上述药粉材料310g (31%)的钾钠混合水玻璃一起放入混料机中混合15分钟，然后将混合后的药粉放入压团机中压成圆柱形药团；
[0060]在焊条压涂机中加入前期制得的圆柱形药团，并将药团压涂在ERNiCrMo-3焊芯上，将制作好的焊条放入箱式炉中以低温60°C父1011，依次以高温1201: Xlh、180°C X lh、250°C Xlh、350°C X Ih四个温度段进行逐级升温烘干，制成焊条。
[0061]切取规格为170mmX IOOmmX 20mm的钢板I副(焊接用的钢板为中合金低碳马氏体1Ν?9板材)，单边双面开60°坡口。焊接工艺参数如表I所示。层间温度控制在低于100°C，焊前先预热钢板并将焊条加热至350°C，保温2小时，然后150°C保温，随用随取；对钢板进行对接堆焊，焊到双面坡口填满并有点凸起为止。
[0062]表I焊接工艺参数
[0063]
【权利要求】
1.一种用于焊接lNi9钢的焊条，其特征在于，包括药皮和焊芯，所述药皮按质量百分比由以下组分组成:34%-48%的碳酸盐，17%-24%的萤石，2%_6%的锆英砂，1%_4%的硅铁，5%-12%的钛铁，3%-5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%-5%的金红石，2%_6%的云母，0.7%_1%的碱，1%-3%的混合稀土，2%-6%的金属锰，1%-3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100% ο
2.如权利要求1所述的一种用于焊接lNi9钢的焊条，其特征在于，所述碳酸盐为白云石、大理石其中的一种或两种。
3.如权利要求1或2所述的一种用于焊接lNi9钢的焊条，其特征在于，所述混合稀土为20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物。
4.一种用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1， 按质量百分比称取以下各组分:34%-48%的碳酸盐，17%-24%的萤石，2%_6%的锆英砂，1%-4%的硅铁，5%-12%的钛铁，3%-5%的中碳锰铁，2%-5%的钛白粉，2%_5%的金红石，2%_6%的云母，0.7%-1%的碱，1%-3%的混合稀土，2%-6%的金属锰，1%-3%的铌铁，上述各组分质量百分比之和为100% ； 将上述称取的各组分材料和粘结剂一起放入混料机中混合15分钟，然后将混合后的药粉放入压团机中压成圆柱形药团； 步骤2， 在焊条压涂机中加入步骤I中所述的圆柱形药团，并将药团压涂在合金ERNiCrMo-3焊芯上，然后放入箱式炉中进行逐级升温烘干，制成焊条。
5.如权利要求4所述的用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，步骤I中所述碳酸盐为白云石、大理石其中的一种或两种。
6.如权利要求4所述的用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，步骤I中所述混合稀土为20%的氧化钇、20%的氧化铈和60%的氧化镧组成的混合物。
7.如权利要求4所述的用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，步骤I中所述粘结剂为模数为2.8的钾钠混合水玻璃。
8.如权利要求4所述的用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，步骤I中所述粘结剂的加入量为药皮质量的30%-33%。
9.如权利要求4所述的用于焊接lNi9钢的焊条的制备方法，其特征在于，步骤2中所述逐级升温烘干步骤为:先以60°C进行低温烘干10h，然后依次以120°C烘干lh、180°C烘干lh、250°C烘干 lh、350°C烘干 Ih。
【文档编号】B23K35/365GK103433649SQ201310349892
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】张敏, 张兴璇, 李继红 申请人:西安理工大学